【《某高速公路隧道运用软件进行内力验算及数值模拟的案例》5600字】

某高速公路隧道运用软件进行内力验算及数值模拟的案例目录TOC\o"1-3"\h\u12185某高速公路隧道运用软件进行内力验算及数值模拟的案例 174861.1MIDAS/GTS软件简介 1179551.2荷载-结构法二衬受力计算 152221.2.1仰拱施作前二衬受力计算 1131771.2.2仰拱施作后二衬受力计算 6191011.3地层-结构法计算Ⅴ级围岩支护结构受力验算 11128751.3.1设计支护 1154761.3.2开挖方案 12310711.3.3数值模拟 12211311.3.4计算结果及施工反馈 14288961.4二次衬砌配筋验算 19114591.4.1偏压受力情况 20141181.4.2抗剪强度验算 2255731.4.3最大裂缝验算 221.1MIDAS/GTS软件简介MIDAS/GTS是以能够帮助使用者快速、准确地进行对于岩土和隧道衬砌结构的分析为目的的一款地下岩土结构专用的有限元分析软件，本章主要应用荷载-结构法和地层-结构法对隧道进行二次衬砌受力分析和开挖施工数值模拟。1.2荷载-结构法二衬受力计算1.2.1仰拱施作前二衬受力计算本设计所用C30混凝土，根据前述隧道截面形式及其尺寸，围岩压力及其荷载组合，采用二衬2D简化模型，并运用荷载-结构法中的弹性地基梁（含曲梁及圆环）法进行建模分析。二次衬砌以1D梁单元建立模型，进行受力分析，此处剔除了仰拱影响，且拱脚采用了固结形式。计算数值结果如下：图5-1轴力图图5-2剪力图图5-3弯矩图轴力、剪力、弯矩导出结果如表5-1表5-1梁单元导出内力数据表号单元X(m)Y(m)轴力(kN)剪力(kN)弯矩(kN·m)11-8.50244279.32581-2631.089143.02024.46134422-8.49581579.72327-2620.18140.5804532.9565933-8.49152278.9642-2647.954290.6451-54.8116444-8.45899980.15486-2604.433-8.13466340.5946455-8.42222578.48891-2694.553166.5035-167.456866-8.38606280.58183-2588.573-50.6921830.1917477-8.27751981.00116-2572.455-88.743913.83871288-8.21905377.9292-2716.869-228.4582-287.117699-8.13413881.4099-2556.146-123.1277-36.750021010-7.95693381.80514-2539.79-152.6434-89.356541111-7.86551677.45007-2621.136-701.1525-164.68411212-7.74715482.18411-2523.378-172.9698-149.90931313-7.50628682.54412-2506.438-171.7652-210.74291414-7.39063377.09085-2380.43-1294.915250.77821515-7.2360382.88262-2487.647-148.0969-258.60911616-6.93829783.19723-2464.434-72.47295-272.70241717-6.64216883.46931-2439.8464.900301-257.67291818-6.35656383.7062-2414.00120.94656-236.38211919-6.06251683.93251-2388.13534.42088-209.79022020-1.76041984.14797-2362.45441.36269-178.84422121-1.45067384.35227-2337.1653.82692-144.47222222-1.13368984.54515-2312.4559.8835-107.57782323-4.80988784.72636-2288.51463.617-69.034562424-4.47969884.89565-2261.53361.12597-29.680822525-4.1435681.05279-2243.6864.522379.6853682626-3.80192181.19759-2223.11861.9308448.3112727-3.45523281.32984-2204.00157.4879281.492632828-3.10395581.44937-2186.4751.34124120.58062929-2.74855681.55602-2170.65443.64858152.98273030-2.38950881.64965-2156.66734.57697182.16813131-2.02728681.73014-2144.61524.30163207.67013232-1.66237281.79738-2134.58313.00497229.0893333-1.29525181.85128-2126.6460.8754841246.09453434-0.9264181.89176-2120.863-11.89338258.42773535-