隧道衬砌裂缝分析

发布时间：2020-08-04 12:35

【摘要】：21世纪是大力发展地下空间的时代,隧道是路网规划中的关键性工程,作为快速便捷的通道,隧道的安全性和耐久性一直是学术界关注的重点。对于混凝土结构来说,裂缝不可避免,材料、环境、设计、施工等各方面因素均可能导致混凝土结构出现病害。衬砌式隧道修建或运营过程中的衬砌裂缝向来是威胁隧道安全的主要问题,研究裂缝产生的各种机理是进行裂缝分析的前提;研究裂缝的产生和发展,对于结构裂缝进行安全性评估,快速采取措施进行修复具有重要意义。目前隧道试验大多集中于承载力研究,对衬砌开裂机理及开裂衬砌稳定性研究很不系统。针对上述这些问题,本文开展了以下研究工作:(1)搜集整理国内外相关文献,研究混凝土裂缝产生机理,归纳总结隧道裂缝产生原因;(2)阐述混凝土断裂力学理论,如Griffith能量原理,裂缝尖端塑性区理论,混凝土受拉软化关系等,整理归纳混凝土裂缝模型;(3)详述虚拟裂缝模型的概念及数值计算,得出裂缝方程,引入双节点裂缝模型,在裂缝扩展过程中无需重构网络、无需指定裂缝扩展路径。基于此引入裂缝路径修正及应力增量分析求解;(4)多裂缝与单裂缝问题最本质的区别在于裂缝模式是否可确定,针对多裂缝问题,提出扩展虚拟裂缝模型(EFCM),推导裂缝方程,通过裂缝方程求解裂缝尖端位移场和应力场,为后续裂缝分析提供理论基础;(5)采用Fortran语言编写完整的裂缝分析程序,对I型多裂缝隧道结构断裂过程进行数值模拟,绘制荷载—位移曲线,与试验结果较为吻合,验证了程序的正确性,并得到了裂缝扩展模式,荷载—裂缝尖端开口位移(CMOD)关系图等。
【学位授予单位】：华侨大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U455.91
【图文】：

隧道结构,裂缝,裂缝产生原因,研究背景

图 1.1 隧道结构裂缝研究背景与意义.1 裂缝产生原因混凝土是一种常见的建筑材料，已经使用了一百多年。混凝土可以看做是和分散相组成的二相复合材料，其必然蕴藏着大量微裂缝的结合面[5]。因

几何形状,单裂,裂缝尖端,虚拟裂缝

（a）外荷载引起的力和位移（b）单位内聚力引起的力和位移（c）裂缝扩展荷载条件图 3.5 裂缝尖端控制的单裂缝扩展其中 i = 1,...,M。iBK 是外荷载 P 引起的第i个节点上的顺度。如图 3.5（b）所示，影响系数ijAK 是作用在第 j 个节点上的一对单位内聚力在第i个节点上所产生的 COD。根据相互作用原理，ij jiAK = AK。由公式（3.3）确定虚拟裂缝的几何形状。如图 3.5（a）和（b）所示，根据有限元模型的线弹性计算可以得到CR，CIi，iBK 和ijAK 。系数 CR 和 CIi可以通过有限元计算法计算。一个虚拟裂缝的方程含（2M+1）个方程，解（2M+1）个未知量。该方法被称为裂缝尖端控制法，相应的方程称为裂缝方程。沿着虚拟裂缝，内聚力iF 和裂缝开口位移iW 必须满足混凝土的拉力软化关系，如公式（3.4）所示，其中 i = 1,...,M。( )iiF = f W（3.4）

裂缝,相互作用

（a）两裂缝共线（b）两裂缝平行图 3.12 裂缝间的相互作用另一方面，当两个裂缝相互平行时，如图 3.12（b）所示，应力强度因子相对于单裂缝的情况下会有所减小。相互屏蔽会导致每一个平行裂缝产生一个较弱的应力场，裂缝间的相互作用导致 KI减小。这两种情况下展示了裂缝间相互作用的复杂性和差异性，所以必须对各种开裂行为有一个深刻的理解。许多研究均探讨了混凝土断裂过程多裂缝相互作用的影响，所谓的裂缝相互作用即为由相邻裂缝的内聚力引起，对于开裂行为有一定影响的作用力。分离裂缝模型允许裂缝间的相互作用，基于裂缝相互作用的性质和强度，研究各种开裂行为，该方法能将裂缝间的相互作用量化。基于上节提到的三裂缝模型和扩展虚拟裂缝模型（EFCM），明确主要尖端力和次要尖端力的组成，从而反映裂缝间的相互作用，求得相互作用系数。由于尖端力是由外荷载和所涉及的所有裂缝的内聚力引起，根据相邻裂缝的极限节点力，裂缝之间的干扰效应可以通过尖端力分量的比值进行计算。

【参考文献】