CN112948934B - 一种预测持续荷载作用后岩石-混凝土界面抗裂性能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于混凝土重力坝安全性评定领域，提供了一种预测持续荷载作用后岩石‑混凝土界面抗裂性能的方法，该方法根据前期持载过程中岩石‑混凝土界面的试验结果标定界面两侧材料的粘弹性模型参数，结合本发明提出的断裂准则即可模拟出任意荷载水平、任意持载时间后岩石‑混凝土界面的起裂荷载，无需进行长期持载试验以及破坏试验。

Description

一种预测持续荷载作用后岩石-混凝土界面抗裂性能的方法
技术领域
本发明属于混凝土重力坝安全性评定技术领域，涉及一种预测持续荷载作用后岩石-混凝土界面抗裂性能的方法。
背景技术
对于坐落在岩基上的混凝土重力坝，岩基与混凝土坝体的界面是一个薄弱环节。施工期间浇筑、养护不当以及服役期间荷载、环境作用使界面区极易产生初始缺陷，进而威胁混凝土重力坝的安全运行。对于岩基与坝体界面已有的裂缝，安全性评定的首要任务就是预测在各种荷载条件下的扩展路径及承载力安全储备。需要特别指出的是，坝体自身重力和迎水面水压力综合作用下的持续荷载是混凝土重力坝服役期间最常见的荷载形式。考虑到绝大多数混凝土重力坝长期在正常水位下工作，界面裂缝在该荷载水平作用下并未产生扩展。为了准确评估坝踵界面区服役期间的残余承载力，并且保证后期极端荷载作用下混凝土重力坝的安全运行，有必要研究低水平持续荷载作用下岩石-混凝土界面的断裂机理，进而预测持续荷载作用后岩石-混凝土界面的抗裂性能。
目前关于岩石-混凝土界面断裂机理的研究主要集中于准静态加载条件。在低水平持续荷载作用下(通常认为小于起裂荷载)，界面两侧材料发生粘弹性变形，界面裂缝尖端产生应力松弛的现象。此时，基于准静态断裂分析的研究成果无法分析持续荷载作用下岩石-混凝土界面的断裂机理。目前，尚未发现持续荷载作用下岩石-混凝土界面断裂机理的研究，尚未提出预测持续荷载作用后岩石-混凝土界面抗裂性能的方法。
发明内容
基于当前研究的不足，本发明提出一种预测持续荷载作用后岩石-混凝土界面抗裂性能的方法，能够解决混凝土重力坝服役期间坝踵界面区抗裂性能评估的技术问题。
本发明的技术方案：
一种预测持续荷载作用后岩石-混凝土界面抗裂性能的方法，步骤如下：
(1)进行准静态条件下岩石-混凝土界面直拉试验测定界面抗拉强度ft，进行准静态条件下岩石-混凝土界面I型断裂试验测定试件起裂荷载
Figure BDA0002965302830000021
起裂韧度
Figure BDA0002965302830000022
以及裂尖核心区域内的平均弹性应变能密度
Figure BDA0002965302830000023
上述裂尖核心区域为以裂尖为圆心半径为rc的圆，rc表达式如式(1)所示：
Figure BDA0002965302830000024
(2)进行持续荷载作用下岩石-混凝土界面I型徐变试验，其中持载水平Psus小于静态条件下的起裂荷载
Figure BDA0002965302830000025
持载时间不小于30天，且每天定期测定加载点位移δ；采用基于Bailey-Norton蠕变方程
Figure BDA0002965302830000026
的粘弹性模型模拟岩石、混凝土的粘弹性特征；根据试验测定的岩石-混凝土界面加载点位移的时变曲线(δ-t曲线)，标定岩石、混凝土材料粘弹性模型中的参数(岩石粘弹性参数：Cr1、Cr2、Cr3；混凝土粘弹性参数：Cc1、Cc2、Cc3)。基于该粘弹性参数可得到并预测岩石-混凝土界面的粘弹性响应，并且计算持续荷载作用下裂尖核心区域内的平均弹性应变能密度
Figure BDA0002965302830000027
随时间发展规律。
(3)将界面裂缝尖端核心区域内平均弹性应变能密度
Figure BDA0002965302830000028
作为持续荷载作用下界面裂缝起裂的判定标准，提出持续荷载作用后岩石-混凝土界面断裂准则，表述如下：当持续荷载作用下残余的
Figure BDA0002965302830000029
(定义为
Figure BDA00029653028300000210
)与随后准静态加载过程中补充的
Figure BDA00029653028300000211
(定义为
Figure BDA00029653028300000212
)之和大于准静态条件下的起裂荷载对应的
