隧道内路面结构反射裂缝产生及影响因素分析

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)03002104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:Thestressintensityfactor(SIF)atthecracktipisanimportantindextOjudgethe cracktOgrowornot.Afiniteelementanalysismodelof8 一 nodeisoparametricelementsisas tablishedbythecommerceFEMsoftwareABAQUS,andthecrackontheconcreteleverlay erinhighwaytunnelisnumericallyanalyzedwiththesingularityisoparametricelementsand fracturemechanicstheory.Thedevelopingphenomenonandlawonthepavementstructure intheroadwaytunnelcanbetrulyimagedfromtheresultsandbeprovidedtOthehighway tunnelpavementdesign.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:20050325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II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结点四边形单元作为分析的基本有 限元单元，如图1所示.4 广一1y/fr 广f/仃6 一L1/4l3L2/4图1等爹单元，奇异单元及裂缝尖端的网格划分结果 用有限元法求解断裂力学问题时，应力理论解 在裂缝尖端(厂-+0)为无界，也就是说裂缝尖端的应 力应变具有奇异性.采用常规有限元.难以正确反 映裂缝尖端应力场的奇异性,计算结果精度不高. 因此在裂缝尖端需设置奇异单元.裂缝尖端应用了 SINGULAR命令生成的奇异单元.可以很好的模 拟裂缝尖端的奇异性问题，并且单元也不用划分得 那么细，这大大的减轻了划分网格的工作强度并节 约了计算时间.3公路隧道层状路面结构的数值计 算模对于W类及以上围岩中开挖的隧道，其水泥混 凝土找平层是直接铺筑在隧道围岩上的，由于此水 泥混凝土层没有锯缝在温度和湿度变化时会形成 较多的裂缝.且围岩面上会由于施工技术等原因而 形成超挖或欠挖区.而使得找平层上在车辆荷载的 作用下出现应力集中的现象.加速裂缝的产生，因 此必须分析基层底裂缝的应力强度因子.为了讨论 基层底裂缝在交通荷载作用下的扩展规律，取单元 荷载(2x10.65cm)作用下的3层连续体系作为有 限元分析的基本力学模型，并假设基层底部中有一 贯穿于整个宽度的裂缝.考虑两种最不利荷载位 置，如图2所示.其中图(a)为正荷载;图(b)为偏荷 载.由于作用于路面的实际荷载为运动荷载，总会 经历上述正荷载和偏荷载作用过程.分析过程中忽 略了动荷载效应的影响.路面及路基结构计算参数 见表1.平面 找平屡围岩,J平面找平罂岩1图2交通荷载力学模型（b）表1路面及路基结构计算参数为了模拟围岩由于施工欠挖而造成的找平层 厚薄不一致的情况.建立围岩不平整的模型.如图 3所示，计算两种荷载模式下围岩平整和围岩不平 整情况下不同裂缝长度时裂缝尖端的应力强度因 子及分，分析路面结构各层参数变化时找平层裂缝的发展情况.