0.556338581.91878-2117.276-21.10433261.90263636-0.185528381.9323-2111.913-38.55743268.407137370.185528481.9323-2116.764-52.05112261.903938380.556338981.91878-2119.867-61.3848258.4339390.926410681.89176-2121.182-78.35671246.097440401.29525281.85128-2132.671-90.76814229.092341411.66237481.79738-2142.285-102.4236207.673542422.02728881.73014-2153.955-113.1321182.171343432.3895181.64965-2167.602-122.708152.985444442.74855881.55602-2183.127-130.9727120.582445453.10395781.44936-2200.423-137.754881.4933646463.45523481.32983-2219.366-142.892148.310347473.80192381.19758-2239.819-146.23189.68295548484.14356381.05279-2261.636-147.632-29.6852449494.47970184.89564-2284.657-146.9621-69.0412850504.8098984.72636-2308.714-144.104-107.587151511.13369284.54515-2333.628-138.9525-144.484352521.45067784.35227-2359.213-131.4162-178.859553531.76042384.14796-2381.276-121.418-209.808854546.0625283.93251-2411.617-108.8958-236.404455556.35656783.70619-2438.03-93.80251-257.69956566.64217283.46931-2464.308-76.10697-272.732857576.93830983.19721-2493.548-7.372704-258.600358587.23605682.88256-2516.87272.76989-210.707159597.39063377.09084-2413.7281286.031027.20360607.50632382.54401-2531.046104.8921-149.858661617.74719882.18396-2550.667106.3692-89.3009662627.86551677.45007-2661.68671.9269250.788663637.95697981.80495-2561.09690.02097-36.6976664648.13418481.40966-2578.87164.083273.88112865658.21905377.9292-2753.032178.5475-164.677466668.27756181.00088-2592.07432.7825530.2176267678.38609680.5815-2604.653-2.76168840.5961568688.42222578.48891-2716.457-231.2465-287.119469698.45902280.15449-2616.646-43.4507132.9235170708.4915278.96409-2654.836-331.9878-167.473371718.49582379.72286-2628.309-90.984.38062172728.5024479.32549-2640.709-184.7192-54.89883与手算假定抗力法结果对比及讨论：计算结果与上述手算假定抗力法结果对比，拱顶与侧墙的数值相差比较大，但不能说哪种算法的结果一定准确。首先，两者计算所使用的原理虽都属于荷载结构法范畴，但仍有不同，手算采用的是假定抗力法，而软件模拟类型属弹性地基梁（含曲墙及圆环）法。在此指出两种方法存在的误差，假定抗力法采用结构力学方法将洞室的侧向土压力、竖向土压力及围岩反作用的抗力分别计算出对洞室支护结构的受力效果后进行耦合，以求得最后的受力图，该方法思路缜密，也符合科学的受力规律，合理运用结构力学基础原理，且计算比较简便，使工程师容易接受。但是，有些系统误差无法去除，如人为凭经验假定抗力起始点及抗力最大点的位置，这使得结果随结构分算单元的裂缝位置的不同而有所不同。利用MIDASGTS进行计算的结果也存在很多误差，限于作者水平，难以模拟较手算基本一致的模型，如难以模拟此类结构——在拱墙传下的轴力和弯矩作用下，拱墙底弹性支座产生相应刚性位移和转角，而墙本身只发生相应的竖向沉陷和转角。即无法模拟像手算一样的合理的边墙与拱脚弹性支座的变形协调条件（如图5-4）。本次计算是直接将拱脚拟以固定支座，违背了手算的假定。加上其他原因，这也就使得与手算结果有较大差距。图5-4拱脚弹性支座1.2.2仰拱施作后二衬受力计算在本设计中综合考虑仰拱施作后最终的受力情况，并以设置仰拱后受力情况进行支护结构配筋验算，计算结果如下所述。