基于斷裂損傷力學的裂隙巖體破壞機理研究

李 層

（1. 重慶交通大學 土木工程學院， 重慶 400074）

0 引言

我國幅員遼闊，地域自然環境差異較大，由于氣候、地質等條件的不同，正在運營使用的隧道經常會出現一系列的病害,如隧道的襯砌裂縫、拱頂脫空、襯砌欠厚、襯砌滲水泛堿、隧道拱頂掛冰等病害，其中最常見的病害是隧道襯砌裂縫，隧道襯砌存在裂縫將嚴重影響結構的安全穩定性。此外，若不及時處理裂縫，襯砌可能會漏水，這不僅會影響隧道的正常運營，還會因為水的存在而破壞其他材料，滲水嚴重時會出現路面積水，從而增大行車安全隱患,因此對隧道襯砌存在裂縫時的受力性能進行研究是十分必要的[1-3]。本文依托重慶市某隧道工程，采用有限元數值模擬方法，針對隧道襯砌開裂情況進行研究，并且仔細探討襯砌裂縫深度對隧道安全性的影響[4-8]。

1 隧道概況

通過對隧道的現場調查測量，可以將隧道襯砌裂縫概況如下：混凝土襯砌裂縫統計如下：共發現11條環向裂縫，總長61m，裂縫寬度為0.20-0.50mm；6條縱向裂縫，總長19m，裂縫寬度為0.40-0.50mm；2條斜向裂縫，總長8m，裂縫寬度為0.30-0.70mm；網狀裂縫有3處。

2 有限元模型

根據工程前期的地勘報告及其他相關資料，本文對圍巖、隧道支護結構的參數取值如下表1所示。

表1 圍巖參數取值

本文通過Midas/GTS NX有限元軟件來對隧道進行數值模擬。該工程的隧道埋深45.6m，劃分網格時，采用GTS NX自帶的混合網格生成器，軟件會自動根據用戶事先給定的線段劃分長度并在考慮節點耦合的情況下，生成疏密有致的單元網格，圍巖采用3D實體單元，隧道的混凝土襯砌采用2D板單元，錨桿采用1D的植入式桁架單元，裂縫的位置設置在拱頂位置。裂縫區域細部網格圖如圖1所示。

圖1 裂縫細部網格劃分圖

3 數值模擬

3.1 出現裂縫與未出現裂縫分析

本文將討論隧道拱頂處出現一道縱向裂縫時的受力情況，為了更好地對結果進行對比，本文將先對不含裂縫的模型進行計算，得到不含裂縫模型的位移和應力以后，再分析含裂縫模型的位移及應力。表2中為模型計算的部分結果。

表2 右洞沉降值計算結果比較

由以上表可看出，對于隧道的拱頂、邊墻和仰拱來說，裂縫的存在對位移影響都比較小，但有裂縫存在的應力明顯要大于無裂縫存在的情況，通過研究顯示，隧道襯砌出現縱向裂縫時，將會出現明顯的應力變化，裂縫發展到一定程度時將會超出設計強度，從而發生失穩破壞。

3.2 不同裂縫深度分析

為了深入分析不同裂縫深度對隧道襯砌的影響，又進行了4種工況分析，通過對比拱頂沉降、裂縫尖端應力來分析驗證，結果見表5。

表5 4種工況計算結果比較

通過分析四種工況下沉降及裂縫尖端應力之間比較可知，在隧道荷載一定的情況下，裂縫的深度越深，將對隧道結構的位移以及應力影響越大，當裂縫深度達到一定程度后將會使材料發生破壞，從而導致結構的失穩性破壞。

4 結語

在這項研究中，用有限元數值模擬法分析，并用重慶某隧道工程為依托，并且結合實際得出以下結論:

（1） 隧道裂縫出現的位置對隧道結構的影響基本相同。

（2）如果隧道有裂縫，就會影響隧道結構受力，隧道的裂縫如果達到一定程度，就會使隧道結構的極限強度進一步發展，就會逐漸被破壞。

[1]張永興,張遠華.某公路隧道病害成因與防治[J].隧道建設,2010,30(6):112-119.

[2]杜寶義,劉大剛,王明年.公路隧道襯砌裂縫產生原因分析[J].公路交通技術,2014(6):80-83.

[3]魏海霞,陳士海,王海亮.隧道襯砌裂縫防治對策[J].礦業安全與環保,2010,37(2):44-46.

[4]張玉成,楊光華,劉鵬等.局部網格加密在混凝土裂縫中的應用[J].地下空間與工程學報,2012,8(1):56-64.

[5]戴俊.隧道病害防治[M].北京:冶金工業出版社,2002.

[6]傾斜巖層中隧道襯砌裂縫產生機理及其穩定性研究[D].長沙：中南大學碩士論文，2007.

[7]Brown，W.E.Srawley，J.E. ASTMSTP410.

[8]張永興, 陽軍生.某淺埋偏壓連拱隧道二襯開裂原因分析[J].長沙理工大學學報：自然科學版, 2007, 4( 3):44～48