公路隧道襯砌裂縫對其承載性能的影響

劉小龍 重慶交通大學(xué) 重慶 400074

1 引言

公路隧道是一種通過公路修建的建筑物，它是一個與外界直接相連的相對封閉的空間，近年來,隨著交通運輸業(yè)的快速發(fā)展,隧道交通發(fā)展迅速。截止目前，我國已建成通車公路隧道已突破一萬公里，并以年均1500km以上的速度在增長，我國已經(jīng)是世界上隧道工程數(shù)量最多、發(fā)展最快的國家。在將來的幾年,更多的山區(qū)公路隧道將修建完成并投入使用。隧道襯砌作為公路的關(guān)鍵和控制節(jié)點,其開裂將對隧道的整體結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生重大影響，在隧道運營過程中更會造成經(jīng)濟損失。更嚴重的還會影響車輛的通行，危機的維修人員的安全。根據(jù)侯建斌等在2006的統(tǒng)計結(jié)果，2004 年 時，在 我 國 的 2495座公路隧道中，有百分之六十五的隧道已經(jīng)進入到養(yǎng)護維修期；日本修建的隧道壽命能達到平均50年以上，而我國的公路隧道的平均壽命僅為30年。

2 裂縫開裂機理理論分析

2.1 裂縫在斷裂力學(xué)里的研究

歐文使用GALT(Westergaard)為復(fù)變函數(shù)的應(yīng)力作用在裂紋問題的研究,在一個均勻拉伸應(yīng)力場的無限大平板,有一個很長的裂紋板厚度2a,裂紋尖端附近的應(yīng)力場和應(yīng)變場進行了分析,該地區(qū)附近的裂紋尖端的應(yīng)力和位移分量表達式組成:

由于研究的范圍僅限裂尖端附近的應(yīng)力場，這是在是很小的范圍內(nèi)，在(2-1)公式，R的高階項(如R0、R1/2/2/6 R3,R2)被忽略。當(dāng)R，gt，0，應(yīng)力分量趨于無窮大，所以裂紋尖端是應(yīng)力場的奇點。公 式(2-1)表明，應(yīng) 場Y-1/2階奇異性。所有因素都反映裂紋尖端應(yīng)力場的強度和強度。如果數(shù)值加倍,每一點的應(yīng)力都會增加一倍,但分布規(guī)律是恒定的。它被稱為I型裂紋應(yīng)力場的強度和強度因子,稱為應(yīng)力強度因子。

在斷裂力學(xué)中,根據(jù)裂紋的應(yīng)力狀態(tài),裂紋可分為3類1)開型裂紋,即I型裂紋(2)剪切裂紋,即II型裂紋(3)撕裂裂紋,即Ⅲ型裂紋。

3 數(shù)值模擬

采取有限元軟件對地道襯砌布局裂痕進行了模擬計算，如ADINA，ABAQUS，MARC和ANSYS等?？紤]到ABAQUS提供了兩個良好的開發(fā)平臺:更多的單元類型、更多的材料模型、更多的接觸和連接類型,總結(jié)了各種斷裂失效準(zhǔn)則,這些準(zhǔn)則對于分析斷裂力學(xué)和裂紋擴展問題是非常有效的。

通過對拱頂、拱腰、邊墻三個位置處模擬不同深度的裂縫對結(jié)構(gòu)承載力的影響，襯砌厚度用d表示，分別模擬三個位置處裂縫深度為1/8d、1/4d、3/8d、1/2d、5/8d、3/4d、7/8d和d的24種工況。得出各種工況對襯砌結(jié)構(gòu)承載性能的影響程度，影響程度用衰減率表示：

其中：P：完整襯砌的極限承載力

P：各工況下襯砌的極限承載力

通過對不同工況的模擬計算，得到衰減率和裂縫深度的關(guān)系，結(jié)果見下表：

（1）在拱頂處

（2）在拱腰處?

（3）在邊墻處

其深度與衰減率的線性關(guān)系如下：

從數(shù)據(jù)的整體趨勢來看，隨著裂縫深度的增加，承載力的衰減率也在增加，且衰減速率呈上升趨勢。

4 總結(jié)

在本文中，經(jīng)由進程對公路地道襯砌裂痕的查詢拜訪闡發(fā)，應(yīng)用斷裂力學(xué)和毀傷力學(xué)理論，本文側(cè)重對襯砌布局開裂的重要問題，按照傳輸?shù)氐酪r砌裂痕的構(gòu)成進程，從裂痕的構(gòu)成機理、力學(xué)性能和不變襯砌開裂，并連系襯砌開裂模型試驗承載力。研究襯砌開裂分析的承載機理，得出以下主要結(jié)果：公路隧道襯砌結(jié)構(gòu)裂縫多出現(xiàn)在洞身邊墻位置，縱向裂縫對隧道結(jié)構(gòu)的危害最大；隨著裂縫深度的增加，承載力的衰減率也在增加，且衰減速率呈上升趨勢，也就是說，裂縫深度的增加，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載力降低，且降低的幅度越來越大。