鄭黃平，付良友

(贛州市公路發(fā)展中心石城分中心 贛州市 342700)

0 引言

公路隧道是一種人為的結(jié)構(gòu)建筑物，由于其受地理人文、天氣環(huán)境、工程設(shè)計施工、運(yùn)營及養(yǎng)護(hù)等影響，隧道往往存在結(jié)構(gòu)變形、巖體滲水、襯砌裂損等問題，嚴(yán)重影響道路交通中人員和車輛的安全，降低運(yùn)營效益。主要研究公路隧道出現(xiàn)開裂襯砌病害過程中的力學(xué)模型，在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上[1-4]，基于實際工程試驗結(jié)合相關(guān)理論知識對公路隧道出現(xiàn)的開裂襯砌建立有限元模型進(jìn)行力學(xué)模擬試驗分析，探究其開裂襯砌產(chǎn)生的原因和受力特征，希望能對治理公路隧道開裂襯砌問題提供參考價值。

1 模型設(shè)計

為更好研究和采集數(shù)據(jù)，主要采用荷載-結(jié)構(gòu)法，逐級加載對Ⅴ級圍巖中隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)中的裂紋尖端和結(jié)構(gòu)承載力運(yùn)用有限元軟件ANSYS進(jìn)行數(shù)值模擬分析，試驗中襯砌厚度為0.5m，帶有仰拱的襯砌結(jié)構(gòu)斷面如圖1所示。試驗?zāi)Ｐ筒捎昧蚜W(xué)模型和平面等參四節(jié)點PLANE42單元模擬隧道混凝土襯砌，同時荷載施加按照每30kPa進(jìn)行增加，具體力學(xué)參數(shù)見表1，荷載分布圖見圖2所示。

根據(jù)試驗設(shè)計，完好的襯砌結(jié)構(gòu)各級荷載作用下最大的主應(yīng)力如表2所示。

由表2可知，襯砌結(jié)構(gòu)中拱肩部位存在最大壓應(yīng)力，而拱腳部位存在最大拉應(yīng)力，當(dāng)荷載達(dá)到240kPa時，拱腳處對應(yīng)的最大拉應(yīng)力即將超過襯砌結(jié)構(gòu)的極限抗拉強(qiáng)度，會出現(xiàn)裂縫。

圖1 Ⅴ級圍巖等級下的襯砌結(jié)構(gòu)斷面圖

圖2 加載方式示意圖

表1 數(shù)值模擬選用參數(shù)

表2 完好襯砌在荷載作用下的最大主應(yīng)力 MPa

2 不同位置的裂紋分析

2.1 仰拱處的裂紋分析

當(dāng)裂紋出現(xiàn)在仰拱位置時，對二次襯砌結(jié)構(gòu)施加不同的荷載，通過有限元軟件計算分析其結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力如表3所示。

表3 仰拱開裂襯砌在荷載作用下的最大主應(yīng)力 MPa

由表3可知，當(dāng)裂縫出現(xiàn)在仰拱位置時，存在最大的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，荷載提高到200kPa時，仰拱處有最大的拉應(yīng)力為1.973MPa，接近襯砌材料的最大抗拉強(qiáng)度，此時裂紋即將變大。

2.2 拱腳處的裂紋分析

當(dāng)裂紋出現(xiàn)在拱腳位置時，對二次襯砌結(jié)構(gòu)施加不同的荷載，通過有限元軟件計算分析其結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力如表4所示。

表4 拱腳開裂襯砌在荷載作用下的最大主應(yīng)力 MPa

由表4可以看出，當(dāng)裂縫位于拱腳處時，拱腳位置同時出現(xiàn)最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力。當(dāng)荷載增加到125kPa時，拱腳位置荷載為2.082MPa，大于襯砌材料的最大抗拉強(qiáng)度，此時裂紋繼續(xù)擴(kuò)大。

2.3 拱腰處的裂紋分析

當(dāng)裂紋出現(xiàn)在拱腰位置時，對二次襯砌結(jié)構(gòu)施加不同的荷載，通過有限元軟件計算分析其結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力如表5所示。

表5 拱腰開裂襯砌在荷載作用下的最大主應(yīng)力 MPa

由表5可以看出，當(dāng)裂紋出現(xiàn)在拱腰處時，拱肩和拱腰的應(yīng)力出現(xiàn)聚集效應(yīng)，拱肩存在最大壓應(yīng)力，拱腰處在最大拉應(yīng)力。當(dāng)荷載施加到165MPa時，對應(yīng)的最大拉應(yīng)力為1.937MPa，襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性被破壞，裂紋進(jìn)一步擴(kuò)大。

2.4 拱頂處的裂紋分析

當(dāng)裂紋出現(xiàn)在拱頂位置時，對二次襯砌結(jié)構(gòu)施加不同的荷載，通過有限元軟件計算分析其結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力如表6所示。

表6 拱頂開裂襯砌在荷載作用下的最大主應(yīng)力 MPa

由表6可以得知，當(dāng)裂縫位于拱頂處時，施加荷載后，拱腳位置出現(xiàn)最大壓應(yīng)力，拱頂處出現(xiàn)應(yīng)力聚集效應(yīng)。當(dāng)荷載增加到145kPa時，拱頂處最大拉應(yīng)力為2.026MPa,大于襯砌材料的最大抗拉值，裂縫即將擴(kuò)大。