Figure BDA00029653028300000213
(定义为
Figure BDA0002965302830000031
)时，界面裂缝产生起裂，该准则如式(2)-(4)所示：
Figure BDA0002965302830000032
界面裂缝不起裂； (2)
Figure BDA0002965302830000033
界面裂缝处于临界状态； (3)
Figure BDA0002965302830000034
界面裂缝起裂。 (4)
基于本发明提出的断裂准则，可通过数值模拟预测持续荷载作用之后准静态加载过程中试件起裂状态，进而提取该状态的起裂荷载
Figure BDA0002965302830000035
本发明的有益效果：根据前期持载过程中岩石-混凝土界面的试验结果标定界面两侧材料的粘弹性模型参数，结合本发明提出的断裂准则即可模拟出任意荷载水平(均小于静态条件下的起裂荷载)、任意持载时间后岩石-混凝土界面的起裂荷载，无需进行长期持载试验以及破坏试验。
附图说明
图1(a)是岩石-混凝土复合梁三点弯曲试件(P为外荷载，S为试件跨度，L为试件长度)，图1(b)为试件跨中剖面图(B、D分别为试件长厚度、高度，a0为界面初始裂缝长度)。
图2是加载点位移δ试验结果与数值模拟的比较。
图3是裂缝尖端核心区域及其半径。
图4是界面裂缝尖端核心区域平均弹性应变能密度
Figure BDA0002965302830000036
随时间演化规律。
图5是持续荷载作用后准静态加载条件下起裂荷载的预测。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面以岩石-混凝土复合梁三点弯曲试件为实施例，结合附图具体地描述预测持续荷载作用后岩石-混凝土界面抗裂性能的方法。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
(1)岩石-混凝土复合梁三点弯曲持载试验
本实施例所述的岩石-混凝土复合梁三点弯曲试件如图1所示，试件几何参数如下：L＝500mm、B＝D＝100mm、S＝400mm、a0＝30mm。首先，对该试件进行准静态加载条件下的断裂试验，获取岩石-混凝土界面起裂荷载
Figure BDA0002965302830000041
然后，根据准静态条件下的起裂荷载确定持载试验中的荷载水平Psus＝2.27kN(本发明针对较低荷载水平，即
Figure BDA0002965302830000042
)，并进行岩石-混凝土复合梁三点弯曲持载试验，试验中保持荷载水平恒定，每天定期监测加载点位移δ随时间发展曲线。为获取较为准确的岩石-混凝土界面粘弹性响应，持载时间不宜少于30天。
(2)界面粘弹性响应的数值模拟以及岩石、混凝土粘弹性模型的参数标定
引入基于隐式蠕变方程的粘弹性模型以表征持续荷载作用下带裂缝结构整体应力重分布以及裂尖应力松弛特性，具体采用时间硬化Bailey-Norton粘弹性模型，表达式如下：
Figure BDA0002965302830000043
式中
Figure BDA0002965302830000044
为徐变应变率，σ为等效应力，t为持载时间，C1、C2、C3为模型参数。
基于该模型，采用有限元方法模拟岩石、混凝土的粘弹性特性，进而模拟岩石-混凝土界面的粘弹性响应。根据持载试验监测的加载点位移δ随时间发展曲线标定粘弹性模型中的待定参数(Cr1＝7.82×10-7、Cr2＝2.80、Cr3＝-0.91，混凝土待定参数为Cc1＝8.63×10-7、Cc2＝2.80、Cc3＝-0.78)，参数标定后数值模拟结果与试验监测结果包络线吻合良好(如图2所示)，可验证粘弹性模型的准确性以及数值方法的可行性。
(3)界面裂缝尖端核心区域平均弹性应变能密度
Figure BDA0002965302830000051
的计算
本发明针对界面裂缝尖端核心区域平均弹性应变能密度并将其作为控制界面裂缝起裂的关键参数。根据已有的研究，裂缝尖端核心区域可近似为以裂尖为圆心半径为rc的圆形，如图3所示。rc的可由下式计算：
Figure BDA0002965302830000052
式中，
Figure BDA0002965302830000053
为准静态加载条件下岩石-混凝土界面的起裂韧度，经测定为16.74MPa·mm1/2；ft为岩石-混凝土界面的抗拉强度，经测定为2.79MPa；基于此rc＝5.23mm。在数值模拟中可直接提取核心区域内所有单元的弹性应变能，根据式(7)可得到核心区域平均弹性应变能密度：
