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(huán)境差異較大，由于氣候、地質(zhì)等條件的不同，正在運營使用的隧道經(jīng)常會出現(xiàn)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(wěn)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(xiàn)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(shù)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(xiàn)場調(diào)查測量，可以將隧道襯砌裂縫概況如下：混凝土襯砌裂縫統(tǒng)計如下：共發(fā)現(xiàn)11條環(huán)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(wǎng)狀裂縫有3處。

2 有限元模型

根據(jù)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(shù)取值如下表1所示。

表1 圍巖參數(shù)取值

本文通過Midas/GTS NX有限元軟件來對隧道進行數(shù)值模擬。該工程的隧道埋深45.6m，劃分網(wǎng)格時，采用GTS NX自帶的混合網(wǎng)格生成器，軟件會自動根據(jù)用戶事先給定的線段劃分長度并在考慮節(jié)點耦合的情況下，生成疏密有致的單元網(wǎng)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(qū)域細部網(wǎng)格圖如圖1所示。

圖1 裂縫細部網(wǎng)格劃分圖

3 數(shù)值模擬

3.1 出現(xiàn)裂縫與未出現(xiàn)裂縫分析

本文將討論隧道拱頂處出現(xiàn)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(xiàn)縱向裂縫時，將會出現(xiàn)明顯的應力變化，裂縫發(fā)展到一定程度時將會超出設計強度，從而發(fā)生失穩(wěn)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(fā)生破壞，從而導致結構的失穩(wěn)性破壞。

4 結語

在這項研究中，用有限元數(shù)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(xiàn)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(fā)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(chǎn)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(yè)安全與環(huán)保,2010,37(2):44-46.

[4]張玉成,楊光華,劉鵬等.局部網(wǎng)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(yè)出版社,2002.

[6]傾斜巖層中隧道襯砌裂縫產(chǎn)生機理及其穩(wěn)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