地震及高水压下混凝土坝断裂行为的扩展有限元法研究

This project studies on extended finite element methods to investigate fracture behavior of concrete dams under seismic loads and high water pressure. The main works contain: (i) interaction mechanism between cracks inside concrete dams and water pressure under seismic loads; (ii) contact problem when the pressurized crack surfaces inside concrete dams under seismic loads are closed; (iii) a theoretical model for predicting crack propagation path of concrete dams under seismic loads and high water pressure. Through the investigation of these fundamental issues, a theoretical prediction model will be developed for water pressure variations along crack inside concrete dams under dynamic loads, an effective method will be exploited for satisfying contact conditions between crack surfaces under reciprocating loads, and a criterion will also be postulated for fracture-path prediction under dynamic loads.Then, the accurate simulation of the process for crack initiation and propagation when the concrete dam with cracks is subjected to seismic loads and high water pressure can be performed. The outcome of this project has an important significance in aspects of revealing the hydraulic fracturing mechanism of crack inside concrete dams under seismic loads and understanding failure mechanism of concrete dams with cracks under seismic loads and high water pressure.

本项目拟发展和完善扩展有限元的理论和方法观察地震及高水压下混凝土坝的断裂行为。项目主要研究内容包括：(1) 地震下混凝土坝裂缝内水压作用机制研究；(2) 地震往复荷载下混凝土坝有压裂缝面闭合时的接触问题研究；(3) 地震及高水压下混凝土坝裂缝开裂扩展路径的预测模型研究。通过这些研究，构建动载下裂缝内水压分布规律的预测模型，建立有效的往复荷载下裂缝张开-闭合的数值处理方法以及确定动载下裂缝开裂扩展的判别准则，实现地震及高水压下混凝土坝裂缝开裂扩展全过程的精确模拟。研究成果对揭示地震动荷载下混凝土坝内裂缝的水压作用机制及正确认识地震及高水压下混凝土坝断裂破坏机理有重要的意义。

本项目通过研究动载下混凝土既有裂缝面水压分布规律并发展动载及有压水下水工混凝土结构裂缝开裂扩展过程追踪的扩展有限元法，研制了实用的动力扩展有限元程序，实现了动载及有压水下水工混凝土结构裂缝开裂扩展全过程的模拟，建立了水工混凝土结构断裂破坏分析的理论和方法。项目研究采用理论分析、数值模拟与试验相结合的方法进行，以数值模拟为主，辅以部分试验研究，主要用于验证数值结果的正确性，项目主要研究工作包括：（1）动载下混凝土结构开裂扩展的有效数值方法研究。构建了新型的动力扩展有限元法位移模式，发展了动力扩展有限元的理论和方法模拟动载下裂纹生长过程。（2）动载下混凝土结构裂缝内水压作用机制研究。研究了动载下混凝土结构裂缝的力学行为，裂缝扩展与内水压及外载的作用机制，搞清了动载下混凝土结构裂缝面的水压分布规律，建立了裂缝面动水压分布的理论预测模型。（3）动载下混凝土结构有压裂缝面闭合时的接触问题研究。研究了有压裂缝面在动载下张开-闭合的力学行为，建立了裂缝面闭合时法向/切向的接触本构模型，构建了有效的往复荷载下裂缝面张开-闭合的数值处理方法。（4）动载下混凝土结构裂缝开裂扩展路径的预测模型研究。精确计算了动载下裂缝扩展过程中缝端的断裂参数(动态应力强度因子)，研究确定了复杂条件下混凝土结构裂缝开裂扩展的判别准则，预测裂缝开裂扩展路径。（5）混凝土水力劈裂试验研究。研制了混凝土水力劈裂实验的新型密封装置，通过实验得到了动载作用下的混凝土裂缝面的水压分布。项目开展的动载及有压水下混凝土裂缝开裂扩展机理及模拟分析方法的研究具有重要的理论意义和工程应用价值，研究成果可广泛应用于水工混凝土结构的设计、施工和安全评价，为水工混凝土结构的建设和安全评价提供科学依据。