随着高速路网范围的不断扩大,我国开始从世界上隧道工程数量最多、发展最快的国家逐渐转变成为隧道运营养护需求最大的国家。大量工程实践表明,受地形条件、勘察设计因素、施工质量以及荷载等因素的影响,公路隧道在投入运营后会出现衬砌结构开裂,开裂衬砌不仅影响结构承载力,还会伴随衬砌掉块及渗漏水等结构二次病害。本文依托交通运输部应用基础研究项目中的专项内容“病害隧道模型实验技术与系统研发”,通过理论分析、大比尺相似模型试验及数值模拟对存在裂缝的隧道衬砌结构承载性能展开研究。本文的主要研究内容分为如下几个方面:(1)通过对在役公路隧道衬砌裂缝的统计分析可知,洞身段裂缝分布密度较洞口段大;在各形态裂缝中,环向裂缝数量在总裂缝中所占比重最大;就衬砌横断面而言,裂缝多位于衬砌拱部;(2)根据相似原理拟定相似材料的配合比,通过对试件进行强度试验后决定采用砂、水泥、石膏与水作为比尺为1:10的物理试验模型材料;根据公路隧道在V级围岩条件下的尺寸,按1:10的比尺进行缩放,确定出衬砌试件的尺寸;(3)对无损衬砌以及带裂缝的衬砌进行物理模型加载试验,结果表明:当拱顶裂缝深度达到衬砌试件厚度的20%时,衬砌结构的各测点破坏位移与破坏荷载相对于无损衬砌存在明显的下降趋势;(4)采用有限元软件ANSYS建立与物理试验中模型相对应的数值模型并进行对比分析,结果表明,数值模型中的拱顶破坏位移与拱顶破坏荷载结果与物理试验结果差异较小,且规律基本一致;(5)通过建立不同深度裂缝位于拱顶与拱腰的衬砌数值模型,对带裂缝衬砌的承载性能展开研究。研究表明:(1)当裂缝位于原型衬砌拱顶,且深度不大于衬砌厚度的20%时,随着裂缝深度的增大,拱顶破坏位移与拱顶破坏荷载呈明显下降趋势,分别较无损衬砌下降了78.20%、78.17%;当裂缝深度达到原型衬砌厚度的20%后,随着裂缝深度的增大,上述两值下降曲线较为平缓;(2)当裂缝位于原型衬砌拱腰,且其深度为衬砌厚度的4%时,拱顶破坏位移与破坏荷载相对于无损衬砌降幅较大,分别较无损衬砌下降了50.26%、50.29%;当裂缝深度超过原型衬砌厚度的4%后,拱顶破坏位移与破坏荷载下降斜率减小;(3)原型衬砌拱顶裂缝深度为衬砌厚度的4%时,衬砌结构的剩余强度为无损衬砌的16.36%;裂缝深度达到原型衬砌厚度的40%时,衬砌的剩余强度为无损衬砌的7.73%;当裂缝位于拱腰,且深度为原型衬砌厚度的4%时,衬砌结构的剩余强度为无损衬砌的33.64%;裂缝深度达到原型衬砌厚度的40%时,衬砌的剩余强度为无损衬砌的9.09%;随着裂缝深度的增大,由于拱腰存在裂缝衬砌的剩余强度降幅较大,当裂缝深度达到原型衬砌厚度的40%时,其剩余强度与拱腰存在裂缝的衬砌差异较小。