基于混凝土斷裂力學的隧道襯砌結構裂縫穩(wěn)定性分析

1、基于混凝土斷裂力學的隧道襯砌結構裂縫穩(wěn)定性分析基于混凝土斷裂力學的隧道襯砌結構裂縫穩(wěn)定性分析摘要：摘要：混凝土一種非均質、多相且含有較多裂縫的材料，其所含的裂縫主要有兩大類：一類是隨機分布的微裂縫，該種裂縫在一定程度上控制著混凝土的抗壓、抗拉等宏觀強度，這種裂縫在所有的混凝土結構中普遍存在；另一類是具有一定方向和宏觀尺寸的宏觀裂縫，該種裂縫的穩(wěn)定與否直接關系著混凝土結構的安全，只在部分混凝土結構的中存在，而混凝土斷裂力學主要研究混凝土結

2、構的破壞機理以及宏觀裂縫的穩(wěn)定性的一門學科。根據已有的混凝土斷裂力學研究成果分別建立了這三種形式的裂縫的穩(wěn)定性判據；介紹了ANSYS進行斷裂計算的位移外推法以及裂縫尖端的奇異單元兩個核心技術問題；建立了隧道襯砌結構裂縫穩(wěn)定性系數的計算公式，并介紹了基于混凝土斷裂力學的隧道襯砌結構裂縫穩(wěn)定性分析的一般評判流程；關鍵詞：關鍵詞：斷裂力學；裂縫；襯砌結構；穩(wěn)定性；前言前言從以往隧道檢測成果可以看出，有相當數量的隧道襯砌結構是帶裂縫工作的，由于

3、裂縫的存在使得襯砌結構的整體性降低，與正常隧道襯砌結構相比，帶裂縫的襯砌結構破壞模式可能會出現兩種：一種是因為自身結構截面強度不足導致的破壞，另一種是由于襯砌裂縫尖端失穩(wěn)而導致的襯砌破壞。其中，襯砌裂縫的穩(wěn)定性問題是隧道工程技術人員關心的重點，本文主要基于斷裂力學理論研究隧道襯砌已有裂縫穩(wěn)定性問題，為隧道襯砌結構裂縫的穩(wěn)定性評判奠定基礎。1按力學特征的混凝土結構斷裂模式按力學特征的混凝土結構斷裂模式按照混凝土構件受力條件的不同，可以將其

4、斷裂模式分為三種基本形態(tài)，即張開型裂縫、滑開型裂縫和撕開型裂縫【106124】，如圖11所示：圖1111按受力特征劃分的三種裂縫基本類型按受力特征劃分的三種裂縫基本類型圖11(a)中所示的為張開型裂縫，又稱為I型裂縫，該種裂縫受垂直于裂縫表面的拉應力作用，使裂縫表面產生張幵位移，該種裂縫最為危險也是目前研究最為深入的一種裂縫。圖11(b)中所示的為滑開型裂縫，又稱為Ⅱ型裂縫，該種裂縫受平行于裂縫表面并且垂直于裂縫前端的切應力作用，使裂縫

5、在平面內相對滑開，屬于剪切斷裂。圖11(c)中所示的為撕開型裂縫，又稱為III型裂縫，該種裂縫受平行于裂縫表面并且隧道襯砌結構復合型裂縫主要以壓剪裂縫和拉剪裂縫的形式存在，對于拉剪裂縫而言，其裂縫面不接觸，在裂縫面上同時承受拉應力和剪應力，而對壓減裂縫而言，在裂縫面上出存在剪應力外，還存在裂縫面上的壓應力，這種情況屬于壓剪裂縫。復合型裂縫斷裂判據主要有兩種，一種是理論斷裂判據，一種是基于經驗的工程斷裂判據。下面就對拉剪形式的混凝土復合型

6、裂縫的斷裂判據做簡要介紹：2.1拉剪復合型裂縫斷裂判據拉剪復合型裂縫斷裂判據2.1.1拉剪復合型裂縫理論斷裂判據拉剪復合型裂縫理論斷裂判據理論判據是具備理論基礎并經過試驗驗證的判據，常用的復合型裂縫理論斷裂判據有：最大周向正應力判據（(σ?)max判據）、最大應變能釋放率判據（G判據）兩種。a最大周向正應力判據最大周向正應力判據：該判據認為裂縫沿最大軸向應力(σ?)max的方向開裂，當該方向上的軸向應力達到臨界值時，裂縫失穩(wěn)擴展。對于I

7、II型復合裂縫，其開裂角可由式（22)得出KⅠsin?KⅡ(3cos?l)=0(22)式中，?為開裂角。相應的斷裂判據為K=COS(23)2?23cossin22CKKK?????????????b最大應變能釋放率判據：最大應變能釋放率判據：該判據認為裂縫沿著最大應變能釋放率G的?0方向擴展，當最大應變能釋放率達到了臨界值后，裂縫失穩(wěn)擴展。開裂角?0可按下式計算：(24)2200GG????????當在開裂角方向上的G，即最大值Gmax

8、達到某一臨界值GC時，裂縫開始失穩(wěn)擴展，在平面應變的條件下，GC就是材料的斷裂籾性GⅠc，因此，相應的斷裂判據為(25)max0CGGG???????式中：G為最大應變能釋放率；GⅠc為材料的斷裂初性。2.1.2拉剪復合型裂縫工程斷裂判據拉剪復合型裂縫工程斷裂判據a于蹺中提出的混凝土結構于蹺中提出的混凝土結構III型復合裂縫工程斷裂判據：型復合裂縫工程斷裂判據：通過對湖南省柘溪大壩混凝土進行了偏裂三點彎曲梁（l0cml0cm50cm)和