碾压混凝土层间拉伸破坏过程地数值模拟研究

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1、水利学报2005年6月SHUILIXUEBAO第36卷第6期文章编号:0559-9350(2005)06-0680-07碾压混凝土层间拉伸破坏过程的数值模拟研究1，211黄志强，宋玉普，吴智敏(1.大连理工大学海洋与近海工程国家重点实验室，辽宁大连116024；2.沈阳工业大学建筑工程学院，辽宁沈阳110024)摘要：碾压混凝土软弱层的破坏是高碾压混凝土坝稳定性的一个重要问题。应用材料破坏全过程分析的软件系统2DMFPA，充分考虑了碾压混凝土的非均质性的细观结构特征，模拟再现了三种层面处理方式的软弱层的拉伸破坏过程，确定了裂缝的起裂荷载，计算得到了三种碾压混凝土紧凑

2、拉伸试件裂缝的起裂断裂韧度和失稳断裂韧度。研究表明，在所讨论的三种软弱层的处理方式中，最为有效的是下层混凝土终凝后对层面进行凿毛（冲毛）处理；其次是下层混凝土初凝后终凝前，对层面进行铺水泥粉煤灰砂浆的处理；最不好的是下层混凝土初凝后终凝前，在层面上直接铺筑上层混凝土，在施工中要避免这种情况的发生。据此提出了在施工中要尽量避免或减少对下层混凝土层面的过多扰动的建议。关键词：碾压混凝土；软弱层；破坏过程；数值模拟中图分类号：TV642.2文献标识码：A碾压混凝土坝具有众多的层间接缝，由于施工条件、施工方法的限制，以及碾压混凝土水平层面之间胶结强度又受多种因素的影响，往往

3、使水平层面变为薄弱面，试验证明层面的存在削弱了碾压混凝土的各[1，2]项强度指标。由于软弱夹层的存在，使得碾压混凝土坝沿夹层破坏的可能性很大，随着碾压混凝土高坝，尤其是高碾压混凝土重力坝在我国的陆续兴建，对碾压混凝土层间的断裂破坏的研究变得十分重要。文献[3、4]通过原位取样和试验室的模型试验，利用三点弯曲法、四点弯曲法对碾压混凝土层间的断裂破坏进行了试验研究，取得了很好的成果，为大坝层面的设计与施工提供了可靠的依据。利用数值模拟方法对碾压混凝土层间断裂破坏进行数值研究也是一个主要的研究手段，其可以减少试验室和现场的工作量，[5]且耗资少，周期短。黎保琨等在细观层次

4、上将试件看成是由硬化水泥粉煤灰砂浆、粗骨料、二者之间的粘结带及水泥砂浆中间层面形成的非均质复合材料，以随机骨料模型代表碾压混凝土的细观结构，应用非线性有限元法模拟试件的细观损伤断裂。从细观的角度看，构成碾压混凝土材料的每一个微元体可以认为是均匀、连续的介质，但是这些微元体之间的各种力学性质（如弹性模量、单轴抗压强度、泊松比等）可[5]能千差万别，包含缺陷多或少的微元体间表现出很大的离散性。由东北大学岩石破裂与失稳中心开发的2D[6，7]用于材料破坏全过程分析的软件系统MFPA，从混凝土的细观结构入手，考虑了碾压混凝土材料性质的2D非均匀性，认为材料宏观破坏是细观单元

5、破坏的积累过程。MFPA方法采用了Weibull分布来描述微元体的力学属性的离散性，用有限元法进行应力分析，而破坏分析是根据破坏准则判断单元破坏与否,破坏的单2D元采用强度和刚度弱化处理,调整模型的刚度矩阵,然后再进行应力分析,直至材料完全破坏。用MFPA进行碾压混凝土变形与破坏过程的数值模拟，不但可以得到位移场和应力场，而且能够通过逼真的图形显示观2D察到碾压混凝土结构中裂纹的萌生、扩展、贯通直至整个结构破裂的全过程。本文利用MFPA系统，充分收稿日期：2004-06-14基金项目：国家自然科学基金资助项目(50179002)作者简介：黄志强(1971-)，男，黑

6、龙江伊春人，博士生，主要从事水工结构的研究。E_mail:H-ZHQ@163.com1水利学报2005年6月SHUILIXUEBAO第36卷第6期考虑构成碾压混凝土材料的微元体间的力学性质的离散性，从细观的角度对碾压混凝土紧凑拉伸试件的层间断裂过程进行数值模拟。1碾压混凝土的层间细观结构软弱层会对碾压混凝土坝在使用期间的稳定性产生不利的影响，因此有必要对其层间细观结构进行研究。从细观层次来看，在下层碾压混凝土初凝后，随着水化产物的大量生成，水泥浆结构在凝聚结构的基础上形成凝聚-结晶结构网，粒子之间的相互作用不是范德华力，而是化学键力或次化学键力，所以结晶结构破坏后不

7、具有触变复原的性能。这种结构的形式是依靠水化产物粒子之间的交叉结合，或者依靠粒子[3，4]界面上晶核诞生的结果。从对下层混凝土层面的处理手段和层间断裂的试验结果来分析，得到碾压混凝土的软弱层并非是一个面，而是一个界面过渡区，其层间断裂的起伏差约为1～3cm，考虑到施工过程中对上、下层混凝土的扰动的范围将大于此值。本文主要分析如下三种软弱层面。1.1模型Ⅰ软弱层的第一种情形是在下层碾压混凝土初凝后，直接浇筑上层碾压混凝土。这种情况下，由于下层碾压混凝土水化产物结晶结构网的形成，上层碾压混凝土的侵入，将破坏下层中已形成的水化产物之间的化学键，而这种破坏将直接影响层面