基于DIC技术的水工混凝土材料细观破坏机理研究

水工混凝土是大型水利工程中最主要的建筑材料，其破坏机理和破坏形态一直是力学、材料学和工程技术界所共同关心的问题，直接影响水利工程的安全。本课题采用一种现代的可进行连续非接触全场应变测量的光力学方法- - 数字图像相关（DIC）技术来研究水工混凝土细观破坏机理这样一个复杂的基础课题。通过DIC方法在细观层次上测量水工混凝土各组分（水泥、细骨料、粗骨料）上的应变分布和大小，建立损伤表征方程，并以水工混凝土破坏应变作为门槛值来建立破坏条件。通过新方法的研究，可以得到与水工混凝土细观破坏过程和物理机制相关的新结果和新的规律，为水工混凝土损伤破坏模型的建立和完善、有限元数值模拟等研究工作提供新的依据和新的思路。

混凝土和岩石作为主要的水工材料广泛应用于各种水利工程的建设。因为其显著的脆性，在外力作用下仅产生很小的变形就会发生断裂。通过数字图像相关（DIC）方法测量到的损伤应变包含了材料细观损伤而引起的微小的介质不连续，从而其应变场会在损伤处出现明显的奇异性。这就是采用DIC方法来研究混凝土岩石类材料细观损伤过程的原理。本研究首先建立了一套用于混凝土类脆性材料细观变形和微小裂纹测量的DIC实验系统，研究了混凝土、岩石为主的水工材料在准静态弯拉、单轴压缩、双轴压缩和拟动力压缩、疲劳载荷作用下材料细观变形场，得到了细观变形与损伤破坏的相关性和发展规律；研究了冲击载荷作用下的小湾拱坝模型结构的变形和损伤相关性，准确定位到了破坏位置；给出了混凝土在单轴压缩下DIC方法测量的局部损伤应变与微裂纹宽度的定量关系，通过该关系可分析混凝土细观裂纹起始点或初始裂纹大小；通过单轴压缩疲劳试验，给出了基于混凝土变形规律的材料失效临界值和剩余寿命预测公式。以上研究不仅获得了一种基于损伤应变场的混凝土岩石类脆性材料的细观破坏行为新的分析方法，还提供了一种能用于结构损伤预测和破坏监测的工程方法。本研究完成国内外期刊论文19篇，其中SCI刊源5篇、EI刊源4篇，获授权专利和软件著作权各1项，培养研究生5人。