碾压混凝土在水压与机械荷载耦合作用下断裂数值模拟分析.pdf

第 1 期 ( 总第 3 5 6期 ) 吉林水利 2 0 1 2年 1 月 碾压混凝土在水压与机械荷载耦合作用下 断裂数值模拟分析 周晓字 t ， 黄志强 ， 余登华 ( 1 沈阳工业大学建筑工程学院， 辽宁 沈阳 1 1 0 8 7 0 ； 2 沈阳澳海房地产开发有限公 司， 辽宁 沈 阳 1 1 0 8 7 0 ) 摘要 碾 压混凝 土软 弱层 面的断裂破 坏是碾压 混凝 土坝稳定性研究 的一 个重要 的方面 ， 本 文考虑 了碾 压混凝土 的多相非均匀性细观结构特征 。 采用 R F P A分析 系统对在水压与机械荷 裁共 同作用下 。 碾压 混凝土水平软弱屡 面 破坏 的全过程进行 了模拟分析 。通过模拟 。 给 出了碾压混凝土层 面破 坏过程 的应力、 弹性模量 以及 水压 力的分布 图， 得 到 了起 裂荷 栽、 失稳荷栽 以及 临界 裂缝扩展长度等参数 。 并计 算得 到 了各种 工况下碾压混凝 土的双 K 断裂 韧度 ， 对碾 压混凝土层 面破坏过程进行了分析 。结果表明。 起裂韧度 、 失稳韧度都 随着初始荷裁的增加 而产 生的变 化有一定的规律性 。 【 关键词 】 碾压混凝 土； 水压力 ； 机械荷载 ； 软弱层面 ； 数值模拟 中图分类号 】T v 4 3 1 【 文献标识码 B 1 绪论 由于碾压混凝 土坝是混 凝土分 层碾压 浇筑 的 。 则坝体 的施工层面是坝 中的薄弱环节 ， 是坝体 防渗 的薄弱区域 可能发展成为渗流的集 中通道 和抗滑稳定的薄弱面。研究结果表明， 坝体破坏 过程实质上是其层 面裂缝水流运动与其周 围应力 场及坝体的变形耦合过程碾压混凝土坝层面复 杂 的裂缝破坏问题严重影 响了大坝的安全 。因此 坝体碾压混凝土在深水压力下工作 其施工层面 出现裂缝后 水压力等复杂应力场耦合作用下 的 裂缝扩展和稳定性 问题 引起 了工程界、学术界 的 关注 ， 是一个亟待解决的问题。开展水压力等复杂 应力场耦合作用 下的碾压混凝土裂缝扩展与断裂 特性 的研究具有重要 的理论意义和参考价值。 由于水 压作用 下 的混 凝土 断裂试验难 度较 大 。 装置复杂， 国内外少数学者通过对碾压混凝土 在有水压与无水压情况下断裂试验进行研究 j ， 分析了碾压混凝 土层面在水压力或机械荷载作用 下的破坏全过程 讨论了裂缝临界张开位移与外 部水头或机械荷载的关系 裂缝张开速率与水流 加载速率的关系以及水压在缝内的分布情况。 本文从混凝 土的细观结构入手 采用细观数 值模拟方式 研究碾压混凝土软弱层面在水压力 与 机械荷 载共 同作用两种 情况下 的断裂破坏 特 性 。模 拟中充分考虑 了碾压混凝土材料性质 的非 均匀性 构成材料 的微元体间的力学性质 的离散 性 认为材料宏 观破坏是细观单元破坏 的积累过 程 从细观的角度对上述加载条件下的碾压混凝 土紧凑拉伸试件的层间断裂过程进行数值研究。 2 软件简介 R F P A 是 R e a l i s ti c F a i l u r e P r o c e s s A n a l y s i s的 简称 。它是一种基于有 限元应力分析和统计损伤 理论 的材料破裂过程分析数值计算方法 是一个 能够模拟材料渐进破裂直至失稳全过程 的数值试 验工具 采用 了 We i b u I 1 分布来描述微元体的力学 属性 的离散性 将材料的不均质性参数引入到计 收稿日期】2 0 1 1 1 2 - 0 8 【 I基金项目】 碾压混 凝土坝诱导缝断面等效强 度研究( 5 o 1 7 9 0 0 2 ) ； 高 碾压混 凝土垭 诱导缝的等效强度及优化布置研究 ( 5 o 7 0 9 o 1 3 ) ； 碾压混凝 土层 面水 力破 坏过程 实验及敖值分析( 2 O O 7 1 O 2 5 ) 【 作者简介】 用晚宇( 1 9 8 8 一 ) 。 女， 辽宁雀东港市， 工程力学硕士a 一 2 0 吉林水利 碾压混凝土在水压与机械荷载耦合作用下断裂数值模拟分析 周晓宇等2 0 1 2年 1月 算单元。 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 认为宏观破坏是单元破坏的积 累过程， 直至材料完全破坏， 得到位移场和应力场。 3 模型建立 3 1 模型尺寸与层面设置 根据文献 s 】阐述的试验 本文模型尺寸为 5 0 0 m m 5 O O m m， 单元数 目为 2 0 0 2 o o ， 孔隙率根据 文献 5 、 6 】 确定 ， 又由得出的孔隙率确定 了渗透系数 ， 其他各项力学参数根据文献 5 1 碾压混凝土诱导缝 与层面断裂性 能的试验参数来赋值 所设预制缝 长度为 1 2 5 m m。 