基于粘聚力时变特性的混凝土徐变断裂过程研究

The fracture properties of concrete experience degradation for the structures subject to sustained loading, which depend on the loading duration and stress level. It is not appropriate, for the assessment of stability and safety of structure with initial cracks, to employee the cracking resistance based on instantaneous loading. Therefore, the proposed project will investigate the anti-cracking properties of concrete under sustained loading through measuring time- and stress level-dependent initial fracture toughness and fracture energy. The displacement field development of fracture process zone (FPZ) will be observed under a high stress level. A time-dependent cohesive stress model will be established based on the law of energy conservation, which will be used to study the FPZ evolution in crack propagation. Through combining the creep of concrete around FPZ and time-dependent cohesive characteristic in FPZ, a crack propagation criterion, which can consider the effect of loading duration, stress level and path, will be proposed to develop the numerical method of crack propagation. Furthermore, the numerical method, which is time-dependent and considering the anti-cracking properties of concrete, will be developed to simulate the creep fracture process under different stress levels. It is expected that the investigation in this project will lead to a deep understanding on fracture mechanism of concrete under sustained loading and provide a more effective method to evaluate the carrying capacity and predict the operating lift of concrete structures.

长期负载条件下的混凝土结构，其材料的断裂性能随持载时间及应力水平产生劣化，采用短期荷载作用下建立的材料抗裂性指标无法有效评估长期荷载作用下带裂缝结构的稳定性与安全性。基于此，本项目拟测定时间及应力水平相关的混凝土起裂断裂韧度、断裂能，明确材料抗裂性指标的衰减规律。观测高应力水平持载条件下断裂过程区全场位移变化，结合能量守恒原则建立粘聚力时变效应模型，研究裂缝扩展过程中断裂过程区的演化过程。通过耦合非断裂区混凝土徐变及断裂区粘聚力松弛效应，提出综合考虑持载时间、外部应力水平、应力路径影响的裂缝扩展判定方法，发展在不同外部应力水平下统一的以时间为变量及以材料抗裂性为标准的裂缝扩展过程数值计算方法，实现对长期荷载作用下徐变断裂全过程的数值模拟。本项目的研究将深化对于负载工作条件下混凝土断裂机理的认识，并为混凝土结构物承载能力预测及徐变断裂破坏全寿命分析提供有效手段。

考虑到重力坝通常在水压力持续作用下运行，本项目开展了持续荷载作用下混凝土与岩石-混凝土界面时变断裂行为的试验研究与数值模拟。对混凝土与岩石-混凝土界面开展了不同应力水平与不同持载时间的持续加载试验，通过考虑持载过程中裂缝扩展消耗的能量计算了混凝土真实的断裂能，并对比分析了持载作用对混凝土断裂参数、粘聚本构关系与断裂过程区演化规律的影响；引入Norton-Bailey模型表征混凝土的粘弹性特性，采用J积分法计算了考虑粘弹性的混凝土应力强度因子，并分析了持载作用对混凝土双K断裂参数的影响；采用考虑粘聚应力松弛的虚拟裂缝模型表征断裂过程区内粘聚本构关系的时变性，结合以起裂断裂韧度为判据的裂缝扩展准则判定持续荷载作用下裂缝扩展状态，分析了高水平持载作用下混凝土裂缝扩展全过程。针对岩石-混凝土界面，分析了低水平持载作用下裂缝尖端核心区平均弹性应变能密度与平均徐变应变能密度的变化规律，提出了能量型界面裂缝起裂准则以判定低水平持载作用后界面裂缝的起裂状态；采用数值模拟分析了高水平持载作用下界面裂缝扩展过程，揭示了高水平持载作用下界面裂缝扩展过程、裂缝扩展过程中驱动能量与阻力能量的变化规律、高水平持载作用下裂缝口张开规律，并建立了持载寿命的预测方法。最后，以美国西弗吉尼亚州Kanawha河上的Greyrock混凝土重力坝为分析对象，分析了低于起裂水位的持续荷载作用后界面起裂水位的变化与高于起裂水位的持续荷载作用下界面裂缝扩展过程。本项目的研究成果能为混凝土重力坝服役期间的安全稳定性评价提供参考。