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基于断裂力学的盾构隧道管片结构裂缝扩展及检测研究
| 论文题名： | 基于断裂力学的盾构隧道管片结构裂缝扩展及检测研究 |
| 关键词： | 盾构隧道;管片结构;裂纹扩展;断裂力学;数值模拟 |
| 摘要： | 伴随着交通运输和国民经济的飞速发展，以盾构隧道为主的交通运输方式已成为一种便捷、高效且能耗低的选择，逐渐发展为隧道建筑中一种不可替代的选择方案。盾构法在地铁区间和水下隧道中被普遍使用，而在施工过程中盾构隧道管片产生的初始裂缝和复杂环境引起的裂缝均会影响盾构隧道管片的正常使用和寿命。管片通过拼接形成隧道的主要承重结构，为了满足管片的承载力和稳定性，必须保证管片制作和使用的质量。本文针对带裂缝工作的盾构隧道管片，在断裂力学的理论基础上，利用最大拉应力准则、最大应变能释放率和裂缝尖端积分点的幂律关系对盾构隧道管片和裂缝尖端的力学特征进行了研究，主要研究内容如下： (1)应用隧道衬砌快速检测系统获取隧道表面图像，建立隧道裂缝森林数据集(TCFD)，分析总结了隧道裂缝的灾害特征。针对隧道衬砌裂缝检测与识别问题，提出了隧道裂缝分割(TCS)算法求解方法。并将研究成果制作成GUI界面，形成裂缝识别人机交互系统。 (2)线弹性条件下，用可控尺寸和形状的三层广义圆柱管单元群代替裂纹尖端，给出管片裂缝尖端的应力应变场。推导得出三维能量释放率G和三维M积分的表达式，基于断裂力学方法对裂缝扩展进行了模拟，获得裂缝尖端附近的张开型、滑移型和撕开型应力强度因子和最大应变能释放率等断裂参数。通过最大拉应力准则和最大应变能释放率准则得到裂缝尖端的偏转角，分析裂缝尖端积分点的幂律关系得到裂缝的扩展增量。 (3)选取拱圈顶部的管片进行模拟分析，初始裂缝为倒角矩形，在拉应力最大处插入预制裂缝。随着管片承载增加，裂缝开始沿着直线方向扩展并形成不规则裂缝尖端，应用最大应变能释放率和裂缝尖端积分点的幂律关系将初始裂缝沿着直线方向扩展为半圆裂缝。通过有限元模拟得到裂缝的扩展路径和力学特征。 (4)采用有限元分析软件ABAQUS建立三维有限元模型，以倒角矩形裂缝为研究对象，在盾构隧道管片的左拱腰部分分别插入1条、2条和3条裂缝。采用M积分法得到了张开型、滑移型和撕开型裂缝前沿积分点的应力强度因子，利用最大应变能释放率和裂缝尖端积分点的幂律关系得到了裂纹前沿节点的偏转角和裂纹扩展增量。最后，采用三维有限元方法进行分析得到不同裂纹数量下盾构隧道管片裂纹尖端的力学特性。通过与文献中类似的模拟实验比较，裂纹扩展是正确的，趋势基本一致。 |
| 作者： | 高建国 |
| 专业： | 力学 |
| 导师： | 尹冠生 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 长安大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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