计算受力结果图如下：图5-5施加仰拱后的轴力图图5-6施加仰拱后的剪力图图5-7施加仰拱后的弯矩图施加仰拱后导出数值结果如表5-2表5-2施加仰拱后梁单元内力数据表号单元X(m)Y(m)轴力(kN)剪力(kN)弯矩(kN·m)11-8.30248779.32869-2461.085122.488651.8896822-8.29617779.71467-2448.2243.31912267.3456933-8.29175178.97325-2473.363279.72661.05568244-8.26078880.12952-2437.021-61.652650.302255-8.2284178.5291-2521.551199.553-101.659966-8.1906880.53993-2427.41-124.81898.98087977-8.08634780.943-2418.945-176.217-53.254188-8.04458878.0227-2573.575-31.67712-226.23699-7.94852781.33588-2411.332-219.1016-132.74021010-7.77819481.7158-2404.131-248.5302-223.77071111-7.72472177.58919-2578.273-203.1528-219.10931212-7.57655182.08007-2396.34-254.2167-316.37081313-7.34502582.42612-2381.896-219.7958-393.76651414-7.29506577.26418-2534.732-377.6396-111.72141515-7.0852582.75149-2369.15-122.7903-429.83961616-6.79906483.0539-2343.092-0.1911313-413.91071717-6.71705177.01181-2514.574-250.977987.65881818-6.51172783.31775-2314.85171.14038-371.33051919-6.23173183.54998-2287.14784.01907-331.77042020-6.03358976.78219-2540.02120.77623268.65292121-1.94345983.77185-2259.52994.29202-284.18382222-1.64729483.98307-2232.2102.0018-233.51022323-1.34363184.18337-2201.364107.2063-180.66942424-1.34230276.57733-2569.271113.3747254.3722525-1.03287184.37246-2179.213109.9781-126.55612626-4.71542984.55011-2153.937110.4043-72.034612727-4.64408776.3975-2597.31113.6342173.94082828-4.39172484.71607-2129.716108.5859-17.934012929-4.06218884.87013-2106.723104.637134.957143030-3.9398576.24292-2621.76680.6662693.875753131-3.72725781.01208-2081.11998.6843681.895123232-3.38737781.14173-2061.05790.86621134.18553333-3.23050476.11379-2641.91241.8475438.063873434-3.04299981.25892-2046.67681.33192179.18723535-2.69457981.36347-2030.10570.24086220.31613636-2.51696976.01029-2657.81421.157817.7636243737-2.34258281.45527-2011.45857.76146257.04873838-1.98747481.53418-2002.83944.0703288.9253939-1.8001771.93255-2669.7978.008027-4.4074024040-1.62972681.60009-1992.33229.35098311.55094141-1.26981581.65293-1984.01313.79315336.60124242-1.08103771.88066-2678.1723.534771-6.8507164343-0.908216881.69263-1977.939-2.408681351.82064444-0.54541381.71912-1974.153-19.0562361.02594545-0.360501471.8547-2683.1493.989949-1.9041684646-0.181884881.73237-1972.681-31.9485364.106747470.181884881.73237-1973.527-52.88336361.026148480.360