混凝土断裂过程区及裂缝亚临界扩展的时变演化机理

在一定应力腐蚀条件下，混凝土裂缝尖端的微裂缝会萌生、扩展、贯通和汇合促成断裂过程区的演变及裂缝的亚临界扩展，此过程长期发展累积有可能引发失稳断裂。因而可以认为断裂过程区及裂缝亚临界扩展的时变规律决定了混凝土材料的延迟断裂行为。为此，本项目将基于断裂、损伤力学和亚临界扩展理论，采用理论分析、试验测试与数值计算相结合的方法，对该问题进行深入研究。开展混凝土基本力学试验和I型、II型及I-II复合型裂缝的亚临界扩展试验，获取基本力学参数、裂缝扩展准则和亚临界扩展速度参数，观测断裂过程区的时变规律，建立既能考虑微裂缝随机分布、材料成份各向异性，又能模拟特定荷载下断裂过程区及裂缝亚临界扩展随时间而变的精细化数值模型，预测混凝土的延时断裂行为，揭示混凝土断裂过程区及裂缝亚临界扩展的时变机理。成果有望为裂损混凝土结构裂缝的长期扩展及稳定性分析提供一种新的方法。

大型水工混凝土建筑物的安全性是工程界极为关注的问题，以往的研究大多集中于混凝土的裂缝扩展，对于岩石-混凝土界面裂缝扩展过程的研究则很少。本项目拟采用试验、理论分析及数值模拟，开展基于非线性断裂力学的岩石-混凝土界面在拉剪应力下裂缝扩展全过程分析。首先通过试验研究岩石-混凝土界面断裂过程区软化本构关系、界面断裂参数，建立界面裂缝扩展准则。借助图像相关及高速摄像等现代测试手段，观测岩石-混凝土界面断裂破坏过程、界面裂缝张开及剪切位移，研究裂缝发展过程中尖端附近断裂过程区的变化规律。建立外荷载、裂缝闭合力在裂缝尖端引起应力强度因子与开裂准则的关系，研究在复杂应力场下，裂缝尖端应力变化特征。发展基于虚拟裂缝粘聚力的分离裂缝模型，结合理论分析实现对界面裂缝起裂、稳定扩展、失稳破坏的全过程模拟，并与试验结果进行对比，进而将此成果应用于混凝土重力坝坝体与岩基界面的裂缝稳定性分析。

粗骨料的随机分布造成混凝土材料的不均质性，影响裂缝扩展规律，进而改变混凝土宏观断裂特性，这在全级配大骨料混凝土中体现得尤为明显。本项目拟采用宏观断裂力学从细观层次研究裂缝扩展过程，提出以应力强度因子为参量的复合型裂缝扩展准则，以判别混凝土不同介质（砂浆、骨料及界面）在复杂应力场下裂缝扩展模式，重点研究裂缝尖端遇到骨料时产生的三种扩展路径，即裂缝穿过骨料、沿界面扩展至砂浆及沿界面扩展至骨料，以及不同扩展路径对裂缝演化、宏观断裂性能的影响。通过试验研究界面软化本构关系、细观断裂过程区形成机理，在此基础上探讨混凝土细观结构与宏观断裂能之间的关系，发展基于细观层次的虚拟裂缝粘聚力的分离裂缝模型，结合理论分析实现对裂缝起裂、稳定扩展及失稳破坏的全过程模拟。本项目提出的方法克服了宏观力学无法解释裂缝扩展规律及细观力学难以获取界面力学参数的困难，为评价全级配大骨料混凝土结构安全性提供了一个新的思路。

按照项目书的研究内容，对岩石-混凝土界面试件进行了轴向拉伸和三点弯曲梁试验,研究粗糙度对界面断裂特性的影响，建立了界面软化本构关系。以界面粗糙度为参量，结合界面三点弯曲试验所得的荷载-位移曲线，采用改进的J积分法计算裂缝扩展的能量损耗，建立了基于虚拟裂缝粘聚力能量守恒关系。通过归一化拟合建立的挠度、裂缝张开宽度及裂缝扩展长度关系，最终确定了岩石-混凝土界面的拉伸软化本构曲线，并提出指数型和双线型的粘聚力表达式。本项目所得的界面软化本构关系只与界面抗拉强度和断裂能有关，可以应用于不同粗糙度界面的断裂计算中。采用四点剪切型试件进行岩石-混凝土界面断裂试验，研究不同加载方式、缝高比、偏缝率下界面裂缝的扩展过程。试验结果表明，处于界面中的裂缝将随工况的不同呈现三种扩展模式：沿界面扩展、向岩石扩展以及沿界面扩展一段后转向岩石扩展。采用界面断裂力学的方法计算裂缝尖端应力强度因子，提出了能预测裂缝发展不同模式的界面裂缝扩展准则，结合之前试验得到的岩石-混凝土界面的拉伸软化本构曲线，进而通过有限元方法对四点剪切加载条件下界面裂缝扩展过程进行模拟，结果表明：在得到界面、混凝土与岩石的抗拉强度、断裂能和起裂断裂韧度后，可以采用本项目提出的方法预测裂缝扩展的不同模式，数值求解岩石-混凝土界面裂缝在Ⅰ-Ⅱ复合型应力场下的起裂荷载、极限荷载、裂缝扩展长度等断裂参数，模拟裂缝扩展全过程。同时以本项目的研究内容为依托，对研究内容进行了扩展，作为界面裂缝扩展的特例，将本项目提出的裂缝扩展准则应用于混凝土材料的裂缝扩展研究，实现了混凝土裂缝扩展全过程的模拟，并在此基础之上提出了基于起裂断裂韧度的KR阻力曲线计算方法。对三点弯曲荷载条件下及限制收缩条件下的混凝土裂缝扩展进行了研究，通过对比P-CMOD曲线及混凝土开裂龄期，计算结果与试验结果温和良好，证明了本项目提出的方法不仅可以应用于界面的裂缝扩展，也可以用于单一介质的裂缝扩展研究，进一步扩展了成果的应用范围。 2100433B