岩石-混凝土界面复杂破坏模式断裂机理及分析方法研究

Interfacial fracture of rock-concrete interface has always been an important topic of concern in hydraulic engineering field. Nonetheless, the failure mechanism and analysis method of interface crack with complicated propagation paths (e.g. kinking and branching) under complicated loads remains to be studied in a deep going way. The multiple means of experimental study, numerical simulation and engineering practice will be used in this project. Experimental study on acoustic emission (AE) characteristics and crack propagation of rock-concrete interface will be carried out using three-point bending beams and four-point shearing beams with AE system monitoring AE information and high-speed camera measuring deformation field. Thus the failure mechanism of the interface cracking under different fracture failure mode would been investigated. Then, a model for presenting the damage features of rock-concrete interface will be developed based on phase-field method, thereby the simulation method of phase-field model would be developed for the whole fracture process of interface crack with different propagation paths. After the comparative analysis of the numerical results with the experimental results, the whole fracture process under complicated conditions will be simulated to analyze the effect of various factors. Finally, a practical engineering case study on fracture analysis of interface crack in the vicinity of dam heel will be carried out. The research results of this project can be applied to predict the fracture process of interface crack and provide the safety evaluation for concrete dams.

岩石-混凝土界面断裂问题一直是水利工程界的研究热点，但复杂载荷下界面裂缝向一侧偏折与分叉扩展等复杂破坏模式的断裂机理及分析方法研究有待进一步深入。本项目采用试验研究、数值模拟与工程实例分析有机结合的方法展开系统研究，拟进行三点弯曲和四点剪切加载条件下的岩石-混凝土界面断裂试验，利用声发射和高速摄影测试技术实时监测破坏过程的声发射信号与界面区变形场，分析界面不同断裂破坏模式的声发射特征与裂缝扩展动态过程，探究破坏过程中材料内部的损伤断裂机理。然后，基于相场方法建立反映界面层损伤特征的界面分析模型，提出界面任意复杂断裂破坏模式的数值分析方法，实现界面断裂试验过程的数值模拟，并推演分析不同条件下界面不同断裂破坏模式的断裂损伤全过程，讨论各因素的影响机制；最后，对实际工程坝踵裂缝开裂问题进行应用分析。课题成果将为界面断裂破坏灾变过程的预测分析提供有效途径，为混凝土坝安全性评估提供科研依据。

岩石-混凝土界面断裂问题一直是水利工程界的研究热点。项目采用试验研究、机理分析、数值模拟相结合的手段，对岩石-混凝土界面复杂破坏模式断裂机理及分析方法等进行了深入系统研究。开展了岩石-混凝土三点弯曲和四点剪切断裂试验，研究了界面粗糙度、岩石种类、混凝土水灰比以及是否掺入膨胀剂等因素对岩石-混凝土I型界面断裂性能的影响，研究了模态比和界面粗糙度对岩石-混凝土I-II复合型断裂特性的影响。以及开展岩石真三轴力学实验，分析了不同扰动作用下岩石破坏力学行为与破坏机制，研究了不同饱水度岩石的破坏力学行为及水对岩爆的影响机制。全面分析了三点弯曲和四点剪切条件下岩石-混凝土界面裂缝断裂全过程的声发射特性，包括AE参量演化特征、拉剪破裂机制、频谱演化特征、AE空间定位等，揭示了岩石-混凝土界面裂缝损伤断裂机理并探究了破坏前兆信息。利用数值模拟手段提出了双材料界面任意复杂破坏模式断裂损伤全过程的分析方法，建立了基于键基近场动力学理论的双材料界面近场动力学模型，并利用该模型对岩石-混凝土复合试件的三点弯曲和四点剪切断裂试验进行了数值模拟分析，以及讨论了界面临界伸长率和微弹模的影响。课题成果可为界面断裂破坏灾变过程的预测分析提供有效途径，为混凝土结构的安全性评估提供科研依据。