碾压混凝土诱导缝与层面断裂性能的试验和数值模拟研究

论文摘要

碾压混凝土筑坝技术由于结合了混凝土坝和土石坝的优点,其优越性非常明显,因此在水利工程中得到了广泛的应用,但在碾压混凝土拱坝和重力坝的设计和施工中仍有需要深入研究的内容。目前关于诱导缝等效强度模型的研究还存在一定的问题。对于碾压混凝土重力坝,由于坝高的不断增大,碾压混凝土的层面不断的增多,使得沿着坝体层面的断裂稳定分析变得尤为重要。针对这些问题,结合国家自然科学基金项目《碾压混凝土坝诱导缝断面等效强度研究》,通过试验研究和数值模拟,进行了如下的研究工作: 1 非穿透型诱导缝等效强度 进行了两种形式的非穿透矩形诱导缝碾压混凝土试件轴拉实验。根据轴拉试验结果,建立了双向间隔非穿透矩形诱导缝的应力强度因子的近似解析表达式,得到了断裂参数的修正系数,并利用无限大体深埋椭圆裂缝模型和双参数断裂准则,得到可以用于碾压混凝土拱坝双向间隔诱导缝断裂分析的双参数等效强度。 2 诱导缝布置方式的数值模拟 在诱导缝的预留缝长度、间距变化的情况下,利用材料破坏全过程分析的软件系统MFPA2D,模拟在拉剪应力的作用下,诱导缝的开裂、扩展方向以及应力场的变化情况,通过对模拟结果的对比,确定了比较合理的诱导缝布置方式。 3 碾压混凝土层面Ⅰ型断裂特性的试验与数值模拟 通过七种工况的碾压混凝土层面的Ⅰ型断裂试验,得出相应的Ⅰ型断裂参数,并利用MFPA2D系统,从细观的角度对碾压混凝土层面接缝二和层面接缝三等情况的层面Ⅰ型断裂过程进行数值模拟。数值模拟结果与试验结果吻和良好,从试验和数值模拟两个方面,分析比较了不同工况层面的Ⅰ型断裂参数和破坏形态的差异;并且通过对试验测试结果和解析结果的比较得到,利用电测法测得的起裂荷载对于起裂韧度的确定有一定的参考价值。 4 碾压混凝土层面Ⅱ型断裂特性的试验与数值模拟 通过七种工况的碾压混凝土层面的Ⅱ型断裂试验,得出相应的Ⅱ型断裂参数,并利用MFPA2D系统,从细观的角度对碾压混凝土层面接缝二和层面接缝三等情况的层面Ⅱ型断裂过程进行数值模拟。数值模拟结果与试验结果吻和良好。从试验和数值模拟两个方面,分析比较了不同工况层面的Ⅱ型断裂参数和破坏形态的差异。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 碾压混凝土坝筑坝技术的发展
• 1.1.1 碾压混凝土材料
• 1.1.2 碾压混凝土坝筑坝技术
• 1.2 碾压混凝土坝的温度裂缝问题及裂缝控制措施
• 1.2.1 温度裂缝的产生
• 1.2.2 温度裂缝的危害和控制裂缝的意义
• 1.2.3 控制温度裂缝的主要措施
• 1.3 国内外诱导缝研究现状和存在的主要问题
• 1.3.1 国内外已建碾压混凝土坝诱导缝设置
• 1.3.2 碾压混凝土拱坝中诱导缝的位置
• 1.3.3 碾压混凝土拱坝诱导缝等效强度理论及数值计算的研究现状
• 1.4 碾压混凝土层面研究
• 1.4.1 碾压混凝土层面存在的问题
• 1.4.2 国内外碾压混凝土层面问题研究概况
• 1.4.3 研究中存在的一些问题
• 1.5 本论文的研究工作
• 1.5.1 诱导缝问题的研究
• 1.5.2 碾压混凝土层面断裂特性的研究
• 2 诱导缝等效强度的试验研究
• 2.1 引言
• 2.2 试验概况
• 2.2.1 试件情况
• 2.2.2 试验加载装置
