基于断裂力学的水工隧洞衬砌裂缝扩展数值模拟

刘彦 孙笑^{（通讯作者）} 王赫 王强

江西水利电力大学水利工程学院，江西南昌，330099；

摘要：水工隧洞混凝土衬砌中的裂缝通常表现为表面裂缝或贯穿性裂缝。本研究建立了一套完整的模拟方法，用以研究水工隧洞周围混凝土中的裂缝扩展。基于I-II复合型裂纹扩展原理，结合混凝土断裂力学理论，采用断裂韧度作为材料参数，通过虚拟裂纹模型分析裂缝扩展过程。利用有限元软件建立了平面轴对称模型，系统研究了水工隧洞中的裂缝扩展。通过参数化分析，评估了初始裂缝位置、方向和长度的影响。结果表明，正Y轴45度位置是结构薄弱点，随着裂缝与负Y轴夹角的增大，裂缝起裂压力和最大承载能力均有所提高。初始裂缝长度仅对扩展早期阶段有显著影响，对高级开裂阶段的极限承载能力或扩展方向影响甚微。水工隧洞中的圆形裂缝通常呈线性扩展，从横截面中心向外呈径向发散。

关键词：水工隧洞；断裂力学；裂缝扩展；数值模拟；混凝土衬砌完整性

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