大体积混凝土温度裂缝演化机理及连续-离散耦合分析研究

Controlling of the temperature-induced crack in mass concrete is one of the main concerns in the design and construction of concrete dams. With the construction of 300m high concrete dam in recent years, temperature crack of mass concrete is increasingly prominent. There are few mature theoretical results on the mesoscale concrete cracking mechanism, propagation process simulation and experiment method of temperature cracks so far. Based on precise simulation of water cooling temperature field of mass concrete, temperature gradient near cooling pipes, characteristics of concrete material and age effects of mechanical parameter’s evolution are intensively considered. This research project develops a FEM/DEM coupling numerical model to study macro and meso-scale damage and cracking of concrete. The model can simulate the process of macroscopic temperature cracks occurring and propagation efficiently, and the simulation results are verified by laboratory test. Findings in this research could provide basic technical support for temperature design and control of high concrete dam.

随着近年来国内多个300m级高拱坝的建设，大体积混凝土温度裂缝问题日益突出，尤其是小湾高拱坝内部贯穿裂缝使得大体积混凝土温度裂缝控制问题又成了学界关注和讨论的焦点。但是大体积混凝土温度裂缝的细观开裂机理、扩展过程模拟方法及试验测定，至今国内外还没有成熟的研究成果。本项目拟在大体积混凝土水管冷却温度场精细计算的基础之上，考虑水管附近剧烈变化的温度梯度，结合混凝土材料特性及力学参数演变的龄期效应，采用连续-离散耦合分析方法模拟混凝土的宏细观损伤开裂过程；从而高效动态模拟宏观温度裂缝的发生、扩展全过程，并结合室内试验，探讨基于宏细观力学的大体积混凝土开裂机理以及抗裂安全评价方法。研究成果可为高混凝土坝的温控设计提供技术支撑。

随着近年来国内多个300m级高拱坝的建设，大体积混凝土温度裂缝问题日益突出。但是大体积混凝土温度裂缝的细观开裂机理、扩展过程模拟方法及试验测定，至今国内外仍无成熟的研究成果。本课题采用混凝土性能演变理论和基于断裂力学的连续-离散耦合分析方法，结合室内试验，模拟混凝土的宏细观损伤开裂过程，从而实现对大体积混凝土温度裂缝开裂机理研究以及抗裂安全评价。. 考虑大体积混凝土材料特性及力学参数演变的龄期效应，提出一种修正的水化度模型，并将其在有限元分析方法中实现，对比室内实验结果以及原水化模型，修正的水化模型计算结果精度相对较高。将修正的水化度模型引入大体积混凝土结构的温度及温度应力计算中，结合大岗山水电站工程案例，与常规的大体积混凝土温控计算对比。结果表明，两种温控结果表现出一定差异，尤其在大体积混凝土结构裂缝易于发生的早龄期：新浇筑的混凝土块温度分布表现出较大不同。. 结合混凝土细观力学随机骨料模型，将混凝土性能演变模型引入到损伤特性研究中，通过定义损伤因子实现了早龄期大体积混凝土损伤开裂过程的数值模拟。采用断裂力学理论提出复合破坏模式下的率相关内聚力模型二维和三维形式，建立基于连续-离散耦合分析方法的细观数值模型。通过模拟霍普金斯杆层裂实验，验证了所提出的率相关的混凝土细观数值模型准确性和有效。并通过研究砂浆和界面过渡区微裂纹的时空分布，揭示了高应变率下混凝土细观裂纹的演化过程。结合一系列的细观数值实验，发现了界面过渡区的力学性质、骨料体积分数和孔隙率等细观结构都不同程度地控制着裂纹的空间分布和几何形状，而应变率控制着裂纹的密度、分布范围和连通程度。. 研究成果可为大体积混凝土温控防裂这一关键技术难题提供基础性的技术储备。