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1、隧道明洞允许回填高度 ANSY敝 值模拟分析实例作者:日期: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
2、 混凝土。堆载14m时，下部4m采用回填土，土的容重取为1950kg/m3,上部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f一_材料参数 类别弹模E (MPa)泊松比科容重（kN/m3）明洞衬砌3.60 M040.2025.00片石混凝土3.00 M040.2022.00士体2000.3319502浇忖筋一一 一 52.0 1050. 278.00图2.1明洞与周围土体单元网格AN国VI ZC 2015图2.2 模型加载土图2.3 明洞衬砌与配筋图Kl/ Cor j g图2.5明洞结构与片石混凝土网格图根据
3、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Ri=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
4、载而产生混凝土压裂。2.2 回填土高10m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。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
5、土的抗拉极限，即2.2MPa。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2.7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
6、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。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 载士高为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，但安全系数小于1.5。建议控制其堆载土高度，或对拱脚底部适当增加配筋。4采用土与炉渣的14m堆载方案时，明洞结构的极限拉应力为 1.44MPa,较 C30混凝土的极限抗拉强度2.2MPa存在1.53的安全系数，结构安全。
