岩石-混凝土界面裂缝扩展过程的非线性断裂分析

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。

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。