在整个计算中作以下基本假 定：1）沥青混凝土,找平层和围岩层考虑成线弹 性的各向同性，均匀的材料：2）层与层之间始终完全保持连接状态；3）横向裂缝间距是均匀的.贯穿于路面的整 个宽度，且所有裂缝面均为自由面.4）路面上层表面作用有垂直均布荷载.在无 限远处和无限深处应力及位移均为零.第3期李英涛等:隧道内路面结构反射裂缝产生及影响因素分析.23.平面找平层围岩Z而找平层 围岩 ZZ(a)(b)图3正载和偏载时围岩欠挖模型4结果分析4.1应力强度因子变化的情况图4是在偏荷载作用下裂缝尖端的应力强度 因子，随裂缝长度变化的情况.由图中曲线可知， 在偏荷载作用下随着裂缝的扩展不断增大，而 ，则逐渐减小，所以，只在裂缝开展初期起作用， 而主要起控制作用的是K，;在正荷载的作用下,. 随着裂缝的扩展而减小，由于荷载对称,故的值 为0.在两种荷载模型中，偏荷载对裂缝的扩展起 主要作用,故以后的分析主要以偏载情况为主.另 外由于对裂缝发展的影响较小,故主要分析， 的作用.图4偏衙载作用下裂缝尖端的应力强度因子 4.2水泥混凝土找平层厚度对其断裂性能的影响 由图5可知，在偏荷载作用下,，积分值在裂 缝发展的初期变化较平缓，说明裂缝此时发展较缓 慢，但随着裂缝的继续发展,.,积分值急剧增加，此 时裂缝发展速度加快，直至破坏;，的值前期较 小，此时.起主要作用控制裂缝的发展，随着裂缝 的发展,，迅速增加,即裂缝发展的后期起主要控 制作用的是,.另外，当水泥混凝土找平层的厚度 增加时，随着裂缝的扩展.，积分值和，值都在减 小，最大减小量分别为77.8%和39.85%.且变化趋 于平缓，说明增加找平层的厚度可以有效的控制裂 缝的发展.图6是在围岩不平整，偏荷载作用下不同找平 层厚度时裂缝尖端的.分和应力强度因子，的 变化情况.与图5中的结果相比较可知，当围岩层 存在凸起时,裂缝初期的应力强度因子,要明显 大于围岩平整时的情况,且一直保持较高的值，也 就是说围岩不平整会加速找平层出现裂缝;-,积分 的值随着裂缝的发展几乎线形增长，裂缝的发展会 较快.也即由于围岩层的不平整会加快裂缝的发生 和发展.与图5结果相同的一点就是增加找平层的 厚度有利于控制裂缝的产生和发展.图5在围岩平整，偏荷载作用下找平层 厚度不同时裂缝尖端的J积分和K值 图6在围岩不平整，偏荷载作用下找平层厚度 不同时裂缝尖端的，积分和值黑龙江工程学院（自然科学版）2005年9月一14020.卜一 1600a嚣豳霾豳霾霾豳霞N一 25000MPa!l.l00-.1. 18oo0MPa_蛹圈圈豳霾 8020oo0MPaII 露一圈 I 疆圈瞄疆l日隧鞭I60_ 30000MPa圈豳 i 暖 ll 露 il-40鳗碧,20 l_印一 I目_嚣 一口豳礴匚目翳l !:=?蠲0246810裂缝长度(cm)图7在围岩平整，偏荷载作用下找平层模量不同时裂缝尖端的.，积分和K值图8在围岩不平整，偏荷载作用下找平层模量不同时裂缝尖端的J积分和K,值 4.3水泥混凝土找平层模量对其抗裂性能的影响 由图7可见，单一曲线的发展趋势与图5相似，裂缝初期发展缓慢，后期则快速发展.由.，积分图可知，在裂缝发展初期找平层模量越高.，积分值越大,找平层模量由16000MPa变为30000MPa.裂缝长度为2cm和4cm时.，积分的增量分别为61.77%和166%;而对于同一裂缝长度时的K，则是 找平层模量越高其值越大.这些均说明找平层模量 不宜过高，其值过大不仅浪费材料和资金而且会给 路面结构带来早期破坏.图8中曲线的趋势与图6相似,而与图7中的结果相比,则裂缝开展初期值明显较高，可见由于不平整的存在确实加速了裂缝的发生.