通过对其进行 的细观分析 ， 根据文 献 7 】 软弱层可分为渗透层 ， 反应层和渐变层。其渗 透层靠下层混凝土一侧 的砂浆基质的均质程度要 低 于碾压混凝土本体 其骨料的粘结带要较碾压 混凝 土本体的弱 ：反应层 的砂浆基质和骨料 的粘 结带 的均质度均低于碾压混凝土本体 ；渐变层 的 部分 骨料的粘结带和砂浆基质 要较碾压混凝土 本体的砂浆基质和粘结带弱。 3 2 参数设置 为了反映材料性质 的细观非均匀性 假设材料 性质满足 We i b u U分布 ( 如式 1 ) ， 式 中 U代表满足 该分 布参数( 例如强度、 弹性模量等) 的数值 ， u 0是 与所有单元参数平均值有关 的参数 。它们与 m都 被称 为材料的 We i b u l 1 分布参数 。利用 其分布参 数 ， 也就是均值度的设定来反映材料的非均匀性 ， 其数值越大表示材料越均匀 。模 型力学参数的赋 值详见表 1 。 = ) 一 e x p - ( U U o ) 】 ( 1 ) 3 3 加 载条件 由于水压作 用下 的混凝 土断裂试 验难 度较 大 。 装置复杂 ， 国内外对在单纯水压力作用下的混 裹 1 碾压混凝土数值模 拟试样 的力学参数赋值 凝土断裂试验鲜有研究 。而实际试验 中 。 对于在水 压作用下的混凝土断裂试验必须有机械荷载的参 与 ， 才能使试件完全断裂破坏 ， 不至试验过程中发 生试验装置 的漏水 问题。但对于在水压力和机械 荷载共同作用下混凝土的断裂试验多数不易得到 缝 内水压 的真实分布情况 而数值方法可以考虑 混凝土结构 的复杂形状以及边界 条件 得到比试 验更完整 的结果进行分析 。所 以本文采用数值模 拟的方法 研究 了碾压混凝土层 面在水压力与机 械荷载共同工作用下的断裂破坏行为 找 出在不 同水压初值 ，无水压增量 同时保持机械荷载值不 变 的情况下 ， 碾压混凝土层面的断裂规律 ， 具体加 载条件见表 2中工况 1至工况 4 。 4 数值模拟 4 1 破坏过程分析 通过数值模拟 ， 得到了应力 、 弹性模 量 、 水 压 力、 单元破坏等信息， 看到试件在水压力作用下的 破坏过程分为三个阶段， 即应力积累阶段 ， 裂缝稳 裹 2 碾压 混凝 数值模拟加载条件赋值 一 21 吉林水利 碾压混凝在水压与机械荷载耦合作用下断裂数值模拟分析 周晓宇等2 0 1 2年 1月 R F P A系统模拟的得到的各工况的起裂荷载 极限 荷载 起裂 和失稳步数 以及 由计算得 出的断裂韧 度见表 3 。 图 4从能量 的角度描述了混凝土层面的破坏 机理 。 在图中曲线可以看 出， 工况 1 声发射 能量在 应力积累阶段( 1 9步之前) 增加缓慢 ， 进入起裂点 ( 第 1 9步) 增加明显， 进入失稳扩展阶段后 ( 2 2步) 开始迅速增加 。 直至试件完全破坏。图 4的声发射 能量累积最后趋于定值 这是由于有机械荷载的 作用 裂缝扩展所需的能量不必完全 由水压力提 供 。 这一裂缝扩展形式和试验结果较为吻合。 4 2 双 K断裂参数的确定 根据文献 叭 混凝土裂缝扩展过程可大致分为 裂缝起裂 、 稳定扩展、 失稳扩展三个阶段 。将线弹 性断裂力学 、虚拟裂缝模型及混凝土应变软化 曲 线相结合 ， 得到混凝土起裂断裂韧度 和失稳断 裂韧度 的计算公式。认为当 时， 裂缝开 加 藏步 + 加藏步留声发射魄矗关系口 嘁 加栽 疹与 卢； 5 乏 射艴髓舅 ； 规美景曲 始 起裂； 当 时， 裂 缝处于 稳定扩展阶 段； 当 时， 裂缝开始失稳扩展。 裂缝尖端的应力强度 因子按以下公式计算 ： p = 二 ( 0 2 0 8 ) ( 1 ) t V h 式中： 蜀为裂缝的应力强度因子( 、 ) ； = 3 6 7 5 1 - 0 1 2 - - 0 4 5 ) ( 1 - o 0 舶 (2 ) 式 中： 0 【： 一 a + h o 是裂缝 的相对缝长 。口为裂缝 的 h+ h o 长度 ， I 为试件高度 ， t 为试件厚度 ， I I o 为刀 口厚度 ， 单位均为( m) ； P 为试件施加的水平荷载( K N) 而对于混凝土的粘聚断裂韧度有 t n h ； ( 3 ) 由表 3可 以看 出工 况 1至工况 4的起裂 荷 载 、 极 限荷载基本相 同； 起 裂韧度呈减小趋势 ， 而 失稳韧度总体上趋于增加 。粘聚韧度也呈增加趋 势 ：临界裂缝长度随着初始水压的增加总体上有 略微增加的趋势， 但是增量 比较小。工况 1 至工况 4应力积累阶段的时间随荷载的增加逐渐缩短 越 来越早的开始起裂 。 而稳定扩展 的时间相对增大 ， 但是从加载到破坏的时间基本不变。 5 结论 圈 4 工况 1声发射能量 和加载步关系 曲线 本文采用 数值模拟系统 ， 通过对不同水 裹 3 碾压混凝土紧凑拉伸试件数值模拟结果 注： l 、 模型 的厚度为一个计算单元的厚度 2 5 mm。 