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裂纹方向对隧道稳定性影响规律的研究

发表时间：2020/8/11 来源：《基层建设》2020年第10期作者：刘恒

[导读] 摘要：通过模型试验和数值模拟，研究了在裂缝面与隧道垂直侧壁不同角度的单轴压缩条件下，直拱隧道周围岩石的损伤和破坏规律。

        中国铁路济南局集团有限公司济南西工务段山东济南 250000
        摘要：通过模型试验和数值模拟，研究了在裂缝面与隧道垂直侧壁不同角度的单轴压缩条件下，直拱隧道周围岩石的损伤和破坏规律。在试验过程中，水泥砂浆被用来制作不同角度的直壁拱顶模型，并在模型保存30天后加载。利用混凝土塑性损伤模型进行了数值模拟，计算了隧道周围的应力和裂纹尖端的应力强度因子。结果表明，拱内裂缝降低了隧道的整体稳定性和强度，导致应力集中在裂缝顶部和侧壁。当θ=130°和60°时,裂纹整体稳定和强度的影响。裂纹尖端的应力集中最为明显，最大断裂应力仅为无裂纹模型的40.9%和41.8%。
        关键词：隧道稳定性研究；裂纹方向；规律；实验；
        前言
        在爆炸隧道中，径向应力裂缝往往会降低隧道周围许多裂缝的稳定性，从而导致隧道在防水工程中的失稳破坏等灾害。关键部位的密度、结构和力学性能将严重影响岩石的变形和破坏。在地下盾构隧道中，通常采用节段作为支护结构。在管道的施工和运行过程中，可能会出现不同程度的裂缝和损伤。
        一、试验的过程和结果
        1.试验模型及过程
        该实验涉及直壁隧道，并将隧道简化为均匀介质中的连续模型。水泥砂浆作为一种试验材料，用于预制通过隧道支座塌陷的裂缝。纵向侧骨折在隧道掘进180°-10°角。总共制作了19个实验组隧道(1组试块没有裂开记为0°),每组3同样的模型。模型样本量为350mmx350mmx100mm。隧道的高度为60毫米，宽度为50毫米，半径为25毫米。经过多次试验，水/水泥比最终确定如下:水泥:砂:石膏:水:1:2,6:0,52:3。为了在隧道模型中产生可渗透的裂缝，在浇注水泥砂浆之前，将厚度为0.5mm的薄片塑料固定在拱肩。之间的夹角隧道侧壁垂直是固定的,水泥砂浆混合后倒入模具中,保存30天,一张薄薄的塑料被撤回,这导致裂纹长度的50mm的渗透性和0.5mm厚的隧道中。采用微型计算机控制的电液试验机(2001)对试验模型施加垂直载荷。平面应力隧道,大约将有一定程度的影响大小的病灶侧压力的不同地区隧道侧壁骨折的将是下一阶段的研究进行了单轴压缩实验,即经过隧道纵向载荷作用下加载测试模型放置在中间,按步骤分为150样品破坏前的刻度载荷可选择15kn/S。在整个测试过程中，应自动记录整个模型的加载时间、位移、应力和变形，并在测试后自动绘制应力和变形曲线。
        2.实验结果
        随着θ的变化，应力和变形曲线也发生了明显的变化，具有较大的离散性。当θ=0°时，即无裂纹试件的峰值应力达到最大值在11.00mpa。10°-60°的角度变化过程中，峰值应力有减小的趋势。当裂纹角在60°和90°之间变化时，峰值应力增大θ=90°，最大峰值为400mpa;裂纹角为90°~130。峰值应力在减小过程中的变化:θ=130°沉积至少4.60mpa，为峰值剪切应力θ=60°;θ=110°-120°，计算最短距离的时间。试验结果表明:(1)与无裂缝模型相比，有塌陷裂缝的隧道模型稳定性和强度较低。(2)当壁面裂缝角为60°和130°时，隧道模型的稳定性分别占裂缝模型强度的40.9%和41.8%。
        二、数值模拟与试验结果分析对比
        1.采用混凝土塑性损伤模型模拟隧道缺陷规律;这是一个基于塑性损伤模型的简化连续模型，以及一个结合各向同性拉伸和压缩模型的弹性各向同性损伤模型，用于模拟混凝土材料的弹塑性行为。利用abaqus软件的nephogram积分模块计算了裂缝尖端的应力强度因子和应力云，模拟了隧道模型中脆性岩石材料的破坏情况。针对裂纹尖端的奇异性，开发了Abaqus软件的交互式模块。作为一种理想的细小裂纹,裂纹会进一步完善网格据避免裂纹尖端和独特性,裂纹尖端应力范围可能造成错误的计算精度向裂纹尖端应力强度因子。在本文中，应力强度因子由J积分求解，精度高。在有限元的一般方法中，有必要以裂纹面积为单元边界，以裂纹尖端为单元节点。二维模型,通过模型的软件使用三角形参与者参加统一六个模块CPS6隧道裂缝节点,CPS8四边形投影到其他领域的新时期,同样的计算参数模型的参数弹性模量的隧道。

