巖石-混凝土界面裂縫擴(kuò)展過程的非線性斷裂分析

按照項(xiàng)目書的研究?jī)?nèi)容，對(duì)巖石-混凝土界面試件進(jìn)行了軸向拉伸和三點(diǎn)彎曲梁試驗(yàn),研究粗糙度對(duì)界面斷裂特性的影響，建立了界面軟化本構(gòu)關(guān)系。以界面粗糙度為參量，結(jié)合界面三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)所得的荷載-位移曲線，采用改進(jìn)的J積分法計(jì)算裂縫擴(kuò)展的能量損耗，建立了基于虛擬裂縫粘聚力能量守恒關(guān)系。通過歸一化擬合建立的撓度、裂縫張開寬度及裂縫擴(kuò)展長(zhǎng)度關(guān)系，最終確定了巖石-混凝土界面的拉伸軟化本構(gòu)曲線，并提出指數(shù)型和雙線型的粘聚力表達(dá)式。本項(xiàng)目所得的界面軟化本構(gòu)關(guān)系只與界面抗拉強(qiáng)度和斷裂能有關(guān)，可以應(yīng)用于不同粗糙度界面的斷裂計(jì)算中。采用四點(diǎn)剪切型試件進(jìn)行巖石-混凝土界面斷裂試驗(yàn)，研究不同加載方式、縫高比、偏縫率下界面裂縫的擴(kuò)展過程。試驗(yàn)結(jié)果表明，處于界面中的裂縫將隨工況的不同呈現(xiàn)三種擴(kuò)展模式：沿界面擴(kuò)展、向巖石擴(kuò)展以及沿界面擴(kuò)展一段后轉(zhuǎn)向巖石擴(kuò)展。采用界面斷裂力學(xué)的方法計(jì)算裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子，提出了能預(yù)測(cè)裂縫發(fā)展不同模式的界面裂縫擴(kuò)展準(zhǔn)則，結(jié)合之前試驗(yàn)得到的巖石-混凝土界面的拉伸軟化本構(gòu)曲線，進(jìn)而通過有限元方法對(duì)四點(diǎn)剪切加載條件下界面裂縫擴(kuò)展過程進(jìn)行模擬，結(jié)果表明：在得到界面、混凝土與巖石的抗拉強(qiáng)度、斷裂能和起裂斷裂韌度后，可以采用本項(xiàng)目提出的方法預(yù)測(cè)裂縫擴(kuò)展的不同模式，數(shù)值求解巖石-混凝土界面裂縫在Ⅰ-Ⅱ復(fù)合型應(yīng)力場(chǎng)下的起裂荷載、極限荷載、裂縫擴(kuò)展長(zhǎng)度等斷裂參數(shù)，模擬裂縫擴(kuò)展全過程。同時(shí)以本項(xiàng)目的研究?jī)?nèi)容為依托，對(duì)研究?jī)?nèi)容進(jìn)行了擴(kuò)展，作為界面裂縫擴(kuò)展的特例，將本項(xiàng)目提出的裂縫擴(kuò)展準(zhǔn)則應(yīng)用于混凝土材料的裂縫擴(kuò)展研究，實(shí)現(xiàn)了混凝土裂縫擴(kuò)展全過程的模擬，并在此基礎(chǔ)之上提出了基于起裂斷裂韌度的KR阻力曲線計(jì)算方法。對(duì)三點(diǎn)彎曲荷載條件下及限制收縮條件下的混凝土裂縫擴(kuò)展進(jìn)行了研究，通過對(duì)比P-CMOD曲線及混凝土開裂齡期，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果溫和良好，證明了本項(xiàng)目提出的方法不僅可以應(yīng)用于界面的裂縫擴(kuò)展，也可以用于單一介質(zhì)的裂縫擴(kuò)展研究，進(jìn)一步擴(kuò)展了成果的應(yīng)用范圍。 2100433B

大型水工混凝土建筑物的安全性是工程界極為關(guān)注的問題，以往的研究大多集中于混凝土的裂縫擴(kuò)展，對(duì)于巖石-混凝土界面裂縫擴(kuò)展過程的研究則很少。本項(xiàng)目擬采用試驗(yàn)、理論分析及數(shù)值模擬，開展基于非線性斷裂力學(xué)的巖石-混凝土界面在拉剪應(yīng)力下裂縫擴(kuò)展全過程分析。首先通過試驗(yàn)研究巖石-混凝土界面斷裂過程區(qū)軟化本構(gòu)關(guān)系、界面斷裂參數(shù)，建立界面裂縫擴(kuò)展準(zhǔn)則。借助圖像相關(guān)及高速攝像等現(xiàn)代測(cè)試手段，觀測(cè)巖石-混凝土界面斷裂破壞過程、界面裂縫張開及剪切位移，研究裂縫發(fā)展過程中尖端附近斷裂過程區(qū)的變化規(guī)律。建立外荷載、裂縫閉合力在裂縫尖端引起應(yīng)力強(qiáng)度因子與開裂準(zhǔn)則的關(guān)系，研究在復(fù)雜應(yīng)力場(chǎng)下，裂縫尖端應(yīng)力變化特征。發(fā)展基于虛擬裂縫粘聚力的分離裂縫模型，結(jié)合理論分析實(shí)現(xiàn)對(duì)界面裂縫起裂、穩(wěn)定擴(kuò)展、失穩(wěn)破壞的全過程模擬，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而將此成果應(yīng)用于混凝土重力壩壩體與巖基界面的裂縫穩(wěn)定性分析。

