隧道内路面结构反射裂缝产生及影响因素分析

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1、隧道内路面结构反射裂缝产生及影响因素分析第19卷第3期2005年O9月黑龙江工程学院(自然科学版)JournalofHeilongjiangInstituteofTechnologyVo1.19.NO.3SEP.,2005文章编号:1671-4679(2005)03—0021—04隧道内路面结构反射裂缝产生及影响因素分析李英涛,黄晓明,赵永利(东南大学交通学院,江苏南京210096)摘要:裂缝尖端应力强度因子是判断裂缝开裂扩展的重要指标,应用商业通用有限元软件ABAQUS,建立了8结点等参单元的有限元模型,采用奇异等参元及断裂力学理论,对隧道内水泥混

2、凝土找平层的裂缝问题进行了数值分析.结果能真实反映隧道内路面结构裂缝的发展现象和规律.为高速公路隧道工程设计提供依据.关键词:裂缝;有限元;断裂力学;数值分析;隧道中图分类号:U451文献标识码:AFactoranalysisofreflectivecrackonroadstructureintunnelL/Hng--tao,HUANGXiao--ming,ZHA0Yong--lifCollegeofTransportation,SoutheastUniversity,Nanjing,210096,China)Abstract:Thestressin

3、tensityfactor(SIF)atthecracktipisanimportantindextOjudgethecracktOgrowornot.Afiniteelementanalysismodelof8一nodeisoparametricelementsisas—tablishedbythecommerceFEMsoftwareABAQUS,andthecrackontheconcreteleverlay—erinhighwaytunnelisnumericallyanalyzedwiththesingularityisoparametri

4、celementsandfracturemechanicstheory.ThedevelopingphenomenonandlawonthepavementstructureintheroadwaytunnelcanbetrulyimagedfromtheresultsandbeprovidedtOthehighwaytunnelpavementdesign.Keywords:crack;finiteelement;fracturemechanics;numericalanalysis;tunnel0引言近年来随着高速公路的不断发展,公路隧道正以其可

5、提高线路标准,缩短运营里程,保护环境,不破坏森林植被等优点而越来越得到人们的青睐.但是作为隧道重要组成部分的隧道内的路面结构却未得到足够的重视,致使其路面出现早期病害,影响隧道乃至整条高速公路的运营.隧道内的素水泥混凝土找平层是铺筑路面结构的平台,也是路面结构的基层部分.其裂缝的发展是促使路面结构发生早期病害的主要原因.为研究裂缝产生与扩展的机理.需要分析裂缝尖端的应力状态.裂缝尖端应力强度因子是判断裂缝扩展的重要指标,应力强度因子越大,裂缝越易开裂扩展,道路的使用寿命就越短.为了掌握裂缝开裂和扩展规律,确定道路的剩余使用寿命,以便为设计各种防裂措施

6、提供必要的理论依据,采用有限元模型.应用商业通用有限元软件ABAQUS对裂缝尖端的应力状态进行详细分析,探讨路面结构参数的变化对找平层底裂缝的影响规律,将会为隧道内沥青路面的结构设计和材料设计提供有益的参考.1应力强度因子K和I,积分按照裂缝在荷载作用下扩展形式的不同,可以收稿日期:2005—03—25作苫简介:李英涛(197).男,东南大学交通学院硕士研究生.研究方向:隧道路面结构设计..22.黑龙江工程学院(自然科学版)2005年9月分成三种基本类型:张开型裂缝(I型),滑开型裂缝(II型)和撕开型裂缝(III型).在道路工程中,仅涉及到I型和I

7、I型裂缝.根据线弹性断裂理论,裂缝尖端处应力场具有奇异性,故只用应力大小来判断结构强度的方法不适用,由于裂缝尖端附近的应力场与K.成正比,K.可以用来反映裂缝尖端附近的应力场强度.被称为应力强度因子.J积分是为了避开直接计算裂纹尖端附近的弹塑性应力应变场.提出了一个围绕裂纹尖端的围线积分,与积分路径无关,为一常数,即分的守恒性.分是弹塑性断裂力学中另一个十分重要的参量.被公认为在其主导区能正确反映HRR奇异性,其守恒性使得可以在分析中避开裂纹尖端这个难以直接严密分析的区域.2等参有限元分析根据分析的需要,把路面结构简化成平面应变模型,用等参8结点四边

8、形单元作为分析的基本有限元单元,如图1所示.4广—1y/fr广———]f/仃6一●L1/4l3"L2/4图1