压初值和相 同机械荷载共同作用下 碾压混凝土 层面的破坏全过程的数值模拟分析了各种工况 下裂纹扩展规律 模拟结果和相关实验结果具有 较好 的一致性 。 并得出以下结论 ： 1 )工况 l至工况 4水压力与机械荷载共 同作 用致裂过程中。都存在一个稳定破坏到失稳破坏 的临界荷载 ，工况 4的临界荷载相对于其他三种 工况的临界荷载较大。但总体上四种工况的临界 荷载基本相同， 相差不大。 而起裂荷载随初始荷载 的增加略微减小。起裂韧度呈减小趋势 而失稳韧 度总体上趋于增加， 粘聚韧度也呈增加趋势。 2 )随着初始荷载的增加 。模型应力积累阶段 的时问缩短 ， 工况 4最先起裂 。4种工况稳定扩展 的时间相对逐渐增大 ，但是工况 l至工况 4从加 一 2 3 吉林水利 碾压混凝土在水压与机械荷载耦合作用下断裂数值模拟分析 周晓宇等2 0 1 2年 1月 载到破坏的时间基本不变。 3 )通过声发射活动 曲线可知，当试件从稳定 破裂过渡到失稳破裂时 ， 裂纹不断扩展 ， 声发射能 量呈阶跃式增加 ， 裂缝达到临界长度后 ， 扩展速度 迅速增加直至完全破坏。口 参 考 文 献 ： 【 1 薛伟 ， 孙 向赫 大埂混麓土施 工缝 面处理技术研 究 J 水利 水电 技 术。 2 0 0 9 。 1 0 ：7 9 - 8 1 2 B r u h w i hr E ， S a o u ma V Wa t e r p r e 8 8 u r e i n p r o p a g a ti o n c o n c r e t e c r a c k s J o u r n a l o f S t r u c t u r a l E ngl n e e r i ng,2 0 0 0 , 1 2 6 ( 2 ) ： 2 3 5 - 2 4 2 3 B r u h w i l E S a o u ma V W_a t 凹 F r a c t u r e i n t e r a c ti o n i n con c r e t e - P a r t I ： F a c mm p rop e r ti e s A C I Ma t e r i a l J o u r n a l , 1 9 9 5 , 9 2 ( 3 ) ： 2 9 6 - 3 0 3 【 4 】 许青 。 邓淬， 董伟， 昊智教 基 于裂缝 扩展准捌的混凝土重力埂裂 缝 扩展全过 程数值 分析 J 建筑科学与工程学报， 5 】 黄志强 碾压 混凝 土诱 导缝与层 面断裂性能 的试验 和教 值模拟 研 兜， 大连理 工博 士论 文。 2 0 0 6 6 】 i t 力碾压混凝土孔隙结构与粉煤灰掺量的关系 J 人民长江 7 】 谢慧才。 李庚英。 棘先晶 新老混藏土拈鲒界面的截蛄构厦与集 料一 水泥界面的差异 J 8 Xu S h i hn g R e i n l m Mt H W D e t e r mi n a t i o n o f d o u b l e - K c r i t e ri o n f o r c r a c k p lp a I洳i n q u a s i - b r l t t l e h a c t u r e , P a r t： An a l y t i c a l e v 8 l I l l lt i I l g a n d p r a c t i c a l me a s u r i n g m e t h o d s f o r t h r e e s- p o i n t b e n d i n g n o t c h e d b e a m s J I n t e r n a t i o n a l J o u n ml 0 f F r a c t u r e ， 1 9 9 9 98 ：1 51 -1 7 7 T h e n u m e r i c a l s i mu l a t i o n a n a l y s i s f o r RCC u n d e r t h e c o u p l e d h y d r a u l i c a nd me c ha ni c a l l o a d s Z h o u Xi a o - y u， Hu a n g Z h i - q i a n g， Yu De n g - h u a Ab s t r a c t ： t h e i n s t a b i l i t y f a i l u r e o f r o l l e d c o mp a c t e d c o n c r e t e i S o n e o f i mp o r t a n t c h a r a c t e