Figure BDA0002965302830000054
式中，
Figure BDA0002965302830000055
为核心区域平均弹性应变能密度，
Figure BDA0002965302830000056
为核心区域内所有单元弹性应变能，Ac为核心区域的面积。
采用(2)中标定的粘弹性模型可预测岩石-混凝土界面在持续荷载作用下的粘弹性响应，根据式(3)计算得到持载过程中界面裂缝尖端核心区域平均弹性应变能密度
Figure BDA0002965302830000057
随时间演化规律，预测得到的持载90天
Figure BDA0002965302830000058
随时间演化规律如图4所示。
(4)持续荷载作用后岩石-混凝土界面起裂荷载的预测
根据本发明提出的断裂准则可预测上述工况中持载90天之后准静态加载过程中岩石-混凝土界面的起裂荷载
Figure BDA0002965302830000059
如图5所示。图中，A点为准静态加载过程中持续荷载水平Psus；B点为准静态加载过程中岩石-混凝土界面起裂点；C点为持载试验开始点；D点为持载试验结束点(90天)；E点为预测的持载后准静态加载过程中的起裂点，改点横坐标即为预测的起裂荷载
Figure BDA00029653028300000510

Claims (1)

1.一种预测持续荷载作用后岩石-混凝土界面抗裂性能的方法，其特征在于，步骤如下：
(1)进行准静态条件下岩石-混凝土界面直拉试验测定界面抗拉强度ft，进行准静态条件下岩石-混凝土界面I型断裂试验测定试件起裂荷载
Figure FDA0002965302820000011
起裂韧度
Figure FDA0002965302820000012
以及裂尖核心区域内的平均弹性应变能密度
Figure FDA0002965302820000013
上述裂尖核心区域为以裂尖为圆心半径为rc的圆，rc表达式如式(1)所示：
Figure FDA0002965302820000014
(2)进行持续荷载作用下岩石-混凝土界面I型徐变试验，其中持载水平Psus小于静态条件下的起裂荷载
Figure FDA0002965302820000015
持载时间不小于30天，且每天定期测定加载点位移δ；采用基于Bailey-Norton蠕变方程
Figure FDA0002965302820000016
的粘弹性模型模拟岩石、混凝土的粘弹性特征；根据试验测定的岩石-混凝土界面加载点位移的时变曲线，标定岩石、混凝土材料粘弹性模型中的参数，岩石粘弹性参数：Cr1、Cr2、Cr3；混凝土粘弹性参数：Cc1、Cc2、Cc3；基于该粘弹性参数得到并预测岩石-混凝土界面的粘弹性响应，并且计算持续荷载作用下裂尖核心区域内的平均弹性应变能密度
Figure FDA0002965302820000017
随时间发展规律；
(3)将界面裂缝尖端核心区域内平均弹性应变能密度
Figure FDA0002965302820000018
作为持续荷载作用下界面裂缝起裂的判定标准，提出持续荷载作用后岩石-混凝土界面断裂准则，表述如下：当持续荷载作用下残余的
Figure FDA0002965302820000019
定义为
Figure FDA00029653028200000110
与随后准静态加载过程中补充的
Figure FDA00029653028200000111
定义为
Figure FDA00029653028200000112
之和大于准静态条件下的起裂荷载对应的
Figure FDA00029653028200000113
定义为
Figure FDA00029653028200000114
时，界面裂缝产生起裂，该准则如式(2)-(4)所示：
Figure FDA00029653028200000115
Figure FDA00029653028200000116
Figure FDA0002965302820000021
基于本方法提出的断裂准则，通过数值模拟预测持续荷载作用之后准静态加载过程中试件起裂状态，进而提取该状态的起裂荷载
Figure FDA0002965302820000022
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