基于ANSYS的某涵洞填土厚度研究

黄天均 田美霞

0 引言

涵洞是水利、电力、公路、铁路等工程中常用的一种建筑物[1]。涵洞上填覆土所产生的垂直土压力是涵洞承受的主要荷载,直接关系到涵洞的结构设计是否合理。洞顶垂直土压力的大小与上填覆土的厚度及性质有很大的关系,所以研究覆土厚度对涵洞结构的影响具有重要的意义。本文以重庆某排洪涵为例,运用有限元软件ANSYS[2]模拟和预测了不同填土厚度下,拱涵结构及其持力层的位移、应力及塑性区的分布情况,为确定最终填土厚度提供了理论依据。

1 有限元模型的建立

1.1 工程概况及几何模型

此排洪拱涵修建于1985年(见图1),长约80 m,结构完整,无裂缝。拱涵净高3 m,净宽2.5 m,半圆拱拱高1.25 m,新鲜砂岩块石砌筑。涵洞外圈包裹一层约20 cm混凝土结构保护和防渗。拱涵边墙砌石加固圈宽约1 m,基座砌石高度约2 m,持力层为中风化泥岩。

由于工程需要,现需增加其上填土的厚度,拟填土厚度从起点到终点逐渐增加,厚度约从2 m逐渐增加到16 m,加上拱涵现已填土厚(从涵洞拱顶计算)约2 m,拱涵实际拟填土最大厚度约18 m。

1.2 材料模型及有限元网格划分

铺设于地下的管道,可看作是置于弹性介质中的一无限长梁,可按照平面应变问题考虑[3],本文模拟单元选择平面4节点单元即Plane42单元。

理论分析与实践经验均表明,目前有限元分析中能较好地模拟岩体的力学特性的岩体弹塑性破坏准则是Druker-Prager准则[4],因此,计算中岩体弹塑性破坏准则采用的是D-P准则。

取一典型剖面,简化为较不利情况下的平面问题进行计算。计算剖面:整个计算模型的区域为267.6×36.4 m2,有限元网格共有926个平面单元,节点总数为986个。计算区域水平位移被约束,底面沿竖直方向位移被约束。

1.3 计算参数

涵洞结构按弹性材料考虑,材料的弹性模量及泊松比参照相关规范[5,6]中相关材料力学特性规定及有限元数值反演综合确定(见表1)。根据试验成果、地区经验及重庆市工程建设标准DBJ 50-043-2005工程地质勘察规范,结合本工程的特征综合确定岩体物理力学参数见表2。

表1 涵洞结构物理力学参数计算值

表2 数值计算岩土体物理力学参数计算值

2 数值模拟结果分析

有限元模拟过程为:第一步:模拟原始地貌下的初始地应力场(涵洞修筑前);第二步:涵洞开挖修筑并回填至现地面(2 m);第三步:涵洞拱顶填土(从现地面填土至不同厚度时拱涵安全性分析)。

2.1 计算位移分析

通过有限元分析,得到不同填土高度对涵洞影响有限元分析主要位移计算结果汇总如表3所示。

表3 涵洞主要位移计算结果汇总

由表3可知,填土高度在15 m以内时(包括15 m),涵洞洞周水平相对收敛计算值和拱顶下沉计算值比规范[7,8]规定的允许洞周水平相对收敛值(5 mm～20 mm)和允许拱顶下沉值(1.8 mm～3.6 mm)小,当填土高度大于15 m时涵洞洞周水平相对收敛计算值虽小于允许洞周水平相对收敛值,但拱顶下沉计算值已超出规范规定的允许拱顶下沉值。

因此可见,涵洞上部填土高度对涵洞附加位移有一定的影响,填土高度超过15 m(包括已有的2 m填土)时对涵洞稳定性将构成工程不容许的变形量。

2.2 计算应力分析

通过前面的位移计算可知:填土厚度超过 15 m时,将超过涵洞结构允许的变形量,所以应力分析时填土最高填筑高度考虑到15 m。

涵洞拱顶填土对涵洞安全性影响有限元分析主要应力计算结果汇总列于表4。从表中计算结果可知,由于涵洞并没有开挖卸荷,涵洞顶拱上方填土没有形成“卸荷拱”,主应力最大值没有超过砌体单轴抗压强度标准值。涵洞洞周没有出现受拉区,虽然在土体局部区域出现了塑性区,但持力层没有出现塑性区。涵洞基底的y(铅直)方向最大应力值小于中风化泥岩的地基承载力(2525.5 kPa)。所以填筑高度为15 m,满足要求。

3 结论及建议

1)基于有限元数值模拟分析,参照公路及铁路隧道设计规范中对隧道变形的安全变形的相关规定确定:拱涵上覆填土层厚度不能超过15 m。

2)按中风化泥岩计算,涵洞基底持力层没有出现塑性区,上覆填土15 m基础最大地基反力607 kPa,没有超过勘察报告提供的中风化泥岩地基承载力,但远远超过了强风化泥岩的地基承载力(300 kPa)。

表4 主要应力计算结果汇总

3)按涵洞设计规范要求,为防止涵洞两侧土体过大沉降引起顶拱上方土体的附加应力以及顶拱上方土体下沉量过大引起附加动荷载(数值模拟计算中没有考虑这种附加应力),建议涵洞两侧土体(从基础到顶拱)应进行压实处理,建议涵洞边墙两侧(2倍～3倍洞径)土体密实度超过0.9。顶拱以上做2层～4层土工格栅,厚度间距1 m,宽度 2倍～3倍洞径,填土厚度 5 m～7 m两层、7 m～10 m三层、10 m～14 m四层土工格栅,土工格栅施工应按相关规程操作。另外要做好加固土体的防渗工作,防治地下水软化加固土体。

4)数值模拟结果仅能作为一种参考,建议采用涵洞设计相关规范、细则、强制性条文及手册对填土高度为15 m拱涵拱圈的强度和稳定性进行了验算,以确定最终的填土厚度。

[1]郝国红,李永刚.沟埋式涵洞垂直土压力的数值模拟[J].山西水利科技,2008(2):77-78.

[2]段 进,倪 栋,王国业.ANSYS10.0结构分析从入门到精通[M].北京:兵器工业出版社,2006.

[3]龚爱民,傅蜀燕,黄海燕.ANSYS软件在分析地下埋管工程中的应用[J].安徽建筑工业学院学报(自然科学版),2004,12(5):51-55.

[4]胡建明,张永兴.小净距公路隧道施工相互作用的有限元分析[J].重庆建筑大学学报,2006,28(6):68-71,134.

[5]GB 50003-2001,砌体结构设计规范[S].

[6]JTG D61-2005,公路圬工桥涵设计规范[S].

[7]JTG D70-2004,公路隧道设计规范[S].

[8]TB 10003-2005/J449-2005,铁路隧道设计规范[S].