岩石—混凝土界面剪切本构关系研究与工程应用.doc

岩石—混凝土界面剪切本构关系研究与工程应用大坝是重要的水工建筑物,坝体在正常使用状态下会承受自重、水流、温度等荷载作用,坝踵与基岩的交界面在这些荷载作用下容易产生应力集中从而萌生裂缝,影响大坝整体的稳定性,因而对岩石-混凝土界面的裂缝扩展问题进行研究是很有必要的。同时由于界面两侧材料的差异性以及界面裂缝受力的复杂性,考虑复合应力状态的界面裂缝扩展问题研究对于评价大坝的整体安全稳定具有重要意义。为了研究岩石-混凝土界面在复杂应力状态下的裂缝扩展过程,本文进行的工作如下:(1)不同粗糙度岩石-混凝土界面断裂特性研究采用18根岩石-混凝土复合试件,尺寸均为500mm×100mm×100mm,一半岩石一半混凝土。采用在岩石表面机械切槽的方式制取了6种界面粗糙度,进行标准三点弯曲梁试验并测量断裂参数。利用ANSYS和试验测得的起裂荷载计算界面Ⅰ型起裂断裂韧度,利用公式计算界面Ⅰ型断裂能。试验结果表明,随着粗糙度的提高,界面的抗拉强度与起裂断裂韧度不断提高,而界面Ⅰ型断裂能先增大后保持不变。(2)岩石-混凝土界面剪切本构关系试验研究采用42个岩石-混凝土单面剪切试件,混凝土部分尺寸为150mm×150mm×150mm,岩石部分尺寸为160mm×50mm×10mm,界面自然粘结且共有6种界面粗糙度。通过单面剪切推出试验测定岩石-混凝土界面应变数据,运用微分方程计算推导界面剪切本构关系模型。通过建立界面最大剪应力与抗拉强度、界面Ⅱ型断裂能与Ⅰ型断裂能的线性关系,提出计算该模型控制点参数的标准方法。(3)岩石-混凝土界面裂缝扩展数值研究采用通用有限元软件ANSYS,结合界面应力强度因子计算程序、界面裂缝扩展准则以及三种界面剪切本构关系,对四点剪切梁在不同模态比情况下的裂缝扩展情况进行数值计算。通过对比试验与数值计算得到的荷载-裂缝口张开位移(P-CMOD)曲线,验证了数值方法和本文界面剪切本构关系的准确性。(4)大坝-基岩界面裂缝扩展过程数值模拟运用本文的数值方法和界面本构关系对大坝-基岩界面裂缝在复合应力作用下的扩展过程进行了数值模拟,以验证本文方法在大坝实体模型分析中的适用性,并分析了界面裂缝扩展形态、界面应力强度因子和CMOD的变化规律。