基于断裂力学理论的隧道衬砌开裂病害分级

摘要

以开裂隧道衬砌为研究对象,基于线弹性断裂力学理论,得到平面应变状态下衬砌结构I型和Ⅱ型裂缝尖端应力场及位移场,借鉴混凝土工程经验提出隧道衬砌开裂判据;数值模拟分析不同围岩级别下衬砌结构各部位不同开裂深度时的裂缝处最大主应力、裂缝尖端应力强度因子和稳定性系数.结果 表明:当衬砌拱顶开裂时,裂缝尖端主拉应力最大,衬砌结构的稳定性系数最小;当衬砌拱腰和拱脚开裂时,裂缝尖端主压应力最大,衬砌结构的稳定性系数较大;裂缝深度与裂缝尖端应力强度呈正相关关系,与稳定性系数呈负相关关系.以裂缝深度为参量(稳定性系数f)对隧道衬砌开裂病害进行分级:当f＜1或主应力超过混凝土材料极限强度时,将衬砌裂缝划分为扩展中裂缝;当f≥1且主应力未超过混凝土材料极限强度,可进一步将1≤f＜2,2≤f＜10,f≥10时的裂缝依次划分为即将扩展裂缝、亚稳定裂缝及稳定裂缝;并反推出不同等级病害所对应的临界开裂深度.