公路隧道衬砌裂缝对其承载性能的影响

刘小龙 重庆交通大学 重庆 400074

1 引言

公路隧道是一种通过公路修建的建筑物，它是一个与外界直接相连的相对封闭的空间，近年来,随着交通运输业的快速发展,隧道交通发展迅速。截止目前，我国已建成通车公路隧道已突破一万公里，并以年均1500km以上的速度在增长，我国已经是世界上隧道工程数量最多、发展最快的国家。在将来的几年,更多的山区公路隧道将修建完成并投入使用。隧道衬砌作为公路的关键和控制节点,其开裂将对隧道的整体结构安全产生重大影响，在隧道运营过程中更会造成经济损失。更严重的还会影响车辆的通行，危机的维修人员的安全。根据侯建斌等在2006的统计结果，2004 年 时，在 我 国 的 2495座公路隧道中，有百分之六十五的隧道已经进入到养护维修期；日本修建的隧道寿命能达到平均50年以上，而我国的公路隧道的平均寿命仅为30年。

2 裂缝开裂机理理论分析

2.1 裂缝在断裂力学里的研究

欧文使用GALT(Westergaard)为复变函数的应力作用在裂纹问题的研究,在一个均匀拉伸应力场的无限大平板,有一个很长的裂纹板厚度2a,裂纹尖端附近的应力场和应变场进行了分析,该地区附近的裂纹尖端的应力和位移分量表达式组成:

由于研究的范围仅限裂尖端附近的应力场，这是在是很小的范围内，在(2-1)公式，R的高阶项(如R0、R1/2/2/6 R3,R2)被忽略。当R，gt，0，应力分量趋于无穷大，所以裂纹尖端是应力场的奇点。公 式(2-1)表明，应 场Y-1/2阶奇异性。所有因素都反映裂纹尖端应力场的强度和强度。如果数值加倍,每一点的应力都会增加一倍,但分布规律是恒定的。它被称为I型裂纹应力场的强度和强度因子,称为应力强度因子。

在断裂力学中,根据裂纹的应力状态,裂纹可分为3类1)开型裂纹,即I型裂纹(2)剪切裂纹,即II型裂纹(3)撕裂裂纹,即Ⅲ型裂纹。

3 数值模拟

采取有限元软件对地道衬砌布局裂痕进行了模拟计算，如ADINA，ABAQUS，MARC和ANSYS等。考虑到ABAQUS提供了两个良好的开发平台:更多的单元类型、更多的材料模型、更多的接触和连接类型,总结了各种断裂失效准则,这些准则对于分析断裂力学和裂纹扩展问题是非常有效的。

通过对拱顶、拱腰、边墙三个位置处模拟不同深度的裂缝对结构承载力的影响，衬砌厚度用d表示，分别模拟三个位置处裂缝深度为1/8d、1/4d、3/8d、1/2d、5/8d、3/4d、7/8d和d的24种工况。得出各种工况对衬砌结构承载性能的影响程度，影响程度用衰减率表示：

其中：P：完整衬砌的极限承载力

P：各工况下衬砌的极限承载力

通过对不同工况的模拟计算，得到衰减率和裂缝深度的关系，结果见下表：

（1）在拱顶处

（2）在拱腰处?

（3）在边墙处

其深度与衰减率的线性关系如下：

从数据的整体趋势来看，随着裂缝深度的增加，承载力的衰减率也在增加，且衰减速率呈上升趋势。

4 总结

在本文中，经由进程对公路地道衬砌裂痕的查询拜访阐发，应用断裂力学和毁伤力学理论，本文侧重对衬砌布局开裂的重要问题，按照传输地道衬砌裂痕的构成进程，从裂痕的构成机理、力学性能和不变衬砌开裂，并连系衬砌开裂模型试验承载力。研究衬砌开裂分析的承载机理，得出以下主要结果：公路隧道衬砌结构裂缝多出现在洞身边墙位置，纵向裂缝对隧道结构的危害最大；随着裂缝深度的增加，承载力的衰减率也在增加，且衰减速率呈上升趋势，也就是说，裂缝深度的增加，导致结构承载力降低，且降低的幅度越来越大。