单位文秘网 2021-07-26 08:11:54 点击: 次
摘要:在隧道的运营中,二次衬砌混凝土裂缝成为带有一定普遍性的质量问题。本文运用断裂力学理论的方法通过建立断裂力学纯弯曲和纯拉伸计算模型对隧道裂缝机理进行了比较详细的阐述,对工程中的裂缝防治方面起到一定的借鉴作用。
关键词:断裂力学;裂缝;计算模型;应力强度因子
1 断裂力学理论
1.1 断裂力学的应力强度因子理论
应力强度因子,用于表征裂缝尖端附近应力场的强弱程度,判断裂缝是否进入失稳的一个重要指标。对于线弹性体材料,根据裂缝面的受力和断裂特征,可将所有裂缝分为三种基本类型:
①张开型(I型)一裂缝受垂直与裂缝面的拉应力的作用;
②滑开型(II型)一裂缝受平行与裂缝面且垂直与裂缝前缘的剪应力的作用;
③撕开型(III型)一裂缝受平行与裂缝面且平行与裂缝前缘的剪应力的作用。
复合型裂缝常常作为I型处理,这样更安全些,因此张开型(I型)裂缝是断裂力学研究的重点。
1.2 裂缝的断裂韧度
在线弹性介质中,对于一具体裂缝,在给定外载荷的条件下,每种材料的应力强度因子K都存在一个临界值KC,当K达到这个临界值时,裂缝就失稳扩展。这个临界值KC,反映了材料本身固有的一种属性,是判断裂缝是否失稳的一个指标,称作断裂韧度。工程上一般以平面应变断裂韧度KC作为设计依据。
实验和分析研究表明:在一定的条件下,KC是材料固有的性能指标,是抵抗裂缝扩展能力的标志,是材料的常数。它和外力以及裂缝几何形状无关,取决于实验温度、板厚、变形速度、等若干因素。材料的断裂韧度大多随着材料厚度的增加而降低。
断裂韧度反映了材料的固有属性,就可以以此为判据建立断裂准则。其含意可以描述如下:对于外载荷作用下含裂缝的弹性体,当裂缝尖端的应力强度因子值不小于材料的断裂韧度时,裂缝就会发生失稳扩展而导致裂缝体的破坏。断裂准则是用于确定裂缝扩展的必要条件,或裂缝的极限平衡条件,进而可以推测出裂缝体对结构安全性能的影响程度,为工程提供安全预测参数。
2 隧道衬砌裂缝的断裂力学计算
2.1 断裂力学的计算模型
由表3可以看出在裂缝发展初期,裂缝深度a的扩展所引起的应力强度因子的增长是缓慢的,但是到了后期,a很微小的变化带来应力强度因子巨大的变化,最终导致裂缝的贯穿从而断裂。
3 结论
综上所述,在裂缝深度较小时,应力强度因子变化的较缓慢,当裂缝深度大于一定值以后,应力强度因子增长的很快,这也表明,当裂缝深度达到一定值后,应力强度因子发生突变达到断裂韧度从而断裂。
参考文献:
[1]王铁梦,工程结构裂缝控制[M],中国建筑工业出版社,1997
[2]易萍丽,现代隧道设计与施工[M],北京:中国铁道出版社,1997
[3]李庆芬, 断裂力学及其工程应用[M], 哈尔滨工程大学出版社 , 1998
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