动载及高水压下混凝土非均质材料开裂扩展机制研究

A theoretical prediction model is expected to be developed for water pressure variations along a concrete crack when the concrete model is subjected to dynamic loads and high water pressure. The dynamic extended finite element methods are also expected to be improved for simulating the process of crack initiation and propagation under dynamic loads with cracks inside a non-homogeneous concrete. The emphases contain: (i) an appropriate construction of the enrichment functions for the concrete material with complex discontinuous interfaces including aggregates, mortar, interface, voids and cracks; (ii) efficient numerical integration methods at the discontinuity; (iii) a method of satisfying contact conditions between crack surfaces. Then, the accurate simulation of the process for concrete crack initiation, instability, and propagation under dynamic loads and high water pressure can be performed. In addtion, an effective test system will also be developed to investegate experimently the process of concrete crack initiation and propagation under dynamic loads and high water pressure. The experimental results can provide a verification for the developed prediction model of water pressure variations along a pressurized concrete crack and the numerical model for simulating concrete crack initiation and propagation. The outcome of this project has an important significance in aspects of revealing the hydraulic fracturing mechanism of pressurized concrete under dynamic loads and understanding fracture characteristics and dynamic failure mechanism of concrete structures with cracks under dynamic loads and high water pressure.

建立动载及高水压下混凝土裂缝内水压力分布的预测模型；发展动力扩展有限元法的理论和方法模拟非均质混凝土材料裂纹动态开裂扩展过程，重点包括：骨料相、砂浆相、界面相、孔隙相和裂纹面等复杂界面存在时扩展有限元富集函数的构建方法、不连续处的数值积分技术、裂纹的张开-闭合处理技术，实现动载及高水压下混凝土裂缝起裂、扩展失稳过程的精确模拟；研制有效的动载及高水压下混凝土断裂扩展的实验装置并开发先进的测试技术，为有压混凝土裂缝内水压分布的预测模型及裂缝开裂扩展模拟的数值模型的合理性提供可靠的依据。研究成果对揭示动载下有压混凝土水力劈裂效应的作用机制，正确认识动载及高水压下有缝混凝土结构的断裂特性和动力破坏机理有重要的意义。

300米级高混凝土坝在静载下坝体均有不同程度的裂缝存在，在高水压和强烈地震作用下这些裂缝有可能会进一步开裂扩展，甚至发生断裂破坏，极大地影响高混凝土坝的安全性。本项目针对动载及高水压下混凝土非均质材料的扩展机制开展研究，主要围绕动载及高水压下混凝土裂缝面水力劈裂效应力学作用机制、非均质混凝土材料裂缝动态扩展模拟的新方法和动载及混凝土水力劈裂扩展实验系统研制开展工作。. 构建了可考虑孔洞、夹杂以及微裂纹等多重不连续存在时的扩展有限元法位移模式，建立了有限体积法和扩展有限元法的耦合模型，对动载下混凝土水力劈裂试件进行系列数值模拟，取得了与试验较为一致的结果，得出了动载下不同时刻裂缝面水压分布，研究了裂纹面水压力的分布形式对裂纹断裂扩展路径的影响；发展了基于四叉树网格的新型比例边界有限元法，建立了有限体积法和比例边界有限元法的耦合模型，并首次对比例边界有限元法求解裂纹面接触问题进行了研究。在水力劈裂试验方面， 针对常用的环氧树脂胶密封装置存在的缺陷，研制了新型的水力劈裂实验的密封装置，并成功进行了多组水力劈裂试验。. 通过研究，建立了动载及高水压下混凝土裂缝开裂扩展过程追踪的理论模型和方法，实现了动载及高水压下混凝土裂缝起裂、扩展、失稳过程的精确模拟；研制了有效的动载及高水压下混凝土断裂扩展的实验装置，基于有关试验建立了不同加载速率下缝内水压模型，有效揭示了动载下混凝土水力劈裂效应的作用机制。. 研究成果共发表研究论文20篇，其中SCI检索论文8篇，出版专著2部。获授权发明专利3项。培养博士（硕）研究生6名。部分成果获云南省科技进步奖1项。研究得到的有关成果受到有关国际同行的好评。试验得到的不同冲击加载速率下（缝口张开速率）缝内水压分布与扩展规律已引起国内外多个高校课题组的兴趣，多个国外高校有关课题组(Universityof Illinois,USA)来信咨询有关试验方法并索要有关试验数据，目前试验成果已提供英国Durham University Charles Augarde教授等课题组作为数值模型验证。