粗骨料的隨機(jī)分布造成混凝土材料的不均質(zhì)性，影響裂縫擴(kuò)展規(guī)律，進(jìn)而改變混凝土宏觀斷裂特性，這在全級(jí)配大骨料混凝土中體現(xiàn)得尤為明顯。本項(xiàng)目擬采用宏觀斷裂力學(xué)從細(xì)觀層次研究裂縫擴(kuò)展過程，提出以應(yīng)力強(qiáng)度因子為參量的復(fù)合型裂縫擴(kuò)展準(zhǔn)則，以判別混凝土不同介質(zhì)（砂漿、骨料及界面）在復(fù)雜應(yīng)力場(chǎng)下裂縫擴(kuò)展模式，重點(diǎn)研究裂縫尖端遇到骨料時(shí)產(chǎn)生的三種擴(kuò)展路徑，即裂縫穿過骨料、沿界面擴(kuò)展至砂漿及沿界面擴(kuò)展至骨料，以及不同擴(kuò)展路徑對(duì)裂縫演化、宏觀斷裂性能的影響。通過試驗(yàn)研究界面軟化本構(gòu)關(guān)系、細(xì)觀斷裂過程區(qū)形成機(jī)理，在此基礎(chǔ)上探討混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)與宏觀斷裂能之間的關(guān)系，發(fā)展基于細(xì)觀層次的虛擬裂縫粘聚力的分離裂縫模型，結(jié)合理論分析實(shí)現(xiàn)對(duì)裂縫起裂、穩(wěn)定擴(kuò)展及失穩(wěn)破壞的全過程模擬。本項(xiàng)目提出的方法克服了宏觀力學(xué)無法解釋裂縫擴(kuò)展規(guī)律及細(xì)觀力學(xué)難以獲取界面力學(xué)參數(shù)的困難，為評(píng)價(jià)全級(jí)配大骨料混凝土結(jié)構(gòu)安全性提供了一個(gè)新的思路。

開展了砂漿-巖石界面抗拉強(qiáng)度、斷裂特性試驗(yàn)研究，分析了界面粗糙度、砂漿強(qiáng)度、巖石種類對(duì)界面參數(shù)的影響，并設(shè)計(jì)預(yù)埋骨料試件進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，得到了裂縫尖端遇到骨料后不同的裂縫擴(kuò)展路徑。進(jìn)行了巖石的斷裂試驗(yàn)，驗(yàn)證基于材料起裂韌度的裂縫擴(kuò)展準(zhǔn)則在巖石材料中的適用性，并提出了以裂縫口張開位移為控制變量的計(jì)算方法，避免了粘聚力的迭代運(yùn)算，提高了計(jì)算精度與計(jì)算效率。設(shè)置垂直雙材料界面裂縫試件，探究了裂縫尖端在界面時(shí)的擴(kuò)展準(zhǔn)則，后將界面單獨(dú)作為一相材料，采用應(yīng)力外推法得到界面的斷裂韌度，研究界面斷裂韌度的尺寸效應(yīng)?；诒菊n題組提出的基于材料起裂韌度的裂縫擴(kuò)展準(zhǔn)則，采用數(shù)值方法得到裂縫擴(kuò)展全過程的p-cmod曲線，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了裂縫擴(kuò)展準(zhǔn)則的在多相材料中的準(zhǔn)確性。最后，將裂縫擴(kuò)展準(zhǔn)則用于隨機(jī)模型以探究混凝土非均勻性對(duì)裂縫擴(kuò)展過程的影響，通過統(tǒng)計(jì)分析得到極限荷載、斷裂過程區(qū)長(zhǎng)度等要素的概率分布函數(shù)，為工程檢測(cè)和工程可靠性分析提供依據(jù)。本項(xiàng)目的課題研究對(duì)評(píng)估細(xì)觀層次的混凝土裂縫擴(kuò)展規(guī)律和機(jī)理具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。 2100433B

在一定應(yīng)力腐蝕條件下，混凝土裂縫尖端的微裂縫會(huì)萌生、擴(kuò)展、貫通和匯合促成斷裂過程區(qū)的演變及裂縫的亞臨界擴(kuò)展，此過程長(zhǎng)期發(fā)展累積有可能引發(fā)失穩(wěn)斷裂。因而可以認(rèn)為斷裂過程區(qū)及裂縫亞臨界擴(kuò)展的時(shí)變規(guī)律決定了混凝土材料的延遲斷裂行為。為此，本項(xiàng)目將基于斷裂、損傷力學(xué)和亞臨界擴(kuò)展理論，采用理論分析、試驗(yàn)測(cè)試與數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法，對(duì)該問題進(jìn)行深入研究。開展混凝土基本力學(xué)試驗(yàn)和I型、II型及I-II復(fù)合型裂縫的亞臨界擴(kuò)展試驗(yàn)，獲取基本力學(xué)參數(shù)、裂縫擴(kuò)展準(zhǔn)則和亞臨界擴(kuò)展速度參數(shù)，觀測(cè)斷裂過程區(qū)的時(shí)變規(guī)律，建立既能考慮微裂縫隨機(jī)分布、材料成份各向異性，又能模擬特定荷載下斷裂過程區(qū)及裂縫亞臨界擴(kuò)展隨時(shí)間而變的精細(xì)化數(shù)值模型，預(yù)測(cè)混凝土的延時(shí)斷裂行為，揭示混凝土斷裂過程區(qū)及裂縫亞臨界擴(kuò)展的時(shí)變機(jī)理。成果有望為裂損混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的長(zhǎng)期擴(kuò)展及穩(wěn)定性分析提供一種新的方法。