岩石—混凝土界面裂缝扩展过程的试验与数值研究
发布时间：2019-07-22 07:58
【摘要】：建立在岩石基础上的混凝土结构物,岩石与混凝土界面处的裂缝对结构安全性能影响最大。由于岩石与混凝土本身的非均质、非线性及各向异性,加之外界荷载、温度变化等因素的影响,使得界面处裂缝既可能沿交界面扩展也可能向混凝土或基岩扩展,这不仅威胁着结构的正常使用更有可能对结构造成倾覆性的破坏。因此,研究界面裂缝的断裂特性及裂缝扩展全过程有着重要意义。本文结合界面力学相关理论,采用三点弯曲梁对界面断裂基本参数进行了采集；采用四点剪切梁试件研究了不同缝高比、偏缝率、加载方式下的岩石-混凝土界面裂缝的扩展全过程,获得了较为典型的裂缝扩展模式；采用有限元方法对四点剪切条件下裂缝扩展全过程进行模拟,数值结果与试验结果较为一致。具体内容如下：(1)自然界面下裂缝断裂特性试验研究采用三点弯曲加载方式获得岩石自然断面,放入模具中浇筑混凝土制作复合试件,试件尺寸为100mm×100mmx500mm。通过对五种缝高比下的界面试件进行三点弯曲试验获得起裂荷载和最大荷载,并计算了界面的断裂韧度和断裂能等参数。试验结果表明,随着缝高比的增加,起裂荷载和最大荷载都逐渐减小；起裂韧度和断裂能基本不随缝高比的变化而改变,可以认为是与试件尺寸无关的材料常数。(2)自然界面下裂缝扩展全过程试验研究本次试验采用100mm×100mmx500mm的梁式试件,一侧为岩石,另一侧为混凝土。采用四点剪切梁试件,对加载方式、缝高比和偏缝率进行变量控制,得到了裂缝扩展的不同模式,研究了各种工况下模态比与裂缝扩展模式的关系,结果表明：随着模态比的增大,界面裂缝会逐渐倾向于向岩石扩展。(3)四点剪切条件下裂缝扩展全过程的数值模拟采用界面断裂力学的方法计算裂缝尖端应力强度因子,提出了能预测裂缝扩展不同模式的界面裂缝扩展准则。通过有限元方法对四点剪切加载条件下界面裂缝扩展全过程进行模拟,数值结果与试验结果吻合良好。结果表明：在得到界面、混凝土与岩石的抗拉强度,断裂能和起裂断裂韧度后,采用本文提出的方法能够准确预测裂缝扩展的不同模式,数值求解岩石-混凝土界面裂缝在Ⅰ-Ⅱ复合型应力场下的起裂荷载、极限荷载、裂缝扩展长度等断裂参数,对裂缝扩展全过程进行数值模拟。
【图文】：
Ｆｉｇ．邋１．３邋Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ邋ｃｒａｃｋ邋ｔｉｐ邋ｓｔｒｅｓｓ邋ａｎｄ邋ｃｒａｃｋ邋ｏｐｅｎｉｎｇ邋ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ逡逑由于双材料常数ｓ的符号以及应力强度因子的定义统一性的要求，必须注意应始终逡逑将界面裂纹和裂尖置于图１．２所示的位置，并注意材料１、２的取法。由此可知，裂尖逡逑附近的应力和位移分布如图１．３所示，裂尖附近应力会发生振荡，因而称之为应力振荡逡逑区，，振荡应力的包络线呈１／７＾＾分布。裂缝尖端处的裂纹面发生相互嵌入现象，称之为嵌逡逑入区，振荡区外的区域称为振荡影响区，该区域为界面裂缝尖端奇异应力场的支配区。逡逑－６邋－逡逑
【图文】：
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