基于断裂损伤力学的裂隙岩体破坏机理研究

李 层

（1. 重庆交通大学 土木工程学院， 重庆 400074）

0 引言

我国幅员辽阔，地域自然环境差异较大，由于气候、地质等条件的不同，正在运营使用的隧道经常会出现一系列的病害,如隧道的衬砌裂缝、拱顶脱空、衬砌欠厚、衬砌渗水泛碱、隧道拱顶挂冰等病害，其中最常见的病害是隧道衬砌裂缝，隧道衬砌存在裂缝将严重影响结构的安全稳定性。此外，若不及时处理裂缝，衬砌可能会漏水，这不仅会影响隧道的正常运营，还会因为水的存在而破坏其他材料，渗水严重时会出现路面积水，从而增大行车安全隐患,因此对隧道衬砌存在裂缝时的受力性能进行研究是十分必要的[1-3]。本文依托重庆市某隧道工程，采用有限元数值模拟方法，针对隧道衬砌开裂情况进行研究，并且仔细探讨衬砌裂缝深度对隧道安全性的影响[4-8]。

1 隧道概况

通过对隧道的现场调查测量，可以将隧道衬砌裂缝概况如下：混凝土衬砌裂缝统计如下：共发现11条环向裂缝，总长61m，裂缝宽度为0.20-0.50mm；6条纵向裂缝，总长19m，裂缝宽度为0.40-0.50mm；2条斜向裂缝，总长8m，裂缝宽度为0.30-0.70mm；网状裂缝有3处。

2 有限元模型

根据工程前期的地勘报告及其他相关资料，本文对围岩、隧道支护结构的参数取值如下表1所示。

表1 围岩参数取值

本文通过Midas/GTS NX有限元软件来对隧道进行数值模拟。该工程的隧道埋深45.6m，划分网格时，采用GTS NX自带的混合网格生成器，软件会自动根据用户事先给定的线段划分长度并在考虑节点耦合的情况下，生成疏密有致的单元网格，围岩采用3D实体单元，隧道的混凝土衬砌采用2D板单元，锚杆采用1D的植入式桁架单元，裂缝的位置设置在拱顶位置。裂缝区域细部网格图如图1所示。

图1 裂缝细部网格划分图

3 数值模拟

3.1 出现裂缝与未出现裂缝分析

本文将讨论隧道拱顶处出现一道纵向裂缝时的受力情况，为了更好地对结果进行对比，本文将先对不含裂缝的模型进行计算，得到不含裂缝模型的位移和应力以后，再分析含裂缝模型的位移及应力。表2中为模型计算的部分结果。

表2 右洞沉降值计算结果比较

由以上表可看出，对于隧道的拱顶、边墙和仰拱来说，裂缝的存在对位移影响都比较小，但有裂缝存在的应力明显要大于无裂缝存在的情况，通过研究显示，隧道衬砌出现纵向裂缝时，将会出现明显的应力变化，裂缝发展到一定程度时将会超出设计强度，从而发生失稳破坏。

3.2 不同裂缝深度分析

为了深入分析不同裂缝深度对隧道衬砌的影响，又进行了4种工况分析，通过对比拱顶沉降、裂缝尖端应力来分析验证，结果见表5。

表5 4种工况计算结果比较

通过分析四种工况下沉降及裂缝尖端应力之间比较可知，在隧道荷载一定的情况下，裂缝的深度越深，将对隧道结构的位移以及应力影响越大，当裂缝深度达到一定程度后将会使材料发生破坏，从而导致结构的失稳性破坏。

4 结语

在这项研究中，用有限元数值模拟法分析，并用重庆某隧道工程为依托，并且结合实际得出以下结论:

（1） 隧道裂缝出现的位置对隧道结构的影响基本相同。

（2）如果隧道有裂缝，就会影响隧道结构受力，隧道的裂缝如果达到一定程度，就会使隧道结构的极限强度进一步发展，就会逐渐被破坏。

[1]张永兴,张远华.某公路隧道病害成因与防治[J].隧道建设,2010,30(6):112-119.

[2]杜宝义,刘大刚,王明年.公路隧道衬砌裂缝产生原因分析[J].公路交通技术,2014(6):80-83.

[3]魏海霞,陈士海,王海亮.隧道衬砌裂缝防治对策[J].矿业安全与环保,2010,37(2):44-46.

[4]张玉成,杨光华,刘鹏等.局部网格加密在混凝土裂缝中的应用[J].地下空间与工程学报,2012,8(1):56-64.

[5]戴俊.隧道病害防治[M].北京:冶金工业出版社,2002.

[6]倾斜岩层中隧道衬砌裂缝产生机理及其稳定性研究[D].长沙：中南大学硕士论文，2007.

[7]Brown，W.E.Srawley，J.E. ASTMSTP410.

[8]张永兴, 阳军生.某浅埋偏压连拱隧道二衬开裂原因分析[J].长沙理工大学学报：自然科学版, 2007, 4( 3):44～48