混凝土裂缝修复宏细观试验研究项目摘要

裂缝是混凝土坝的主要病害之一，它的存在对坝体结构安全、大坝使用功能和耐久性等方面将产生重大不利影响。处理裂缝的材料和工艺种类繁多，在工程实际应用过程中，由于对裂缝成因、裂缝修复材料工作机理等认识不清，有时会产生裂缝修复材料选择不当、处理方案与时机选择不合适，相关工序实施不到位等问题，造成的结果往往是裂缝修复效果不理想，甚至还会出现更严重的破坏，在造成巨大经济损失的同时也给工程安全带来了严重隐患。本项目通过宏细观试验，揭示水、微观结构和应力状态对混凝土裂缝修复性能影响的规律。以试验结果为基础，建立考虑含水量、微观结构和应力状态等条件的裂缝修复材料侵入混凝土的过程模型；并分析裂缝修补后，水再次渗入等过程的影响。在这些研究工作的基础上，综合相关资料文献，初步建立混凝土裂缝修复分析、处理与评价体系，为我国各类混凝土裂缝处理过程中修复材料选择更合理、修复工艺实施更有效提供技术支持与保障。

裂缝是混凝土坝的主要病害之一，它的存在对坝体结构安全、大坝使用功能和耐久性等方面将产生重大的不利影响。处理裂缝的材料和工艺的种类繁多，在工程实际应用过程中，由于对裂缝成因、裂缝修复材料工作机理等认识不清，有时会产生裂缝修复材料选择不当、处理方案与时机选择不合适，相关工序实施不到位等问题，造成的结果往往是裂缝修复效果不理想，甚至还会出现更严重的破坏，在造成巨大经济损失的同时也给工程安全带来了严重隐患。本项目开展了混凝土裂缝成因分析工作；通过宏细观试验，揭示水、微观结构和材料对混凝土裂缝修复性能影响的规律；在试验研究的基础上，应用现有断裂力学理论及建立了裂缝修复混凝土断裂理论模型；初步建立了混凝土裂缝分析、修复与评价体系。XYPEX 水泥基渗透结晶型防水材料由于其良好的自愈合性能和防水性能而应用于混凝土裂缝修复，潮湿和水分充足的养护条件对混凝土裂缝修复更有利；研究了开裂孔隙材料的渗透性变化规律，研究成果表明渗透性在逾渗阈值附近发生跳转，呈现出明显的逾渗特征，可以利用此规律来确定裂缝修复时所采用的灌浆压力；对低场核磁共振仪器进行改进，发展了可以准确得到试样内总含水量以及含水量一维分布的方法，为混凝土结构裂缝修复进一步深入研究开辟了新的视角；针对双材料界面区建立了界面层单元，基于位移解析解推导了新型的单元形函数，并采用细观元法构建了单元刚度，能够模拟单元内复杂的材料变化及局部高变形梯度行为，为裂缝的细观力学模拟提供了支撑；建立混凝土裂缝断裂修复的理论模型，提出了裂缝扩展全过程的分析方法，开展了裂缝修复混凝土三点弯曲梁断裂全过程开展了数值模拟研究，通过不同类型环氧树脂材料及不同尺寸的三点弯曲梁试验和数值模拟结果对比，表明本项目的理论计算模型具有较好的适用性。项目的开展为我国各类混凝土裂缝处理过程中修复材料选择更合理、修复工艺实施更有效提供支持。

本项目的研究旨在加筋土体模型试验研究的基础上，利用数字图像细观量测与处理技术，结合颗粒流数值仿真模拟和离心机试验验证相融合的技术，从细观层面揭示土工合成材料与土界面的宏细观的内在机理。主要研究内容包括：（1）通过观察模型试验中加筋体与邻近土颗粒间和剪切破坏带在荷载传递过程中土体颗粒微细观的变化，揭示土工合成材料与土界面的宏细观规律（2）采用非圆形颗粒，通过对试验结果进行细观数值模拟，建立土体和加筋材料接触面细观数值模型，获取相应的细观参数。研究土工合成材料与土相互作用细观与宏观力学之间的关系。（3）对加筋土离心机试验过程进行颗粒流仿真模拟，分别比较从数值模拟和离心机试验得到加筋材料的应力应变和加筋土体位移场、应力场，验证颗粒流仿真模型。本项目研究成果不仅能为加筋界面特性机理的研究提供新的思路，而且还能为加筋土工结构滑移、破坏与稳定分析等实际工程提供细观力学解释。 2100433B

泥石流研究是当前热点课题之一，而泥石流机理比较复杂，单从宏观或连续角度研究泥石流机理可能会遇到瓶颈。本申请项目在前期研究的基础上，利用可视化细观测试分析系统，通过室内模型试验、离心机模型试验和非饱和数值模拟，从细观层面揭示滑坡型泥石流形成及局部护坡治理的宏细观机理：(1)研究滑坡型泥石流形成的关键因素，揭示缩尺条件下滑坡型泥石流的宏细观力学机理；(2)揭示接近实际应力场条件下滑坡型泥石流形成过程的颗粒细观组构演化规律和宏观力学特性，建立滑坡型泥石流细观和宏观力学参数之间的联系；(3)考虑泥石流的非饱和特性，建立能反映非饱和特性的分析模块，提出泥石流非饱和离散-连续耦合数值分析方法；(4)从细观角度研究滑坡型泥石流局部护坡治理的宏观力学特性，揭示滑坡型泥石流局部护坡治理的宏细观机制。本研究可为滑坡型泥石流形成机理和治理机制的深入研究提供细观力学基础，还可为泥石流减灾提供理论依据。

本项目旨在通过含粉粒夹层的层状砂土液化可视化动三轴试验、颗粒流数值模拟和离心模型试验验证，揭示粉粒夹层厚度对层状砂土液化影响的宏细观机理，主要研究内容包括：（1）利用显微数码摄像可视化跟踪技术和数字图像变形量测技术，获取层状砂土液化过程中界面处砂粒和粉粒的细观组构特征及其演化规律；（2）利用离散单元法中的颗粒流理论，在细观尺度上考虑颗粒离散元与流体动力学耦合，建立饱和层状砂土液化细观数值模型。(3)利用层状砂土颗粒流数值模型，就粉粒夹层厚度对饱和层状砂土液化特性影响的宏细观机理进行系统研究，分析宏细观力学量之间的内在联系，从细观角度入手探讨饱和层状砂土液化的宏细观力学机理，并用离心机试验对模拟结果进行验证。本项目的开展不仅能够为砂土液化研究提供新思路，提升人们对含粉粒夹层饱和层状砂土液化机理的认识，而且还能为砂沸、液化后大变形等现场液化现象提供细观力学解释。