基于混凝土斷裂力學(xué)的隧道襯砌結(jié)構(gòu)裂縫穩(wěn)定性分析

1、基于混凝土斷裂力學(xué)的隧道襯砌結(jié)構(gòu)裂縫穩(wěn)定性分析基于混凝土斷裂力學(xué)的隧道襯砌結(jié)構(gòu)裂縫穩(wěn)定性分析摘要：摘要：混凝土一種非均質(zhì)、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(jī)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(qiáng)度，這種裂縫在所有的混凝土結(jié)構(gòu)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(guān)系著混凝土結(jié)構(gòu)的安全，只在部分混凝土結(jié)構(gòu)的中存在，而混凝土斷裂力學(xué)主要研究混凝土結(jié)

2、構(gòu)的破壞機(jī)理以及宏觀裂縫的穩(wěn)定性的一門學(xué)科。根據(jù)已有的混凝土斷裂力學(xué)研究成果分別建立了這三種形式的裂縫的穩(wěn)定性判據(jù)；介紹了ANSYS進(jìn)行斷裂計(jì)算的位移外推法以及裂縫尖端的奇異單元兩個(gè)核心技術(shù)問題；建立了隧道襯砌結(jié)構(gòu)裂縫穩(wěn)定性系數(shù)的計(jì)算公式，并介紹了基于混凝土斷裂力學(xué)的隧道襯砌結(jié)構(gòu)裂縫穩(wěn)定性分析的一般評判流程；關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：斷裂力學(xué)；裂縫；襯砌結(jié)構(gòu)；穩(wěn)定性；前言前言從以往隧道檢測成果可以看出，有相當(dāng)數(shù)量的隧道襯砌結(jié)構(gòu)是帶裂縫工作的，由于

3、裂縫的存在使得襯砌結(jié)構(gòu)的整體性降低，與正常隧道襯砌結(jié)構(gòu)相比，帶裂縫的襯砌結(jié)構(gòu)破壞模式可能會出現(xiàn)兩種：一種是因?yàn)樽陨斫Y(jié)構(gòu)截面強(qiáng)度不足導(dǎo)致的破壞，另一種是由于襯砌裂縫尖端失穩(wěn)而導(dǎo)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(shù)人員關(guān)心的重點(diǎn)，本文主要基于斷裂力學(xué)理論研究隧道襯砌已有裂縫穩(wěn)定性問題，為隧道襯砌結(jié)構(gòu)裂縫的穩(wěn)定性評判奠定基礎(chǔ)。1按力學(xué)特征的混凝土結(jié)構(gòu)斷裂模式按力學(xué)特征的混凝土結(jié)構(gòu)斷裂模式按照混凝土構(gòu)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(yīng)力作用，使裂縫表面產(chǎn)生張幵位移，該種裂縫最為危險(xiǎn)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(yīng)力作用，使裂縫

5、在平面內(nèi)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(jié)構(gòu)復(fù)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(shí)承受拉應(yīng)力和剪應(yīng)力，而對壓減裂縫而言，在裂縫面上出存在剪應(yīng)力外，還存在裂縫面上的壓應(yīng)力，這種情況屬于壓剪裂縫。復(fù)合型裂縫斷裂判據(jù)主要有兩種，一種是理論斷裂判據(jù)，一種是基于經(jīng)驗(yàn)的工程斷裂判據(jù)。下面就對拉剪形式的混凝土復(fù)合型

6、裂縫的斷裂判據(jù)做簡要介紹：2.1拉剪復(fù)合型裂縫斷裂判據(jù)拉剪復(fù)合型裂縫斷裂判據(jù)2.1.1拉剪復(fù)合型裂縫理論斷裂判據(jù)拉剪復(fù)合型裂縫理論斷裂判據(jù)理論判據(jù)是具備理論基礎(chǔ)并經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證的判據(jù)，常用的復(fù)合型裂縫理論斷裂判據(jù)有：最大周向正應(yīng)力判據(jù)（(σ?)max判據(jù)）、最大應(yīng)變能釋放率判據(jù)（G判據(jù)）兩種。a最大周向正應(yīng)力判據(jù)最大周向正應(yīng)力判據(jù)：該判據(jù)認(rèn)為裂縫沿最大軸向應(yīng)力(σ?)max的方向開裂，當(dāng)該方向上的軸向應(yīng)力達(dá)到臨界值時(shí)，裂縫失穩(wěn)擴(kuò)展。對于I

7、II型復(fù)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(yīng)的斷裂判據(jù)為K=COS(23)2?23cossin22CKKK?????????????b最大應(yīng)變能釋放率判據(jù)：最大應(yīng)變能釋放率判據(jù)：該判據(jù)認(rèn)為裂縫沿著最大應(yīng)變能釋放率G的?0方向擴(kuò)展，當(dāng)最大應(yīng)變能釋放率達(dá)到了臨界值后，裂縫失穩(wěn)擴(kuò)展。開裂角?0可按下式計(jì)算：(24)2200GG????????當(dāng)在開裂角方向上的G，即最大值Gmax

8、達(dá)到某一臨界值GC時(shí)，裂縫開始失穩(wěn)擴(kuò)展，在平面應(yīng)變的條件下，GC就是材料的斷裂籾性GⅠc，因此，相應(yīng)的斷裂判據(jù)為(25)max0CGGG???????式中：G為最大應(yīng)變能釋放率；GⅠc為材料的斷裂初性。2.1.2拉剪復(fù)合型裂縫工程斷裂判據(jù)拉剪復(fù)合型裂縫工程斷裂判據(jù)a于蹺中提出的混凝土結(jié)構(gòu)于蹺中提出的混凝土結(jié)構(gòu)III型復(fù)合裂縫工程斷裂判據(jù)：型復(fù)合裂縫工程斷裂判據(jù)：通過對湖南省柘溪大壩混凝土進(jìn)行了偏裂三點(diǎn)彎曲梁（l0cml0cm50cm)和