r i s t i c s o f RRC D a m s t a b i l i t y s t u d y t h i s p a p e r , c o n s i d e r s the mu l ti p h a s e , u n i f c r m mi c r o - s t r u c t u r e c h ara c t e ris ti c s o f RCC T h e s i m ula t i o n a n a l y s i s f o r t h e p r o c e s s o f the f a i l u r e o f RCC s o f t l a y e r wi t h R a n a l y s i s s y s t e m h a s b e e n c a r r i e d o u t u n d e r the a c ti o n o f t l 1 e h y d r a uli c p r e s s u r e t o g e the r w i th the me c h a n i c a l l o a d I t p r o v i d e d t h e s t r e s s e l a s ti c mo d u l u s ， a n d w a t e r p r e s s u r e d i s t r i b u ti o n d u r i n g the p r o c e s s o f the f a i l u r e o f RCC s o f t l a y e r , a n d o b t a i n e d p a - r a me t e m o f t h e c r a c k i n g l o a d ，b u c k l i n g l o a d a n d c ri t i c a l c r a c k p rop a g a ti o n l e n g t h the d o u b l e K f r a c t u r e t o u g h n e s s o f RC C Was c a l c u l a t e d u n d e r a v e t y o f c o n d i ti o n s ，t h e f a i l u r e p r o c e s s o f RC C wa s an aly z ed T h e r e s ult s s h o w e d t h a t c r a c k i n i ti a t i o n t o u g h n e s s i n s t a b i l i t y t o u ghn e s s w e r e i n c r e ase d w i th the i n i ti al l o a d d u e t o a c h an g e t l l s o me r e g u l a r i t y Ke y wo r d s ： RC C； wa t e r p r e s s u r e ； me c h a n i c a l l o a d s ； s o f t l a y e r ； n u me ri c al s i mula t i o n ( 上接 第 1 9页) t = O 5 5 q ( 5 ) 式中： 口为控制断面单宽流量 ， m 3 ， s m； h 。 为控 制断面水深； m。 本文所 给出的 ( 5 ) 式适用与陡坡控制 断面的 水 流为缓流时控制水深的计算 控制断面 的计算 水深 ( 本文) 与模型试验值接近。 4 结语 以往对溢洪道陡坡控制水深的计算是以缓变 流的临界水深 为前提并延用了缓变流的计算公 式。本文认为从理论上讲是不妥的， 因为对大坡道 的溢洪道计算并考虑水流的弯曲；对小坡度陡坡 的溢洪道控制断面即使为缓变流， 其控制要根据 而定 又要充分考虑到控制水深是 断面最小 比能 一 2 4 一 的 将控制断面水深按临界水深来计算 。其误差是 很大的 也会 1 ) 简易开敝式溢洪道陡坡控制水深的计算可 从图一2算 ， I 。 2 ) 平底 闸溢洪道陡坡控制水深用 1 式计算 = O 4 0 1 2 g 响 ( 1 ) 3 ) 堰闸溢洪道陡坡控制水深的计算 堰后无平台段可用 ( 2 3 ) 式进行计算 。= 0 3 4 5 口 噼 ( 3 ) 该式适用于 B= 1 3 m。 | I 。 - 0 3 3 L 而 ( 4 ) (P 2 + o 6 3 1 q ) 该式可用于超 出 3 m的堰高。 。-0 5 5 口 ( 5 ) ( 3 ) 、 ( 4 ) 式适用于控制 断面为急流 ， ( 5 ) 式 适 用于断面为缓流。口