• 2.3 试验结果分析与计算
• 2.3.1 试验破坏现象
• 2.3.2 试验结果计算
• 2.3.3 非穿透型诱导缝等效强度试验结果分析
• 2.4 诱导缝等效强度双参数断裂模型的建立
• 2.4.1 单一非穿透矩形诱导缝试件断裂参数的修正系数
• 2.4.2 双向间隔非穿透矩形诱导缝试件应力强度因子计算表达式的建立
• 2.4.3 基于双参数理论的等效强度模型
• 2.5 结论
• 3 诱导缝布置方式的数值模拟研究
• 3.1 引言
• 3.2 数值方法简介
• 3.3 计算模型概述
• 3.4 计算模型的建立
• 3.4.1 材料非均匀性的表述
• 3.4.2 细观单元的本构关系
• 3.4.3 计算模型
• 3.5 计算结果分析
• 3.6 诱导缝的设置讨论
• 3.7 小结
• 4 碾压混凝土层面Ⅰ型断裂的试验与数值模拟研究
• 4.1 引言
• 4.2 碾压混凝土层面Ⅰ型断裂破坏的试验研究
• 4.2.1 原材料的基本情况
• 4.2.2 试件的制作
• 4.2.3 试验装置
• 4.2.4 电测法测试碾压混凝土层面裂缝的起裂荷载
• 4.2.5 试验步骤
• 4.2.6 试验曲线
• 4.2.7 碾压混凝土层面及本体的双K断裂参数的确定
• 4.2.8 计算结果及试验现象分析
• 4.3 碾压混凝土层面Ⅰ型断裂破坏的数值模拟研究
• 4.3.1 碾压混凝土的层间细观结构
• 4.3.2 数值模型
• 4.3.3 模拟结果分析
• 4.3.4 软弱层破坏过程分析
• 4.4 结论
• 5 碾压混凝土层面Ⅱ型断裂的试验与数值模拟研究
• 5.1 引言
• 5.2 Ⅱ型断裂问题的发展及现状
• 5.2.1 概述
• 5.2.2 Ⅱ型断裂的试验方法和试件型式
• ⅡC的计算公式'>5.2.3 Ⅱ型断裂韧度K_ⅡC的计算公式
• 5.2.4 小结
• 5.3 碾压混凝土层面Ⅱ型断裂破坏的试验研究
• 5.3.1 试件形式
• 5.3.2 试件的制作
• 5.3.3 试验装置
• 5.3.4 试验结果
• 5.3.5 剪切断裂韧度的计算
• 5.3.6 碾压混凝土层面裂缝Ⅱ型断裂的尺寸效应问题研究
• 5.4 碾压混凝土层面Ⅱ型断裂破坏的数值模拟研究
• 5.4.1 数值计算模型
• 5.4.2 破坏结果分析
• 5.5 结论
• 6 碾压混凝土层面Ⅰ—Ⅱ复合型断裂的试验与数值模拟研究
• 6.1 引言
• 6.2 碾压混凝土层面Ⅰ—Ⅱ复合型断裂破坏的试验研究
• 6.2.1 试件形式
• 6.2.2 试验装置
• 6.2.3 试验过程
• 6.2.4 试件断裂模式
• 6.2.5 计算与分析
• 6.2.6 混凝土拉剪复合型断裂准则的尺寸效应问题
• 6.2.8 小结
• 6.3 碾压混凝土层面Ⅰ—Ⅱ复合型断裂破坏的数值模拟研究
• 6.3.1 数值计算模型
• 6.3.2 计算加载方案
• 6.3.3 计算结果分析
• 6.3.4 小结
• 6.4 碾压混凝土层面拉剪复合断裂判据
• 6.5 结论
• 7 总结与展望
• 7.1 本文的工作总结
• 7.2 需要进一步解决的问题
• 创新点摘要
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
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