裂纹方向对隧道稳定性影响规律的研究

采用模型试验和数值模拟方法,研究单轴压缩载荷下带裂纹直墙拱形隧道在不同的裂纹面与隧道垂直边墙之间的夹角?时围岩损伤破坏规律。试验采用水泥砂浆制作成具有不同夹角?的直墙拱形隧道模型,养护30 d后进行加载。数值模拟采用混凝土损伤塑性模型,计算出隧道周边各点的应力和裂纹尖端的应力强度因子,与模型试验结果吻合较好。结果表明,拱肩处的裂纹会降低隧道的整体稳定性及强度,在裂纹尖端及侧壁产生很大的应力集中,但随着?角度的变化,强度降低的程度有所不同;当?=60?和?=130?时,裂纹对其整体稳定性及强度的影响最大,其裂纹尖端的应力集中现象最为明显,而且破坏应力峰值仅为无裂纹模型的40.9%和41.8%。

主应力方向对围岩稳定性的影响

采用模型试验和数值模拟方法研究了在不同方向的主应力作用下,直墙拱形隧道的围岩损伤破坏规律,考虑了隧道内含有裂纹和不含裂纹两种情况,利用水泥砂浆制作了直墙拱形隧道模型,并利用有机玻璃光弹试验对无裂纹隧道的试验结果加以验证;数值模拟采用混凝土损伤塑性模型,计算出隧道周边各点的应力,而对于含有裂纹的隧道计算了裂纹尖端的无量纲应力强度因子YⅠ和YⅡ,与模型试验结果吻合较好。结果表明:对于无裂纹的隧道,当主应力方向与隧道垂直边墙的夹角?=45°左右时,隧道的抗压强度最低;对于带裂纹的隧道,当裂纹与垂直边墙的夹角?=130°时,裂纹尖端无量纲应力强度因子YⅡ最大,其隧道强度最低;对于含有裂纹且0?=130°的直墙拱形隧道,当主应力方向与隧道垂直边墙的夹角?较小时或在70°左右时,隧道的抗压强度最低。

高宽比对隧道围岩稳定性的影响

为研究隧道截面形式对隧道围岩的影响,结合模型试验和数值模拟研究高宽比K变化时,马蹄形隧道围岩稳定性及损伤破坏规律。考虑隧道周边无宏观裂纹和含有单一裂纹2种情况,数值模拟采用ABAQUS混凝土塑性损伤模型,计算隧道周边应力;对含有裂纹的情况利用J积分计算出裂纹尖端应力强度因子,利用ABAQUS中XFEM(extended finite element method)扩展有限元技术模拟高宽比为1.5时裂纹的发展路径和应力分布,与模型试验吻合较好。结果表明:隧道围岩的稳定性和损伤破坏情况随隧道高宽比K的变化而变化,对无裂纹模型,试件抗压强度在K=1.5时最大,K=1.0时最小;对有裂纹隧道模型,试件抗压强度在K=1.7时最大,K=0.7时最小。

基于扩展有限元法的不同扁平率隧道稳定性研究

针对不同扁平率的隧道模型,利用扩展有限元法(XFEM),对隧道的损伤破坏进行了数值模拟研究,同时进行了隧道模型试验。隧道模型为含有单一裂纹和不含裂纹的模型,模拟研究了隧道模型的抗压强度和裂纹的起裂与扩展规律。结果表明,对无裂纹隧道模型,扩展有限元法能够很好地模拟裂纹产生的位置以及扩展的路径,隧道模型的破坏以拉剪破坏为主,在扁平率为0.9时抗压强度达到最大;对有裂纹模型,扩展有限元法能够很好地模拟初始裂纹的扩展路径,隧道模型的破坏有明显剪切破坏的痕迹,但剪切破坏没有主导整体破坏方式,在扁平率为1.7时抗压强度达到最大。

不同夹角Y型裂纹混凝土试样破坏特征的研究

为了研究非对称Y型分支裂纹在压缩荷载下的起裂及其扩展规律,对含预制裂缝混凝土试件进行了实验研究和相应的数值模拟研究。试验采用水泥砂浆材料制作的含非对称Y型裂纹的正方形试件,利用自制的3向加载设备进行加载并测得其最大载荷。同时利用ABAQUS软件进行了数值计算,并与试验结果进行了对比分析。试验和数值计算结果均表明:随着分支裂纹与主裂纹之间夹角θ的增大,分支裂纹尖端的Ⅰ型应力强度因子从负值变化到正值,而水平主裂纹的两个尖端的Ⅰ型应力强度因子的绝对值均增大。分支裂纹的Ⅱ型应力强度因子先减小后增加,并在30°~45°之间出现极值。当倾角θ为75°时试件的抗压强度最低,当θ为90°时的强度次之。