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(lèi)：一類(lèi)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(guān)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(lèi)是具有一定方向和宏觀(guān)尺寸的宏觀(guān)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(guān)裂縫的穩(wěn)定性的一門(mén)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(wèn)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(píng)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(cè)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(huì)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(wèn)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(wèn)題，為隧道襯砌結(jié)構(gòu)裂縫的穩(wěn)定性評(píng)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(kāi)型裂縫、滑開(kāi)型裂縫和撕開(kāi)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(lèi)型按受力特征劃分的三種裂縫基本類(lèi)型圖11(a)中所示的為張開(kāi)型裂縫，又稱(chēng)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(kāi)型裂縫，又稱(chēng)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(duì)滑開(kāi)，屬于剪切斷裂。圖11(c)中所示的為撕開(kāi)型裂縫，又稱(chēng)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(duì)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(duì)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(duì)拉剪形式的混凝土復(fù)合型

6、裂縫的斷裂判據(jù)做簡(jiǎn)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(guò)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(kāi)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(duì)于I

7、II型復(fù)合裂縫，其開(kāi)裂角可由式（22)得出KⅠsin?KⅡ(3cos?l)=0(22)式中，?為開(kāi)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(kāi)裂角?0可按下式計(jì)算：(24)2200GG????????當(dāng)在開(kāi)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(kāi)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(guò)對(duì)湖南省柘溪大壩混凝土進(jìn)行了偏裂三點(diǎn)彎曲梁（l0cml0cm50cm)和