綜上分析可知，應(yīng)力與荷載之間存在一定的線性關(guān)系，隨著荷載的增大應(yīng)力也會增加，裂紋隨之變得更大。在荷載作用下不同位置的襯砌裂紋最大拉應(yīng)力見表7所示。

表7 裂紋出現(xiàn)在不同部位時襯砌結(jié)構(gòu)在荷載作用下的最大拉應(yīng)力 MPa

由表7可知，從最大拉應(yīng)力角度分析，當(dāng)一個完整標(biāo)準(zhǔn)的襯砌結(jié)構(gòu)在荷載達(dá)到250kPa時，最大拉應(yīng)力為2.060MPa，大于二次襯砌結(jié)構(gòu)的最大抗拉強(qiáng)度，襯砌結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)裂紋。當(dāng)裂紋位置處于拱腳和拱頂時，對襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響很大，而仰拱處的裂紋對其影響最小。

3 襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

通常國際慣例和行業(yè)規(guī)范中對開裂襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的評估準(zhǔn)則有兩種，分別是Irwin理論和格里菲斯(Griffith)準(zhǔn)則，本文采用Irwin理論分析帶有裂紋的隧道襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響因素。

Irwin理論主要是運(yùn)用ANASYS有限元方法對襯砌結(jié)構(gòu)中裂紋尖端節(jié)點的應(yīng)力和位移，結(jié)合應(yīng)力場和位移場來分析裂紋尖端應(yīng)力的強(qiáng)度影響因素。通過該理論來評估影響因素是否會造成裂紋進(jìn)一步變化。二次襯砌結(jié)構(gòu)可以分為三種類型[5]：滑開型裂縫(I型)、張開型裂縫(Ⅱ型)、撕開型裂縫(Ⅲ型)。對于公路隧道結(jié)構(gòu)而言，常見的裂縫類型主要是滑開型裂縫和張開型裂縫及其二者組合出現(xiàn)的裂縫，撕開裂縫一般不做研究。因為隧道一般都是長度大于寬度，所以主要考慮其在縱向方向的變形，通過對這種隧道襯砌結(jié)構(gòu)的研究是比較科學(xué)合理的[6-8]。

在實際的隧道開裂襯砌結(jié)構(gòu)中人們主要是研究兩個方面，第一裂縫什么時候產(chǎn)生或者哪種條件下產(chǎn)生；第二裂縫是朝著哪些方向蔓延的。通常我們更加注重第一個問題，學(xué)者專家們也主要是研究襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫后的變化及穩(wěn)定性。于曉中等人提出了評估裂縫的標(biāo)準(zhǔn)計算式子如式(1)所示：

(1)

式中：KI為I型裂縫中的應(yīng)力影響強(qiáng)度影響因素；KⅡ為Ⅱ型裂縫中的應(yīng)力影響強(qiáng)度影響因素；KIC為I型裂縫的斷裂韌度。

為了更貼合實際試驗和方便判斷隧道承載力受不同裂縫的深度及寬度的影響，用f表示裂縫隧道的穩(wěn)定系數(shù)，其計算式如式(2)所示：

(2)

當(dāng)f=1時，表示裂縫處于臨界狀態(tài)即隧道襯砌結(jié)構(gòu)剛好處于穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)f<1時，表示隧道襯砌結(jié)構(gòu)已經(jīng)失穩(wěn)，且裂縫將繼續(xù)擴(kuò)大，f越小，裂縫越大，隧道穩(wěn)定性越差；當(dāng)f>1時，表示裂縫不會繼續(xù)擴(kuò)大，隧道較穩(wěn)定，f越大穩(wěn)定性越好。

通過有限元ANSYS方法計算出裂縫尖端的應(yīng)力強(qiáng)度，進(jìn)而得到帶有裂縫隧道的穩(wěn)定系數(shù)f如表8所示。

表8 隧道穩(wěn)定系數(shù)f

從表8分析可知，當(dāng)裂紋位于拱頂處時，二次襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定系數(shù)f隨著裂紋寬度和深度的增加而減?。黄渌麠l件不變的情況下，裂紋深度的增加導(dǎo)致f值變化的程度比裂紋寬度增加所導(dǎo)致的更多，即拱頂裂紋深度的變化更能影響襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

主要研究公路隧道出現(xiàn)開裂襯砌病害過程中的力學(xué)模型，基于實際工程試驗結(jié)合相關(guān)理論知識對公路隧道出現(xiàn)的開裂襯砌建立有限元模型進(jìn)行力學(xué)模擬試驗分析，探究其開裂襯砌產(chǎn)生的原因和受力特征，研究結(jié)果表明：裂紋出現(xiàn)在不同的位置對公路隧道安全性影響不同，其中裂紋出現(xiàn)在仰拱位置時對隧道安全性影響最小，而在拱腳和拱頂處時荷載力較大，隨之產(chǎn)生的危害性最大。