隧道衬砌开裂对结构受力性能的影响研究

发布时间：2020-03-31 19:34

【摘要】：隧道衬砌裂缝是隧道结构最常见的病害之一,裂缝的存在改变了衬砌结构的受力状态,并对衬砌结构的安全性造成不利的影响。为此,本文通过查阅大量隧道衬砌裂缝现状的资料,采用模型试验和数值模拟相结合的研究手段,重点研究了隧道衬砌开裂对结构受力性能的影响,主要的工作内容和成果如下:(1)通过查阅整理文献资料,对大量的隧道衬砌裂缝的现状进行了统计,整理了裂缝类型的分布规律。在此基础上,选取纵向裂缝为研究对象,并针对仰拱、拱顶、拱脚和边墙这四个易出现裂缝的典型位置进行了深入研究。(2)揭示了无裂缝情况下衬砌结构的受力特点、变形规律以及裂损特征。结果表明:衬砌结构无裂缝时,衬砌与围岩间的接触压力、衬砌结构内力和变形基本呈对称分布;衬砌边墙处的接触压力最大,仰拱和拱顶的接触压力相对较小;仰拱处是衬砌结构最薄弱的地方,最先开裂,其次是拱顶和左右拱脚。(3)研究了衬砌存在裂缝时衬砌与围岩间接触压力的分布规律。结果表明:与无裂缝情况相比,在相同的荷载级别下,存在裂缝的衬砌结构拱顶和仰拱的接触压力有所减小,而边墙处的接触压力则增大。裂缝位于衬砌的不同部位时,裂缝处接触压力的变化最显著,且随着裂缝数量的增加,变化越大。(4)分析了衬砌存在裂缝时衬砌结构受力和变形的变化规律。结果表明:与无裂缝情况相比,衬砌存在裂缝时,衬砌的内力重分布,裂缝处及其周围一定范围内的结构弯矩显著减小,并且不同部位的裂缝影响范围不同。对于同一位置,随着裂缝数量的增多,其影响效果越显著。另外,衬砌存在裂缝时整个衬砌的变形加大,裂缝处的位移变化最明显。(5)探究了衬砌裂缝对结构裂损规律的影响。结果表明:裂缝的存在会对衬砌各部位开裂时施加的荷载、衬砌应力以及裂缝深度产生影响。与无裂缝情况相比,仰拱存在裂缝时,拱脚外侧的衬砌应力变大,加剧了其裂损情况,其他位置变化较小;拱脚存在裂缝时,仰拱内侧的衬砌应力变大,开裂更加严重;边墙存在裂缝时,同侧拱脚的衬砌应力减小,开裂滞后。
【图文】：

隧道结构,病害

隧道衬砌结构都会不同程度地受到衬砌病害的影响，且随着使用时间地不逡逑断增长，各类型病害的危害程度不断加大，常见的衬砌病害有衬砌背后空洞、衬逡逑砌裂缝、渗漏水等［５－７］，如图１－１所示。各个类型的衬砌病害往往是互相影响，同逡逑时出现的。逡逑■■■■逡逑ＨＥ１邋§逡逑（ａ）纵向裂缝逦（ｂ）纵横交错裂缝逡逑图１－１典型隧道结构病害逡逑隧道衬砌病害所造成的结果最终都表现在隧道二次衬砌上，衬砌背后空洞、逡逑衬砌局部厚度不足以及偏压都会导致衬砌承受的荷载超过其极限承受能力，进而逡逑产生裂缝，严重时会出现压溃、错台和掉块现象。隧道衬砌开裂后，有可能会出逡逑现渗漏水等病害。逡逑影响衬砌开裂的因素众多，这也导致了衬砌裂缝类型、分布等特征的多样性，，逡逑而我国运营隧道的数量庞大，衬砌裂缝又普遍存在于隧道结构中，故开展衬砌裂逡逑缝对衬砌结构安全性影响研究具有重要的现实意义。逡逑１逡逑

开裂面,应力分布

刘德军等在统计大量隧道裂缝情况的基础上，分析了导致衬砌开裂和裂缝逡逑扩展的因素，并主要针对张拉裂缝，研宄了其扩展机理。其研宄方法主要采用扩逡逑展有限元法，从图１－３可以看出，随着偏压荷载的增大，首先在内侧出现１条裂缝，逡逑最终裂缝扩展导致外表面被压溃。逡逑外＿■裂缝逡逑压鳙集中狼外表浪凝．土压~湥咤义贤鈣0灥逡逑？．？？＊｛■？？邋：ｙ＂Ｗ逡逑图１－３拱腰偏心荷载作用下衬砌裂缝分布及破坏形式［２Ｑ１逡逑白国权［２１］以工程为依托，运用杠杆原理对衬砌结构的受力机理进行简化分析，逡逑建立平衡方程，并将衬砌开裂后，衬砌结构的受力变化划分为四个阶段。通过对逡逑衬砌开裂的机理分析，针对性地提出了治理措施。逡逑Ｊｕｎｅ等％利用降低等效刚度的方法对隧道衬砌结构裂缝进行了数值分析，并逡逑分析了病害位置与病害影响程度的相互关系。Ａｋｋｅ邋通过损伤力学理论对隧道裂逡逑缝进行了安全性分析，并研宄了衬砌裂缝的发展对隧道安全性能的影响。Ｉｒｗｉｎ［２４］逡逑通过对钢筋混凝土衬砌进行荷载试验，研宄了衬砌裂缝的分布和扩展规律。Ｇｒｉｆｆｉｔｈ逡逑等［２５］研宄了衬x2裂缝随时间的分布和发展规律。Ｂｅｒｎａｒｄｉｎｏ等［２６］在建立安全评价体逡逑系的基础上对衬砌裂缝的扩展规律进行了分析。Ｒｉｃｈａｒｄｓｌｓ［２７］对导致衬砌裂缝产生逡逑的原因进行了研宄，并认为衬砌材料以及衬砌是否接触密实对衬砌的^u裂情况影逡逑５逡逑
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U451.4

【参考文献】