501471.8547-2684.8241.932979-1.20359749490.54541381.71912-1976.704-69.65813351.820950500.908216881.69263-1982.184-86.07086336.601551511.08103771.88066-2683.1886.160032-1.90418352521.26981581.65293-1989.931-101.9218311.551253531.62972681.60009-1999.894-117.0145288.92554541.8001771.93255-2678.1311.231653-6.85076155551.98747481.53418-2012.006-131.1567257.048456562.34258281.45527-2026.188-144.1618220.315257572.51696976.01029-2669.426-12.598-4.40749958582.69457981.36347-2042.345-151.8496179.185759593.04299981.25892-2060.366-166.0476134.183360603.23050476.11379-2656.746-38.189037.76345161613.38737781.14173-2080.13-174.591881.8920262623.72725781.01208-2101.502-181.328134.9530663633.9398576.24292-2639.752-74.1260338.0636364644.06218884.87013-2124.337-186.1124-17.9391965654.39172484.71607-2148.475-188.8123-72.0410266664.64408776.3975-2618.361-108.423893.875567674.71542984.55011-2173.75-189.3076-126.563868681.03287184.37246-2199.985-187.4908-180.678669691.34230276.57733-2593.288-109.6991173.940870701.34363184.18337-2226.994-183.2679-233.52171711.64729483.98307-2254.585-176.5592-284.196272721.94345983.77185-2282.56-167.2996-331.784673736.03358976.78219-2566.89-18.83294254.372574746.23173183.54998-2310.715-151.4392-371.346675756.51172783.31775-2338.842-140.9432-413.928776766.71705177.01181-2544.167251.0003268.654677776.79906983.05389-2371.086-76.582-429.83478787.08526582.75145-2397.25250.39069-393.735579797.29506577.26418-2564.873369.597687.6623980807.34504782.42605-2413.405151.6774-316.323881817.57657982.07998-2422.579190.2028-223.717182827.72472177.58919-2614.969176.7056-111.716783837.77822381.71568-2428.465188.3374-132.68884847.94855781.33573-2433.183162.3461-53.2100585858.04458878.0227-2606.305-9.484817-219.105186868.08637480.94282-2437.811122.42549.01094287878.19070280.53971-2442.87573.4410650.3125188888.2284178.5291-2541.378-258.1336-226.236289898.26080480.12928-2448.76816.0777967.3296890908.2917578.97318-2480.136-320.3694-101.670191918.29618279.7144-2456.044-51.7440551.8393992928.30248679.32848-2466.616-163.44464.9986721.3地层-结构法计算Ⅴ级围岩支护结构受力验算1.3.1设计支护本设计工程地质条件是Ⅴ级围岩，岩体较软弱，因此需要对围岩进行预支护。本设计的内容为三车道高速公路隧道，查规范可知，本设计的衬砌应采用复合式衬砌。根据《隧道工程》中所学习的知识可知，对围岩进行预支护有多种方法有水平旋喷超前预支护、注浆加固围岩、堵水、稳定工作面、管棚超前支护、超前预切槽预支护、超前预设锚杆等方法。根据对于本隧道区域内的地质勘探，综合分析各种方法优、缺点后，选择超前注浆小导管这一方法应用于Ⅴ级围岩。具体超前注浆小导管参数参考4.1。