碾压混凝土在水压与机械荷载耦合作用下断裂数值模拟分析

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1、第1期(总第356期)吉林水利2012年1月碾压混凝土在水压与机械荷载耦合作用下断裂数值模拟分析周晓字t，黄志强，余登华(1．沈阳工业大学建筑工程学院，辽宁沈阳110870；2．沈阳澳海房地产开发有限公司，辽宁沈阳110870)[摘要]碾压混凝土软弱层面的断裂破坏是碾压混凝土坝稳定性研究的一个重要的方面，本文考虑了碾压混凝土的多相非均匀性细观结构特征。采用RFPA分析系统对在水压与机械荷裁共同作用下。碾压混凝土水平软弱屡面破坏的全过程进行了模拟分析。通过模拟。给出了碾压混凝土层面破坏过程的应力、弹性模量以及水压力的分布图，得到了起裂荷栽、失稳荷栽以

2、及临界裂缝扩展长度等参数。并计算得到了各种工况下碾压混凝土的双K断裂韧度，对碾压混凝土层面破坏过程进行了分析。结果表明。起裂韧度、失稳韧度都随着初始荷裁的增加而产生的变化有一定的规律性。【关键词】碾压混凝土；水压力；机械荷载；软弱层面；数值模拟[中图分类号】Tv431【文献标识码]B下的破坏全过程．讨论了裂缝临界张开位移与外1绪论部水头或机械荷载的关系．裂缝张开速率与水流加载速率的关系以及水压在缝内的分布情况。由于碾压混凝土坝是混凝土分层碾压浇筑本文从混凝土的细观结构入手．采用细观数的。则坝体的施工层面是坝中的薄弱环节，是坝体．值模拟方式．研究碾压

3、混凝土软弱层面在水压力防渗的薄弱区域．可能发展成为渗流的集中通道与机械荷载共同作用两种情况下的断裂破坏特和抗滑稳定的薄弱面。研究结果表明⋯，坝体破坏性。模拟中充分考虑了碾压混凝土材料性质的非过程实质上是其层面裂缝水流运动与其周围应力均匀性．构成材料的微元体间的力学性质的离散场及坝体的变形耦合过程．碾压混凝土坝层面复性．认为材料宏观破坏是细观单元破坏的积累过杂的裂缝破坏问题严重影响了大坝的安全。因此程．从细观的角度对上述加载条件下的碾压混凝坝体碾压混凝土在深水压力下工作．其施工层面土紧凑拉伸试件的层间断裂过程进行数值研究。出现裂缝后．水压力等复杂应力

4、场耦合作用下的裂缝扩展和稳定性问题引起了工程界、学术界的2软件简介关注，是一个亟待解决的问题。开展水压力等复杂应力场耦合作用下的碾压混凝土裂缝扩展与断裂RFPA是RealisticFailureProcessAnalysis的特性的研究具有重要的理论意义和参考价值。简称。它是一种基于有限元应力分析和统计损伤由于水压作用下的混凝土断裂试验难度较理论的材料破裂过程分析数值计算方法．是一个大。装置复杂，国内外少数学者通过对碾压混凝土能够模拟材料渐进破裂直至失稳全过程的数值试在有水压与无水压情况下断裂试验进行研究j，验工具采用了WeibuI1分布来描述微元

5、体的力学分析了碾压混凝土层面在水压力或机械荷载作用属性的离散性．将材料的不均质性参数引入到计[收稿日期】2011—12-08【I基金项目】碾压混凝土坝诱导缝断面等效强度研究(5o179002)；高碾压混凝土垭诱导缝的等效强度及优化布置研究(5o709o13)；碾压混凝土层面水力破坏过程实验及敖值分析(2OO71O25)【作者简介】用晚宇(1988一)。女，辽宁雀东港市，工程力学硕士a一20—吉林水利碾压混凝土在水压与机械荷载耦合作用下断裂数值模拟分析周晓宇等2012年1月算单元。用有限元法进行应力分析。而破坏分析是混凝土本体的弱：反应层的砂浆基质和

6、骨料的粘根据破坏准则判断单元破坏与否．破坏的单元采结带的均质度均低于碾压混凝土本体；渐变层的用强度和刚度弱化处理．调整模型的刚度矩阵，然部分骨料的粘结带和砂浆基质．要较碾压混凝土后再进行应力分析．认为宏观破坏是单元破坏的积本体的砂浆基质和粘结带弱。累过程，直至材料完全破坏，得到位移场和应力场。3．2参数设置为了反映材料性质的细观非均匀性．假设材料3模型建立性质满足WeibuU分布(如式1)，式中U代表满足该分布参数(例如强度、弹性模量等)的数值，u0是3．1模型尺寸与层面设置与所有单元参数平均值有关的参数。它们与m都根据文献[s】阐述的试验．本文模

7、型尺寸为被称为材料的Weibul1分布参数。利用其分布参500mm~5OOmm，单元数目为200×2oo，孔隙率根据数，也就是均值度的设定来反映材料的非均匀性，文献[5、6】确定，又由得出的孔隙率确定了渗透系数，其数值越大表示材料越均匀。模型力学参数的赋其他各项力学参数根据文献[51碾压混凝土诱导缝值详见表1。与层面断裂性能的试验参数来赋值．所设预制缝=)一exp[-(U／Uo)】(1)长度为125mm。通过对其进行的细观分析，根据文献[7】软弱层可分为渗透层，反应层和渐变层。其渗3．3加载条件透层靠下层混凝土一侧的砂浆基质的均质程度要由于水压作用

8、下的混凝土断裂试验难度较低于碾压混凝土本体．其骨料的粘结带要较碾压大。装置复杂，国内外对在单纯水压力作用下的混裹1碾压混凝