混凝土坝体裂缝多尺度研究与数值模拟

由于西南、西北地区地质条件复杂并且是高烈度地震频发地区。这就对这一地区的混凝土坝体的数值模拟和实验方法提出了更高要求。混凝土的破坏过程是非线性破坏过程，所以对混凝土坝的力学分析过程中不能忽视混凝土强度软化的影响，而混凝土强度的软化主要是由于混凝土多尺度裂缝的开裂引起的，所以对于混凝土坝体的多尺度裂缝的开裂的研究是非常重要的。本项目针对混凝土坝体裂缝的多尺度特征进行研究。采用分形等理论对混凝土坝体裂缝在多尺度下的数学和力学关系以及扩展机理进行研究。在此基础上采用损伤理论、断裂理论以及比例边界有限元与有限元耦合分析技术建立地震荷载作用下混凝土坝体的多尺度裂缝开裂和扩展的数值模拟模型，并对其进行实验分析。该成果可以广泛应用于水工混凝土大型结构、岩体大型结构的施工以及安全评价中，如重力坝、拱坝、基岩、地下岩质隧道、岩质边坡等。该成果不仅具有理论意义，而且具有重要的实用价值。

为满足巨大的能源需求，一批混凝土重力坝项目将要在我国多震的西南地区建设开工。这些工程库容达数十亿到数百亿立方米，并且大部分处于强烈地震活动区，若发生破坏将带来严重的后果。混凝土的破坏过程可以看作是不同尺度的裂缝相互影响的结果。所以研究静动力条件下，不同尺度下的裂缝之间的关系，不同尺度的单元的连接、内嵌等问题对解决准脆性材料的破坏过程是十分有意义。对水工结构的多尺度问题研究是基础性前沿课题。本报告研究内容主要包括以下方面：.1.对混凝土材料的多尺度性质进行研究。这一内容的研究主要分为以下几个方面：①基于分形理论的数值模拟混凝土材料的多尺度破坏裂纹关系的研究；②建立多尺度EFG模型模拟混凝土材料破坏性质的研究；③基于开尔文黏弹性本构对混凝土时间多尺度的破坏性质的数值模拟的研究；④对混凝土的大尺度弹塑性损伤本构的研究；.2.对结构单元的多尺度性质进行研究。这一内容的研究主要分为以下几个方面：①基于多尺度有限元和扩展有限元理论对带孔的结构裂纹的进行多尺度单元开发的研究；②样条小波有限元法在地基的动态响应的研究；③新的多尺度重叠网格算法的研究；④基于蜂群-神经网络的子结构振动控制算法的研究；⑤对拱坝坝段不同尺度单元剖分的横缝单元的研究。.3.对复杂层地基的多尺度性质进行研究。这一内容的研究主要分为以下几个方面：①对含节理的岩体的滑坡模式的研究；②基于多向透射边界理论对饱和无限地基的人工边界进行研究和开发；③地震动多尺度的合成及输入方式的研究；④含节理岩体的多尺度本构的研究。.通过以上研究，系统的研究了混凝土坝体的多尺度问题，为工程设计人员有针对性地采取工程措施进行水工结构抗震设计提供参考。