含初始缺陷混凝土坝地震灾变行为与破坏过程研究

在实际大坝工程中，坝体混凝土或坝体局部不可避免含有初始缺陷或损伤，这必然会影响混凝土的静、动力学性能，进而对大坝的灾变破坏过程和安全评估产生很大影响。本项目结合理论、试验和数值方法，系统深入地开展缺陷对大坝混凝土静动力学性能以及大坝灾变行为和破坏过程的研究，具体包括：进行含初始缺陷的混凝土材料力学性能试验研究，建立含缺陷影响的混凝土静、动态损伤本构模型和破坏准则。建立反映微结构特征的混凝土渐进破坏和损伤累积的近场动力学模型，研究缺陷的萌生、发展和集结过程。进行含缺陷混凝土坝在动力环境下的灾变行为和破坏过程研究。 围绕本项目的研究目标和研究内容，课题组四年来潜心研究，取得了以下成果： （1）进行了含初始缺陷混凝土的静动态试验研究，在混凝土试件浇筑过程中掺入一定量的引气剂，以此表征微孔隙、微裂纹，得到了不同引气剂含量下混凝土强度、有效模量、峰值应变、损伤的变化规律以及率效应的影响特征。 （2）将初始缺陷视为微孔洞，假设混凝土是由骨料、砂浆、界面和微孔洞组成的复合材料，建立了混凝土细观层面的有限元计算模型。进行了试样的单轴拉伸和压缩数值试验，获得了不同孔洞含量的混凝土破坏形态和全应力-应变曲线，与试验结果具有较好的一致性，得到多边形骨料混凝土的弹性模量及抗拉强度小于圆形骨料的结论。 （3）假设孔洞形状为球状，引入能量密度支函数，采用细观夹杂理论和变分结构方法，建立了含初始缺陷混凝土的宏-细观屈服模型，得到了混凝土有效摩擦系数与随孔洞含量的变化关系。 （4）构建了适用于混凝土材料和结构破坏分析的近场动力学模型与分析方法，并成功应用到混凝土重力坝全过程破坏模拟。 （5）发展和完善了可用于混凝土坝安全分析的不连续介质力学的界面元法、扩展有限元法和自然单元法。 （6）进行了含初始缺陷的混凝土重力坝模型的动力响应试验，建立了考虑应变率效应的混凝土本构关系和各向异性损伤破坏准则，进行了强震作用下柯依那重力坝和大岗山高拱坝的渐进破损分析，得到了大坝潜在的破坏模式。 研究成果为具有初始缺陷的混凝土大坝动力灾变破坏模拟和安全评价提供了从材料到结构层次的理论依据和分析手段，具有重要的科学意义和应用前景。 2100433B

混凝土坝的地震安全是学术界和工程界极为关注的重大课题之一。在实际大坝工程中，坝体混凝土或坝体局部不可避免含有初始缺陷或损伤，这必然会影响混凝土的静、动力学性能，进而对大坝的灾变破坏过程和安全评估产生很大影响。但目前混凝土坝的动力设计和研究多是针对成型无损坝体进行的，很少考虑坝体混凝土初始缺陷的影响。本项目拟结合理论、试验和数值方法，系统深入地开展缺陷对大坝混凝土静动力学性能以及大坝灾变行为和破坏过程的研究，具体包括：进行含初始缺陷的混凝土材料力学性能试验研究，建立含缺陷影响的混凝土静、动态损伤本构模型和破坏准则；建立反映微结构特征的混凝土渐进破坏和损伤累积的PD模型，研究缺陷的萌生、发展和集结过程；进行含缺陷混凝土坝在动力环境下的灾变行为和破坏过程研究。为具有初始缺陷的混凝土大坝动力灾变破坏模拟和安全评价提供从材料到结构层次的理论依据和分析手段。

大坝的抗震安全是强震区建设高坝大库必须解决的关键技术问题之一。本书是关于混凝土坝地震非线性响应过程模拟的专著。介绍了在考虑混凝土细观非均匀性影响下的混凝土坝地震损伤破坏模型、混凝土拱坝和重力坝在强震作用下的灾变过程的模拟，以及在此基础上开展的混凝土坝地震风分析和抗震加固分析的模拟等内容。本书可供力学、水利、土木、交通、港口、工业民用建筑等领域从事混凝土理论研究的科学研究工作者和工程技术人员阅读。

随着高坝建设的发展，坝高已经超过300m，在如此高的水压荷载和强烈地震共同作用下，地基中的断层等地质构造与坝体的各种构造在强烈地震过程中，可能会出现张开闭合等现象，高拱坝与地基的材料可能进入非线性状态，甚至会出现不同程度的开裂。为充分了解高拱坝的失效模式与破坏机理，科学合理地评价高拱坝真实的抗震安全度，急需对高拱坝在强烈地震荷载作用下的灾变机理和破损全过程开展研究。本项目主要研究高拱坝在强震作用下的灾变机理与破损全过程。通过混凝土试验与分析研究混凝土的动力特性和本构关系；通过岩体及结构面的动力试验研究坝基动力特性与强度；基于小变形理论建立考虑多种复杂因素的高拱坝真实性态模拟模型，研究高拱坝的开裂破坏及加固机理；基于大变形建立高拱坝的破坏模型，研究高拱坝的溃坝机理；并通过模型试验对成果进行验证；得到各种主要影响因素对高拱坝应力变形状态的影响，为建立高拱坝的设计理论与分析方法奠定基础。