隧道明洞允许回填高度ANSYS数值模拟分析实例

1、明洞堆载数值模拟报告1数值建模采用ANSYS软件对明洞的回填过程进行数值模拟，以平面应变法进行计算，采用PLANE42实体单元模拟明洞、周围土体及片石混凝土，采用LINK1杆单元模拟钢筋。由于其为明挖结构，因此不考虑周围土体的拱效应。明洞左右各取3倍的跨径作为计算范围，明洞底部取单倍洞高作为计算范围，顶部土体取为4m。对于6m、8m、10m、12m的回填土，以在隧道顶部施加均布荷载的方式进行模拟，压载土的容重为1950kg/m3。设置其为拉普拉森算法。设计参数：钢筋直径取为25，明洞为C30混凝土，锁定回填为C15片石混凝土。堆载14m时，下部4m采用回填土，土的容重取为1950kg/m3，上

2、部10m采用炉渣填筑，炉渣的容重取为1300kg/m3，较常规的800 kg/m3，1.625的安全系数。表1 数值模型参数表材料参数类别弹模E（MPa）泊松比容重（kN/m³）明洞衬砌3.60×1040.2025.00片石混凝土3.00×1040.2022.00土体2000.331950 25钢筋2.0×1050. 278.00图2.1 明洞与周围土体单元网格图2.2 模型加载土图2.3 明洞衬砌与配筋图图2.4 明洞结构配筋图图2.5 明洞结构与片石混凝土网格图根据公路隧道设计规范，C30混凝土的极限弯曲抗压强度为RW=28.1MPa，极限抗拉强度为

3、Rl=2.2MPa。2计算结果2.1回填土高8m图2.1 填土高度为8m时的衬砌第一主应力 分析明洞结构在回填土高为10m时的第一主应力可见，主拉应力主要产生在拱脚底部、拱顶内侧与仰拱位置，拱角位置的主拉应力最大，量值为1.25MPa，小于C30混凝土的抗拉极限，即2.2MPa。若进一步增加填土，则该位置混凝土有可能产生拉裂。图2.2 填土高度为8m时的衬砌第三主应力分析明洞结构在回填土高为8m时的第三主应力可见，主压应力主要产生在拱脚内侧，拱角位置的主压应力最大，量值为3.96MPa，远小于C30混凝土的弯曲抗压极限，即28.1MPa。明洞结构不会因上部堆载而产生混凝土压裂。2.2回填土高1

4、0m图2.3 填土高度为10m时的衬砌第一主应力 分析明洞结构在回填土高为10m时的第一主应力可见，主拉应力主要产生在拱脚底部、拱顶内侧与仰拱位置，拱角位置的主拉应力最大，量值为1.38MPa，小于C30混凝土的抗拉极限，即2.2MPa。图2.4 填土高度为10m时的衬砌第三主应力 分析明洞结构在回填土高为10m时的第三主应力可见，主压应力主要产生在拱脚内侧，拱角位置的主压应力最大，量值为4.4MPa，远小于C30混凝土的弯曲抗压极限，即28.1MPa。2.3回填土高12m图2.5 填土高度为12m时的衬砌第一主应力分析明洞结构在回填土高为12m时的第一主应力可见，主拉应力同样主要产生在拱脚底

5、部、拱顶内侧与仰拱位置，拱角位置的主拉应力最大，量值为1.56MPa，小于C30混凝土的抗拉极限，即2.2MPa。图2.6 填土高度为12m时的衬砌第三主应力分析明洞结构在回填土高为12m时的第三主应力可见，主压应力主要产生在拱脚内侧，拱角位置的主压应力最大，量值为4.92MPa，远小于C30混凝土的弯曲抗压极限，即28.1MPa。明洞结构不会因上部堆载而产生混凝土压裂。2.4回填土高14m（4m土+10m炉渣）填土14m时的方案为下部4m为堆载土，土体的容重为1950kg/m3，上部10m采用炉渣填筑，炉渣容重取为1300 kg/m3，较常规的800 kg/m3存在1.625的安全系数。图2

6、.7 填土高度为12m时的衬砌第一主应力分析明洞结构在回填土高为14m时的第一主应力可见，主拉应力同样主要产生在拱脚底部、拱顶内侧与仰拱位置，拱角位置的主拉应力最大，量值为1.44MPa，小于C30混凝土的抗拉极限2.2MPa。结构安全，且尚存在1.53的安全系数。图2.8 填土高度为12m时的衬砌第三主应力分析明洞结构在回填土高为14m时的第三主应力可见，主压应力主要产生在拱脚内侧，拱角位置的主压应力最大，量值为4.43MPa，远小于C30混凝土的弯曲抗压极限，即28.1MPa。明洞结构不会因上部堆载而产生混凝土压裂。3总结 1在回填土的堆载作用下，明洞衬砌结构的主压应力主要位于拱脚内侧位置，在计算堆载范围内（612m）其量值远小于C30混凝土的抗压极限，混凝土不会产生压裂。 2在回填土的堆载作用下，明洞衬砌结构的主拉应力主要位于拱角底部、拱顶内侧和仰拱位置，拱角位置的拉应力最大，随着堆载土高的增大而增大，当堆载土高为10m时，其拉应力为1.38MPa，小于C30混凝土的抗拉极限。当堆载土高为12m时，其拉应力为1.56MPa，亦C30混凝土的抗拉极限。 3考虑混凝土的抗压强度远高于其抗拉强度，应以抗拉强度作为其控制标准，当堆载土高为12m时，拉应力值虽然小于其极限应力，但安