岩石—混凝土界面断裂特性与界面拉伸软化本构关系试验研究

摘要

建立在岩石基础上的混凝土大坝，由于基岩-混凝土界面开裂问题，易引发坝体失稳等安全事故。混凝土坝与基岩的薄弱界面在荷载、水流及温度变化等作用下极易产生裂缝并沿建基面不断扩展，直至坝体渍决。因此，坝踵处坝体与基础岩石的开裂可归结于基岩-混凝土界面开裂问题。然而，岩石和混凝土两种材料本身具有的非均质性与各向异性等属性加深了界面裂缝问题的复杂程度。因此，对岩基与混凝土坝体的界面断裂性能及其裂缝扩展问题进行研究，对大坝的安全使用具有重大意义。基于基岩-混凝土界面裂缝问题研究的必要性，本文开展了如下的研究工作:
　　(1)人工切槽界面断裂特性试验研究均采用一半为岩石一半为混凝土的界面复合试件，对岩石表面进行人工切槽处理，对尺寸为500mm×100mm×100mm的复合试件进行了三点弯曲断裂试验，同时进行了轴向拉伸与劈裂试验。试验结果表明，随着界面粗糙度的增加，岩石-混凝土界面的抗拉强度、断裂韧度及断裂能均有大幅度提高，可以通过增加界面粗糙度的方式来提高界面的抗弯及抗裂性能。
　　(2)自然界面断裂特性试验研究通过三点弯曲加载试验使岩石形成自然断面，并将其与另一半混凝土结合制成复合试件，按预制裂缝设计5种初始缝高比a0/D，对尺寸为500mm×100mm×100mm界面试件进行三点弯曲试验。试验结果表明，随着a0/D的增加，试件的起裂荷载和最大荷载逐渐减小，抗折强度逐渐增大;试件的起裂韧度的和断裂能不随a0/D变化，认为是与a0/D无关的断裂参数。
　　(3)界面拉伸软化本构关系的确定及数值应用采用改进的J积分法，通过试验获得的荷载-力口载点位移(P-δ）曲线，进而根据裂缝扩展过程中的能量损耗，建立与Hillerborg提出的粘聚力模型下的能量平衡关系，确定了界面软化本构关系。采用本文得到的软化本构关系，并引入Ⅰ型裂缝扩展准则，对岩石-混凝土界面裂缝扩展全过程进行数值模拟。研究表明，试验结果与数值计算结果吻合良好，从而验证了界面软化本构关系的正确性。