巖石-混凝土界面裂縫擴展過程的非線性斷裂分析

按照項目書的研究內(nèi)容，對巖石-混凝土界面試件進行了軸向拉伸和三點彎曲梁試驗,研究粗糙度對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)合界面三點彎曲試驗所得的荷載-位移曲線，采用改進的J積分法計算裂縫擴展的能量損耗，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展長度關(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式。本項目所得的界面軟化本構(gòu)關(guān)系只與界面抗拉強度和斷裂能有關(guān)，可以應(yīng)用于不同粗糙度界面的斷裂計算中。采用四點剪切型試件進行巖石-混凝土界面斷裂試驗，研究不同加載方式、縫高比、偏縫率下界面裂縫的擴展過程。試驗結(jié)果表明，處于界面中的裂縫將隨工況的不同呈現(xiàn)三種擴展模式：沿界面擴展、向巖石擴展以及沿界面擴展一段后轉(zhuǎn)向巖石擴展。采用界面斷裂力學(xué)的方法計算裂縫尖端應(yīng)力強度因子，提出了能預(yù)測裂縫發(fā)展不同模式的界面裂縫擴展準(zhǔn)則，結(jié)合之前試驗得到的巖石-混凝土界面的拉伸軟化本構(gòu)曲線，進而通過有限元方法對四點剪切加載條件下界面裂縫擴展過程進行模擬，結(jié)果表明：在得到界面、混凝土與巖石的抗拉強度、斷裂能和起裂斷裂韌度后，可以采用本項目提出的方法預(yù)測裂縫擴展的不同模式，數(shù)值求解巖石-混凝土界面裂縫在Ⅰ-Ⅱ復(fù)合型應(yīng)力場下的起裂荷載、極限荷載、裂縫擴展長度等斷裂參數(shù)，模擬裂縫擴展全過程。同時以本項目的研究內(nèi)容為依托，對研究內(nèi)容進行了擴展，作為界面裂縫擴展的特例，將本項目提出的裂縫擴展準(zhǔn)則應(yīng)用于混凝土材料的裂縫擴展研究，實現(xiàn)了混凝土裂縫擴展全過程的模擬，并在此基礎(chǔ)之上提出了基于起裂斷裂韌度的KR阻力曲線計算方法。對三點彎曲荷載條件下及限制收縮條件下的混凝土裂縫擴展進行了研究，通過對比P-CMOD曲線及混凝土開裂齡期，計算結(jié)果與試驗結(jié)果溫和良好，證明了本項目提出的方法不僅可以應(yīng)用于界面的裂縫擴展，也可以用于單一介質(zhì)的裂縫擴展研究，進一步擴展了成果的應(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展，對于巖石-混凝土界面裂縫擴展過程的研究則很少。本項目擬采用試驗、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)力下裂縫擴展全過程分析。首先通過試驗研究巖石-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)，建立界面裂縫擴展準(zhǔn)則。借助圖像相關(guān)及高速攝像等現(xiàn)代測試手段，觀測巖石-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)力強度因子與開裂準(zhǔn)則的關(guān)系，研究在復(fù)雜應(yīng)力場下，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)合理論分析實現(xiàn)對界面裂縫起裂、穩(wěn)定擴展、失穩(wěn)破壞的全過程模擬，并與試驗結(jié)果進行對比，進而將此成果應(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。

粗骨料的隨機分布造成混凝土材料的不均質(zhì)性，影響裂縫擴展規(guī)律，進而改變混凝土宏觀斷裂特性，這在全級配大骨料混凝土中體現(xiàn)得尤為明顯。本項目擬采用宏觀斷裂力學(xué)從細(xì)觀層次研究裂縫擴展過程，提出以應(yīng)力強度因子為參量的復(fù)合型裂縫擴展準(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)力場下裂縫擴展模式，重點研究裂縫尖端遇到骨料時產(chǎn)生的三種擴展路徑，即裂縫穿過骨料、沿界面擴展至砂漿及沿界面擴展至骨料，以及不同擴展路徑對裂縫演化、宏觀斷裂性能的影響。通過試驗研究界面軟化本構(gòu)關(guān)系、細(xì)觀斷裂過程區(qū)形成機理，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)合理論分析實現(xiàn)對裂縫起裂、穩(wěn)定擴展及失穩(wěn)破壞的全過程模擬。本項目提出的方法克服了宏觀力學(xué)無法解釋裂縫擴展規(guī)律及細(xì)觀力學(xué)難以獲取界面力學(xué)參數(shù)的困難，為評價全級配大骨料混凝土結(jié)構(gòu)安全性提供了一個新的思路。

開展了砂漿-巖石界面抗拉強度、斷裂特性試驗研究，分析了界面粗糙度、砂漿強度、巖石種類對界面參數(shù)的影響，并設(shè)計預(yù)埋骨料試件進行三點彎曲試驗，得到了裂縫尖端遇到骨料后不同的裂縫擴展路徑。進行了巖石的斷裂試驗，驗證基于材料起裂韌度的裂縫擴展準(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算方法，避免了粘聚力的迭代運算，提高了計算精度與計算效率。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的擴展準(zhǔn)則，后將界面單獨作為一相材料，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展準(zhǔn)則，采用數(shù)值方法得到裂縫擴展全過程的p-cmod曲線，通過試驗驗證了裂縫擴展準(zhǔn)則的在多相材料中的準(zhǔn)確性。最后，將裂縫擴展準(zhǔn)則用于隨機模型以探究混凝土非均勻性對裂縫擴展過程的影響，通過統(tǒng)計分析得到極限荷載、斷裂過程區(qū)長度等要素的概率分布函數(shù)，為工程檢測和工程可靠性分析提供依據(jù)。本項目的課題研究對評估細(xì)觀層次的混凝土裂縫擴展規(guī)律和機理具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。 2100433B

在一定應(yīng)力腐蝕條件下，混凝土裂縫尖端的微裂縫會萌生、擴展、貫通和匯合促成斷裂過程區(qū)的演變及裂縫的亞臨界擴展，此過程長期發(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)及裂縫亞臨界擴展的時變規(guī)律決定了混凝土材料的延遲斷裂行為。為此，本項目將基于斷裂、損傷力學(xué)和亞臨界擴展理論，采用理論分析、試驗測試與數(shù)值計算相結(jié)合的方法，對該問題進行深入研究。開展混凝土基本力學(xué)試驗和I型、II型及I-II復(fù)合型裂縫的亞臨界擴展試驗，獲取基本力學(xué)參數(shù)、裂縫擴展準(zhǔn)則和亞臨界擴展速度參數(shù)，觀測斷裂過程區(qū)的時變規(guī)律，建立既能考慮微裂縫隨機分布、材料成份各向異性，又能模擬特定荷載下斷裂過程區(qū)及裂縫亞臨界擴展隨時間而變的精細(xì)化數(shù)值模型，預(yù)測混凝土的延時斷裂行為，揭示混凝土斷裂過程區(qū)及裂縫亞臨界擴展的時變機理。成果有望為裂損混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的長期擴展及穩(wěn)定性分析提供一種新的方法。