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没有边界的边界条件的过程中负载模拟的垂直压力的垂直位移加载10MPa2.5MPa,外侧压力加载条件相似的测试条件,从裂纹和鞍或其滑动区域的隧道拱或拱,从裂纹尖端云(I型II型裂缝)和拉应力的两组应力强度因子值。
        2.数值模拟结果进行了比较。当裂缝位于肩部或拱部时，使用Abaqus软件模拟曲线I。可以看出，裂纹位置的倾角对裂纹尖端应力强度因子I的值有显著影响。从0°至45°,逐渐增加。45°时l值达到顶峰,56.87%mpa-m的最大应力强度因子的裂纹尖端的应力集中,最明显的一点,应力峰值最低,我要说下与试验结果。当从45°到90°,0.01MPa4mI逐渐减小。何时为0°和90°的横向和纵向压力,关闭裂缝末端附近裂纹尖端的应力集中,应力强度因子裂纹尖端较小,分别为1.37%mpa4m和0.01mpa/m。
        3.将试验结果与数值分析结果进行比较，利用Abaqus软件可以得到隧道裂纹尖端的应力强度因子。结果表明，沿裂纹倾角隧道135°的位置在裂纹周围，且裂纹尖端的应力强度因子变化较大。当裂缝位于隧道底板位置1时，最小值为3952mpa4m;当裂纹从第1位移动到第3位时，我逐渐增大。该隧道位置为3层，顶板采用63、66MPax/m，由于应力集中现象最为突出，且在隧道出现最小应力峰值断裂时，这与隧道模型压缩结果一致;裂纹由3向6移动时，I值先减小后增大。当裂缝位置在6个侧壁之间时，数值也高于I(58.65%MPa)，说明裂缝尖端的应力集中也高于6，隧道稳定。
        4.实验照片上的裂缝扩展情况表明，当裂缝位于隧道1、2、3位置时，裂缝的扩展方向是垂直的，向左和向下，传播距离相对离散。当裂缝位于隧道的第4、5和6点时，裂缝的传播方向垂直于裂缝尖端的左侧，传播路径和距离的弥散也很重要。发现隧道形式下的裂纹,裂纹扩展和种子隧道爆破形式主要由一端的裂纹萌生和裂纹尖端蔓延非常低调且随机,但传播方向,可以更好地根据裂纹的方向。所有隧道模型的共同特征是裂纹尖端伸长和壁脚破坏，这表明裂纹尖端和壁脚确实是隧道的弱点。
        三、模拟结果分析和结论
        1.不同覆盖层厚度管材的内力分布相似。(1)裂纹的存在将导致裂纹附近的内力比无裂纹时显著降低。在土体厚度为1500万的情况下，当B1、L1、L2、L2块分别出现裂缝时，裂缝处弯矩分别为6.7、5.8、22.7kN•m，小于无裂缝处相应位置的弯矩(37.3、60.2、61.2kN•m)。裂缝处的轴向力为400,340,322kN，也小于无裂缝处相应位置的轴向力(849,985,881kN)。裂纹的存在不会改变管道的基本力学性能。在外荷载作用下，管的整个环向力为正(压缩)，拱顶和拱底处管的内侧受拉，拱腰处管的外侧受拉。(3)以裂纹为中心，两侧25°区域内的管片内力受裂纹影响较大，其余区域内的管片内力与无裂纹区域相比变化不大。
        2.在外力作用下，环的总轴向力为正(压缩)，随着裂纹恶化程度的增加，无负值。裂纹附近的轴向力随着裂纹恶化程度的增加而显著减小，振幅增大。裂纹作用下的弯矩规律与轴向力的弯矩规律相似。裂缝对海湾内力有重要影响的区域随着裂缝恶化程度的增加而增加。在多裂纹存在的情况下，裂纹对内力的影响与单裂纹相似。
        结束语
        这些研究对认识隧道破坏机理和隧道建设的发展做出了重要贡献。然而，隧道的地质条件十分复杂多样，裂缝方向的选择是主要研究课题之一。通过数值模拟结果与实验结果的对比分析，得出了一些规律性的结论。为今后隧道的设计和施工提供参考。
        参考文献：
        [1]康勇，李晓红，杨春和．深埋隧道围岩损伤破坏模式的数值试验研究,岩石力学与工程学报，2007
        [2]李占海，朱万成，冯夏庭，等．侧压力系数对马蹄形隧道损伤破坏的影响研究,岩土力学，2010
        [3]杨雨冰,谢雄耀.基于断裂力学的盾构隧道管片结构开裂破损机制探讨,岩石力学与工程学报,2015
        [4]徐国文,王士民,代光辉,等.基于内外分区割槽方式的盾构隧道接头环向模拟方法研究,铁道学报,2016
        [5]李永乾，朱哲明，胡荣.主应力方向对隧道稳定性影响规律的研究，四川大学学报（工程科学版），2012,44（増刊1）