全级配大坝混凝土裂缝开展机理及失稳扩展特性研究

The problem of concrete dam cracks has been a major topic in hydropower construction in the world due to the importance of dam safety. In general, many experiments must be done to research on the fracture characteristics of materials. However, it is very difficult to get a lot of information about the fracture properties of fully-graded aggregate dam concrete because of requiring some special experimental procedure. Unlike brittle material, the deviation of the fracture behavior of concrete from LEFM is existence of fracture process zone that is not small enough compared to the structure dimensions. In this project, some inverse analysis will be completed around the microstructure and macroscopic behavior of the fracture process zone in concrete fracture, based upon in-situ tests and laboratory experiments. A damage constitutive formulation will be constructed at a mesoscopic level in order to exposit the internal mechanism and evolution law and a stress-displacement law that exhibits softening in the fracture process zone will be presented at a macroscopic level. The relationship between the shear displacement and the normal displacement on the crack surface will be explored by making use of the shear strength on crack surface obtained from mesoscopic analysis and the geometric properties of cracks through fractal study. Crack propagation criteria will be investigated in mixed-mode fracture and evolution of crack growth will be revealed. In addation, to meet the fracture analysis for concrete dams, a set of laboratory experiments approach need be proposed to avoid the effect of scale-effect on specimen in laboratory.

由于混凝土大坝的重要性，大坝裂缝问题一直是各国水电建设中的重大研究课题。一般材料断裂特性的研究都是要建立在大量试验基础上的，但限于实验手段和设备要求，要获得充分的全级配大坝混凝土断裂力学特性是很困难的。不同于一般脆性材料，混凝土断裂伴随着相对较大范围的断裂过程区的出现，使得线弹性断裂力学不能直接应用，其断裂特性表现为非线性行为。本项目以现场试验和室内试验为基础，借助反演数值分析计算，围绕混凝土断裂过程区的微细观构成和宏观特性，从细观层面上建立材料单元损伤本构关系，揭示裂纹发生发展的内在机理及演变规律，从宏观层面上建立混凝土断裂过程区非线性软化本构关系，并通过对实验室小试件尺度效应的分析研究，提出能满足大坝断裂分析计算所需的配套室内实验方法。利用细观分析的裂面剪切强度和分形研究的裂面几何性态，研究裂面剪切位移与法向位移的内在关系，建立混合断裂模式下的断裂准则，从而揭示出裂缝扩展演化规律。

作为大坝建设所用的全级配混凝土因其拥有大到150 mm的粗骨粒，其许多力学性能与普通混凝土不同。时至今日，虽然对普通混凝土断裂特性展开了大量的研究，但针对全级配混凝土的研究还很少。一些研究表明，混凝土断裂能和断裂韧度会随骨料尺寸的增大而增大，这意味着全级配混凝土的断裂性能与普通混凝土会有很大区别。针对全级配混凝土断裂特性的研究至为重要。.本项目针对全级配混凝土，系统地研究了其断裂特性和破坏机理，其研究内容和主要成果如下：.① 在细观层面上，将混凝土视为由砂浆基质、粗骨料和两者间的界面过渡区（ITZ）组成的三相复合材料，通过各组相材料各自单独的试验研究和整体复合材料的理论分析，提出了适合混凝土细观分析计算的本构模型，同时开发了细观模型生成软件，使细观分析复杂的几何问题变得程序化，大大提高了使用人员的工作效率。.② 在宏观层面上，通过九组楔入劈拉试验和三组三点弯曲试验，以及相应的湿筛试验，分析研究了试件断裂尺寸效应和形状效应，建立了室内小试件与大尺寸试件断裂参数的相关关系。根据试验结果进行的重复数值计算，提出了一种用于反演拟合断裂软化曲线的优化算法。进一步的研究证明了这种算法适合全级配混凝土断裂的室内试验模拟。.③ 对于混合型断裂模式，在宏观层面上建立了一个考虑断裂过程区剪切机理的模型，这个模型设定缝面剪力作用是在法向裂面张开位移达到一定量值时才起作用，这个量值通过相应的四点弯曲试验进行了确定。与此同时，从细观层面上，提出了一个改进的ITZ本构模型，能全面模拟各种工况条件下的断裂数值试验。.本项目的所有研究成果对全面准确地弄清实际工程中的大坝混凝土起裂、稳定开展直至失稳破坏全过程具有重要的应用价值。