1.3.2开挖方案根据《隧道工程》中所学习的知识，参照规范，综合多种因素综合判断，选择短台阶法进行机械开挖。1.3.3数值模拟本设计用MIDAS建模，以模拟开挖过程中围岩、喷混和锚杆等的受力情况。设定隧道长度为80m，采用台阶法开挖，分8次掘进，每次掘进长度为10m。根据《公路隧道设计规范》附录可查，Ⅴ级围岩重度范围为17～20kN/m3，变形模量1～2GPa，泊松比0.35～0.45，内摩擦角20～27°，粘聚力0.05～0.2MPa。表1.1围岩建模相关数据名称弹性模量（）泊松比（）容重（）粘聚力（）摩擦角Ⅴ级围岩2.0E+060.4520200由工程概况可知，本设计的Ⅴ级围岩，地质条件复杂，隧道围岩较破碎，整个隧道的开挖控制比较困难，而隧道Ⅴ级围岩地段节理、裂隙发育，围岩透水性强。依据规范规定，弹性模量取2GPa，泊松比取为0.45围岩容重取为20kN/m3,粘聚力取为0.2MPa，内摩擦角取为25°。表1.2混凝土和锚杆建模用数据名称材料模型类型弹性模量（）泊松比（）容重（）C30混凝土各向同性弹性2.5E+070.222锚杆各向同性弹性2.1E+080.378.5建模过程中混凝土和锚杆所用数据如上述，根据以上数据建模，由于本隧道分8次掘进，且开挖方法为台阶法，所以模型最终的施工阶段分为12个阶段.下图为模型三维等轴测图和主视图：图5-8模型主视图图5-9模型三维等轴测图隧道各开挖阶段中，要求对每个阶段中，围岩、衬砌的位移、应力、应变进行监测。在此MIDAS模型中，隧道沿Y方向开挖，重力方向为Z方向。对围岩来说，其位移沿纵向变化很小，重点监测其水平方向及竖直方向的位移；因为围岩对衬砌所施加的竖直压力远大于水平压力，因而应重点监测围岩竖向的应力大小；对围岩应变也应适当进行监测。对衬砌来说，衬砌与围岩紧密相贴，故衬砌的位移和围岩的位移数值大小相同，所以不必对衬砌进行位移分析，只需对围岩进行横向和竖向的位移进行分析即可；对衬砌的应力监测，衬砌拼装时用模筑混凝土衬砌，为保证千斤顶顶力大小适当，应监测衬砌沿纵向的应力大小。此外，还需对锚杆中的轴力大小进行监测。1.3.4计算结果及施工反馈（1）地表沉降情况按照以上情况进行开挖，初次开挖及施加仰拱并拆除内部临时支撑后的最终沉降结果如图5-10，5-11：经过软件计算，统计出各施工阶段造成的沉降量如表1.3所示：表5-3各开挖阶段造成的沉降量（单位mm）过程CS1CS2CS3CS4CS5CS6CS7CS8CS9CS10CS11沉降量4.0724.9521.4526.2436.6597.1287.9028.118/8.6159.2049.406由上图可以看出隧道开挖过程中隧道最大沉降位置在每个阶段都不同，大致呈现着从拱底向拱顶过渡且随着开挖的进程沉降量增幅先增大后减小，隧道最大沉降量为9.406mm。故建议开挖时，可减少每次开挖进尺，尽量减少最终沉降。在开挖断面到二次衬砌施作这段时间里会有较多沉降产生，故建议在施工时，及时施作二次衬砌，尽可能早的使承载环封闭，减少沉降。图5-10初次开挖沉降量图5-11末次开挖沉降量（2）初期衬砌受力情况计算结果如下：图5-12初期支护弯矩图初期支护通过手算一般难以得出。此处可清晰看到初期支护的受力分布与二次衬砌比较相似，在拱顶和拱腰处受到较大的弯矩，在拱顶处弯矩值为11.3933千帕；在拱腰处弯矩值为24.1865千帕。故为了减少初期支护收到的弯矩，建议在施工时，五级围岩段，喷混应适当加厚。（3）其他构件受力情况。图5-13锚杆轴力图图5-15未施加注浆小导管土层塑性区图5-16施加注浆小导管土层塑性区图5-17土层总应力图图5-18土层总应变图根据锚杆轴力图可以看出位于拱腰和侧墙处的锚杆受到的应力最大，最大值为101.282kN而在拱顶处锚杆所受到的轴力值为负，最大负轴力为-6.297kN，故建议在拱顶锚杆设置数量可适当减少而拱腰和侧墙可适当增加锚杆数量。经过资料查阅得知，施作小导管能有效改变周边范围围岩的属性，提高了软弱破碎围岩的结构力学参数，能形成承载力较高的改良加固带，能起到锚杆、管棚和锚杆桩的多重效果。究其机理，即在超前小导管加固的围岩断面方向处，如果每个小导管之间的距离合适，并注浆饱满，会与密贴松散围岩形成连拱作用，以小导管为拱脚，其间跨度为导管间距，其数量值远远小于隧道开挖跨度，且小导管作为钢材，能有效的为每个小拱提供支撑，故承载力较大；又由于小拱跨度较小，即使松散围岩厚度即拱矢很小也很容易形成，他们共同形成群拱效应（如图5-19）约束围岩。1-小导管2-单元小拱3-群拱效应5-19注浆小导管产生的群拱效应实践也证明，超前小导管能有效配合新奥法施工，尤其适用于破碎及松散体围岩，并且经有关资料及工程实例，小导管注浆施工还能有效帮助后期的监控和量测，为隧道后期验收及运营管理提供可靠的反馈信息。1.4二次衬砌配筋验算此处计算以上述Ⅴ级围岩段计算成果为例。如前所述，该项目二衬采用工程类比法设计，此处综合考虑施加仰拱后（即后期）受力进行钢筋配筋验算。设计配筋图简图如图5-15所示。图5-15二衬纵断面配筋样图根据前述MIDASGTS计算结果按照《设计规范》附录N进行计算。二衬截面尺寸取每延米b×h=1000mm×600mm，as=as'=40mm，根据《设计规范》表9.2.4-2查得钢筋混凝土结构各种荷载组合的强度安全系数：取永久荷载或永久荷载加基本可变荷载时，钢筋达到极限强度或混凝土达到抗压或抗剪极限强度K=2.0；混凝土达到抗拉极限强度K=2.4