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
2、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 数值模型参数表材料参数类别 弹模 E（MPa） 泊松比 容重（kN/m ）明洞衬砌 3.60104 0.20 25.00片石混凝土 3.00104 0.20 22.00土体 200 0.33 1950 25钢筋 2.0105 0. 2 78.00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
3、极限弯曲抗压强度为RW=28.1MPa，极限抗拉强度为 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
4、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 10m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
5、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 14
6、m 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
7、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。