图8中找平层模量的增加反而减小了，积分的值，与图7结果不同，这点可能是由于找平层模量的增加客观上增 强了找平层的强度使其初期不易出现裂缝,但后期 值变化较快,仍不宜采用较高模量值的材料做找平层，这点可从图8的第二幅图中得到验证.4.4面层厚度对找平层抗裂性能的影响从图99,图10中可以看到，随着面层厚度的增加,K和.，积分值都一直在减小.故增加面层厚度有助于抑制找平层裂缝的扩展图9在围岩平整,偏荷载作用下面层厚度不同时裂缝尖端的_,积分和值 (下转第28页)28.黑龙江工程学院（自然科学版）2005年9月2.4.2钢筋混凝土路面钢筋混凝土路面结构中，配筋的目的不是为增加板体的抗弯拉强度而减小板的厚度，其主要目的 是使路面板在产生开裂后保持裂缝紧密接触，裂缝 宽度不会扩胀，但该种类型路面板费用较高，仅适 于在可能产生明显不均匀沉降的路基段使用（如半 填半挖路基，局部路基为塘边,河边填筑路堤等）.2.4.3连续配筋混凝土路面连续配筋混凝土路面在路面纵向配有足够数 量的不间断连续钢筋，以抵制混凝土路面板因纵向 收缩而产生横向裂缝.3结论1）对水泥混凝土路面的开裂及断板,首先应当建立预防为主的思想,尽量在设计和施工中予以 避免或减少,这才是问题的根本.2）板体开裂及断板产生的主要原因可能是板体厚度过薄，基层材料不适宜或平整度,密实度 不均匀，唧泥的存在，超重车的影响及养护方面的 因素等.3）开裂及断板的预防措施应首先从设计人手,如交通量的准确统计，特殊路段采用特殊路面 材料（钢筋混凝土路面,连续配筋混凝土路面，纤维 加强混凝土路面等）.4）板体间接缝的优化（如传力杆参数优化等）可保证板体受力，传力均匀，以减少板体开裂.参考文献1J01294，公路水泥混凝土路面设计规范s】.【2】2李华,程英华.我国水泥混凝土路面的现状与问题U】.公路，1994,(5).f3】3孙泰周，薛予生,刘国林.水泥混凝土路面设计和施工中若干技 术问题的探讨UI_中南公路工程,1996,(4).4】乔志红.水泥混凝土路面的无规则断裂UJ.辽宁交通科技,2o00,(2)5】5孙家瑛.水泥混凝土路面裂缝成因及预防处理措施UJ_国外公路 1999,(5)61孟繁忠.水泥混凝土路面裂缝及预防措施U1.华东公路,2【H】0,(2).【7】廖国新.水泥混凝土路面施工工艺及裂缝病理分析U】.湖南交通科技,20rM).(2).【责任编校:张德福1(上接第24页)图10在围岩不平整,偏荷载作用下面层厚度不同时裂缝尖端的，积分和K:值 5结论1) 对于找平层存在裂缝的隧道路面,其最不利荷位为荷载作用于裂缝一侧；2) 水泥混凝土找平层的厚度对隧道内路面结构的反射裂缝的发展影响较大,增大找平层的厚度 可以明显的减小裂缝发展后期受力的大小，也即可 以防止反射裂缝的向上发展，根据计算结果，对于 在找平层上直接加铺沥青混凝土路面的复合式隧道路面结构,找平层厚度可取为2024cm;3) 水泥混凝土找平层的模量对反射裂缝的发展影响不是很明显，但是增加找平层模量对防止反射裂缝的发生与发展并无帮助，反而会加剧裂缝尖 端的应力集中，所以隧道中找平层模量取16000200MPa已可为面层结构提供足够的支撑；4) 增加面层的厚度可以明显的延缓反射裂缝的发生和发展，综合考虑防反,防车辙及隧道防火，对于隧道内的复合式路面其沥青混凝土面层厚度可取为810cm.参考文献【I】沈成康.断裂力学M.上海:同济大学出版社,1996.【2】ABAQUS/SUserSManuVernon60【M】.Hibbia,Karkson&Soremen.1nc20o2.【3】3常崇义，李生.高速公路层状路面结构的数值分析U】公路.2002,(8):63-67.【41JTGF302oo3,公路水泥混凝土路面施工技术规范【S】.【5】5JTGD702oo4，公路隧道设计规范【s】f责任编校:刘文霞1