黃天均 田美霞

0 引言

涵洞是水利、電力、公路、鐵路等工程中常用的一種建筑物[1]。涵洞上填覆土所產生的垂直土壓力是涵洞承受的主要荷載,直接關系到涵洞的結構設計是否合理。洞頂垂直土壓力的大小與上填覆土的厚度及性質有很大的關系,所以研究覆土厚度對涵洞結構的影響具有重要的意義。本文以重慶某排洪涵為例,運用有限元軟件ANSYS[2]模擬和預測了不同填土厚度下,拱涵結構及其持力層的位移、應力及塑性區(qū)的分布情況,為確定最終填土厚度提供了理論依據(jù)。

1 有限元模型的建立

1.1 工程概況及幾何模型

此排洪拱涵修建于1985年(見圖1),長約80 m,結構完整,無裂縫。拱涵凈高3 m,凈寬2.5 m,半圓拱拱高1.25 m,新鮮砂巖塊石砌筑。涵洞外圈包裹一層約20 cm混凝土結構保護和防滲。拱涵邊墻砌石加固圈寬約1 m,基座砌石高度約2 m,持力層為中風化泥巖。

由于工程需要,現(xiàn)需增加其上填土的厚度,擬填土厚度從起點到終點逐漸增加,厚度約從2 m逐漸增加到16 m,加上拱涵現(xiàn)已填土厚(從涵洞拱頂計算)約2 m,拱涵實際擬填土最大厚度約18 m。

1.2 材料模型及有限元網格劃分

鋪設于地下的管道,可看作是置于彈性介質中的一無限長梁,可按照平面應變問題考慮[3],本文模擬單元選擇平面4節(jié)點單元即Plane42單元。

理論分析與實踐經驗均表明,目前有限元分析中能較好地模擬巖體的力學特性的巖體彈塑性破壞準則是Druker-Prager準則[4],因此,計算中巖體彈塑性破壞準則采用的是D-P準則。

取一典型剖面,簡化為較不利情況下的平面問題進行計算。計算剖面:整個計算模型的區(qū)域為267.6×36.4 m2,有限元網格共有926個平面單元,節(jié)點總數(shù)為986個。計算區(qū)域水平位移被約束,底面沿豎直方向位移被約束。

1.3 計算參數(shù)

涵洞結構按彈性材料考慮,材料的彈性模量及泊松比參照相關規(guī)范[5,6]中相關材料力學特性規(guī)定及有限元數(shù)值反演綜合確定(見表1)。根據(jù)試驗成果、地區(qū)經驗及重慶市工程建設標準DBJ 50-043-2005工程地質勘察規(guī)范,結合本工程的特征綜合確定巖體物理力學參數(shù)見表2。

表1 涵洞結構物理力學參數(shù)計算值

表2 數(shù)值計算巖土體物理力學參數(shù)計算值

2 數(shù)值模擬結果分析

有限元模擬過程為:第一步:模擬原始地貌下的初始地應力場(涵洞修筑前);第二步:涵洞開挖修筑并回填至現(xiàn)地面(2 m);第三步:涵洞拱頂填土(從現(xiàn)地面填土至不同厚度時拱涵安全性分析)。

2.1 計算位移分析

通過有限元分析,得到不同填土高度對涵洞影響有限元分析主要位移計算結果匯總如表3所示。

表3 涵洞主要位移計算結果匯總

由表3可知,填土高度在15 m以內時(包括15 m),涵洞洞周水平相對收斂計算值和拱頂下沉計算值比規(guī)范[7,8]規(guī)定的允許洞周水平相對收斂值(5 mm～20 mm)和允許拱頂下沉值(1.8 mm～3.6 mm)小,當填土高度大于15 m時涵洞洞周水平相對收斂計算值雖小于允許洞周水平相對收斂值,但拱頂下沉計算值已超出規(guī)范規(guī)定的允許拱頂下沉值。

因此可見,涵洞上部填土高度對涵洞附加位移有一定的影響,填土高度超過15 m(包括已有的2 m填土)時對涵洞穩(wěn)定性將構成工程不容許的變形量。

2.2 計算應力分析

通過前面的位移計算可知:填土厚度超過 15 m時,將超過涵洞結構允許的變形量,所以應力分析時填土最高填筑高度考慮到15 m。

涵洞拱頂填土對涵洞安全性影響有限元分析主要應力計算結果匯總列于表4。從表中計算結果可知,由于涵洞并沒有開挖卸荷,涵洞頂拱上方填土沒有形成“卸荷拱”,主應力最大值沒有超過砌體單軸抗壓強度標準值。涵洞洞周沒有出現(xiàn)受拉區(qū),雖然在土體局部區(qū)域出現(xiàn)了塑性區(qū),但持力層沒有出現(xiàn)塑性區(qū)。涵洞基底的y(鉛直)方向最大應力值小于中風化泥巖的地基承載力(2525.5 kPa)。所以填筑高度為15 m,滿足要求。

3 結論及建議

1)基于有限元數(shù)值模擬分析,參照公路及鐵路隧道設計規(guī)范中對隧道變形的安全變形的相關規(guī)定確定:拱涵上覆填土層厚度不能超過15 m。

2)按中風化泥巖計算,涵洞基底持力層沒有出現(xiàn)塑性區(qū),上覆填土15 m基礎最大地基反力607 kPa,沒有超過勘察報告提供的中風化泥巖地基承載力,但遠遠超過了強風化泥巖的地基承載力(300 kPa)。

表4 主要應力計算結果匯總

3)按涵洞設計規(guī)范要求,為防止涵洞兩側土體過大沉降引起頂拱上方土體的附加應力以及頂拱上方土體下沉量過大引起附加動荷載(數(shù)值模擬計算中沒有考慮這種附加應力),建議涵洞兩側土體(從基礎到頂拱)應進行壓實處理,建議涵洞邊墻兩側(2倍～3倍洞徑)土體密實度超過0.9。頂拱以上做2層～4層土工格柵,厚度間距1 m,寬度 2倍～3倍洞徑,填土厚度 5 m～7 m兩層、7 m～10 m三層、10 m～14 m四層土工格柵,土工格柵施工應按相關規(guī)程操作。另外要做好加固土體的防滲工作,防治地下水軟化加固土體。

4)數(shù)值模擬結果僅能作為一種參考,建議采用涵洞設計相關規(guī)范、細則、強制性條文及手冊對填土高度為15 m拱涵拱圈的強度和穩(wěn)定性進行了驗算,以確定最終的填土厚度。

[1]郝國紅,李永剛.溝埋式涵洞垂直土壓力的數(shù)值模擬[J].山西水利科技,2008(2):77-78.

[2]段 進,倪 棟,王國業(yè).ANSYS10.0結構分析從入門到精通[M].北京:兵器工業(yè)出版社,2006.

[3]龔愛民,傅蜀燕,黃海燕.ANSYS軟件在分析地下埋管工程中的應用[J].安徽建筑工業(yè)學院學報(自然科學版),2004,12(5):51-55.

[4]胡建明,張永興.小凈距公路隧道施工相互作用的有限元分析[J].重慶建筑大學學報,2006,28(6):68-71,134.

[5]GB 50003-2001,砌體結構設計規(guī)范[S].

[6]JTG D61-2005,公路圬工橋涵設計規(guī)范[S].

[7]JTG D70-2004,公路隧道設計規(guī)范[S].

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