混凝土定常与非定常扩展下断裂韧度的研究与应用

摘要

混凝土断裂力学中以应力强度因子或能量释放率为表征的断裂韧度参数一直是研究的重点。混凝土断裂呈现非线性特征，其断裂过程区上的粘聚力对断裂韧度的贡献不可忽略，因此需要关注FPZ上的粘聚力分布。以往通常假定FPZ上的粘聚力分布不随裂缝扩展而变化，称之为定常扩展状态。但是，对FPZ特性研究表明，混凝土的裂缝扩展更接近非定常状态。因此，有必要进一步研究定常和非定常扩展下混凝土的断裂韧度。由于混凝土断裂韧度与FPZ上的粘聚力、软化曲线以及裂缝张开位移密切相关，基于混凝土定常和非定常下断裂韧度的研究，可以推进混凝土断裂力学的发展。本文从混凝土断裂韧度的试验测定方法，混凝土定常与非定常条件下的断裂韧度理论以及混凝土断裂韧度参数的应用这几个方面开展了研究，具体内容如下:
　　1、指出了混凝土断裂试验中应注意的事项。对断裂试验传力途径进行了解析，并分析了加载装置的刚度、支座、传力板形式和加载控制方式对断裂试验结果的影响。
　　2、采用试验和数值模拟数据按定常和非定常扩展计算了KR阻力，研究了不同尺寸试件的KR阻力曲线和FPZ长度的变化规律。结果表明，混凝土FPZ长度随裂缝的扩展先增大后减小，表现为非定常扩展状态。并将混凝土的非定常扩展解释为试件边界的影响。对大尺寸试件，FPZ长度达到最大值时，裂缝尖端距离试件后边界较远，受边界影响小，在FPZ长度达到最大值后裂缝靠近试件后边界前的一段时期内裂缝的扩展可认为是定常状态。
　　3、基于线弹性断裂力学理论，考虑了FPZ上的粘聚力作用推导了以瞬态能量释放率为表征的GR阻力表达式，基于表达式所预测的GR阻力曲线特征可与基于裂缝粘聚力的KR阻力曲线特征对应。采用试验数据对定常扩展的GR阻力表达式进行了验证。
　　4、基于数值试验的裂缝张开位移、粘聚力分布和GR阻力曲线分析得出了混凝土定常扩展发生的大致条件，结果表明混凝土定常扩展发生条件与试件尺寸、软化曲线参数和试件几何形式有关。定常扩展的GR阻力理论可应用于按C∫CTODc0σ(w)dw=(KunIc）2/E的条件粗选软化曲线计算起裂韧度以及确定软化曲线参数。
　　5、对丹江口大坝混凝土钻芯芯样开展了圆柱体楔入劈拉试验，测定了大坝混凝土的双K断裂参数。由于断裂试验所用的钻芯芯样试件尺寸与最大骨料粒径的比值偏小，所测定的双K断裂韧度值偏小，直接用于结构安全性评定具有一定的安全储备。采用数值法和解析法计算了丹江口大坝上游竖向裂缝在水压力作用下的缝端应力强度因子。结果表明，三维数值法可用于精确计算结构外荷载作用下的应力强度因子值，而解析法可大致估算应力强度因子的取值范围，因此具有一定的适用性且方法简便。将水压力作用下的缝端应力强度因子值与混凝土双K断裂参数进行比较，可判定裂缝的稳定性。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 混凝土断裂力学的研究意义

1．2 混凝土断裂力学的发展

1．2．1 混凝土非线性断裂模型

1．2．2 裂缝扩展阻力曲线理论

1．2．3 断裂参数的测定

1．2．4 断裂力学在实际工程中的应用

1．3 问题的提出

1．3．1 混凝土定常与非定常扩展

1．3．2 混凝土裂缝扩展GR阻力理论

1．3．3 断裂能的测定

1．3．4 混凝土断裂力学理论的工程应用

1．4 本文的主要研究工作

1．4．1 技术路线

1．4．2 主要研究内容

2 混凝土断裂韧度试验测试方法

2．1 引言

2．2 楔入劈拉和楔入式紧凑拉伸试验传力装置的设计

2．2．1 整体受力分析

2．2．2 楔入劈拉试验传力板设计

2．2．3 楔形架设计

2．3 支座对断裂试验结果的影响

2．4 试件形式和试件尺寸与所选取的计算公式和公式中变量的一致性

2．5 加载控制方式对试验结果的影响

2．6 本章结论

3 混凝土定常与非定常扩展的KR阻力理论

3．1 引言

3．2 定常与非定常扩展KR阻力曲线计算理论

3．2．1 定常扩展KR阻力曲线计算理论所采用的简化假定

3．2．2 定常扩展KR阻力曲线计算步骤

3．2．3 非定常扩展KR阻力曲线计算步骤

3．3 KR阻力曲线和FPZ长度特征分析

3．3．1 紧凑拉伸试验数据计算结果

3．3．2 三点弯曲梁数值试验数据计算结果

3．3．3 边界效应解释计算结果

3．4 本章结论

4 以瞬态能量释放率为表征的GR阻力理论

4．1 引言

4．2 以瞬态能量释放率为表征的GR阻力的理论推导

4．2．1 克服粘聚力的耗能计算

4．2．2 裂缝扩展单位长度耗能的变化

4．2．3 以能量释放率为表征的三参数关系验证

4．3 定常扩展与非定常扩展下GR阻力

4．3．1 定常下GR阻力表达式

4．3．2 GR阻力曲线特征理论预测

4．3．3 定常扩展GR阻力理论验证

4．4 本章结论

5 混凝土定常扩展判定及定常GR阻力的理论应用

5．1 引言

5．2 数值试验概况

5．3 基于裂缝张开位移和粘聚力分布的定常扩展判定

5．4 基于GR阻力曲线的定常扩展判定

5．4．1 GR阻力曲线的计算

5．4．2 定常扩展的判定

5．5 定常扩展GR阻力的理论应用

5．5．1 粗选软化曲线计算起裂韧度

5．5．2 确定软化曲线参数

5．6 本章结论

6 混凝土双K断裂参数在丹江口大坝工程中的应用

6．1 引言

6．2．2 圆柱体楔入劈拉试验概况

6．2．3 双K断裂参数的计算与结果分析

6．3 水压力下缝端应力强度因子的计算

6．3．1 裂缝情况

6．3．2 解析法计算应力强度因子

6．3．3 数值法计算应力强度因子

6．3．4 数值法与解析法计算结果对比

6．4 裂缝稳定性分析

6．4．1 新加高坝体上游竖向裂缝稳定性分析

6．4．2 老坝体上游竖向裂缝稳定性分析

6．4．3 裂缝稳定性分析结论

6．5 不同加固方案对缝端应力强度因子的影响

6．5．1 压力灌浆对缝端应力强度因子的影响

6．5．2 防渗加固对缝端应力强度因子的影响

6．6 本章结论

7 结论与展望

7．1 本文工作总结

7．2 本文创新点

7．3 本文展望

参考文献

作者简历和科研成果