岩石-混凝土界面Ⅰ型断裂性能率相关性试验研究

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为开发西部丰富水电资源,走绿色低碳发展道路,一系列大型水电站的建设工作正在我国西南地区有序开展,而西部恰恰是我国地震最强烈的地区,水电筑坝抗震安全问题十分突出,大坝一旦失事,将造成难以估计的损失和后果。坝踵岩石-混凝土界面作为坝体的薄弱环节,极易在复杂外荷载作用下产生微裂缝,研究带有初始裂缝的岩石-混凝土界面在地震应变率范围内的断裂性能对大坝抗震具有重要意义。为了揭示岩石-混凝土界面I型断裂性能随应变率变化规律,本文进行了以下工作:(1)开展了不同粗糙度界面I型断裂性能率相关性研究,分别对4×4界面、自然界面和7×7界面进行了四种应变率下(10-5/s-10-2/s)的直接拉伸试验和三点弯曲断裂试验。通过试验获得了不同应变率下界面抗拉强度、荷载-加载点位移(P-δ)曲线、荷载-裂缝口张开位移(P-CMOD)曲线、起裂荷载和峰值荷载;计算了临界裂缝长度、界面断裂能、双K断裂参数及特征长度;分析了不同应变率下界面断裂过程区演化规律。结果表明:提高界面粗糙度,可以增强界面抵抗起裂和失稳断裂的能力。(2)开展了不同湿度条件下界面I型断裂性能率相关性研究,将4×4界面的试件分为自然湿度组和饱和湿度组,通过试验确定了两种湿度条件下界面的动态抗拉强度、临界裂缝长度、起裂断裂韧度、失稳断裂韧度、粘聚断裂韧度、断裂能、裂缝扩展速率、断裂过程区长度和特征长度等参数,对比了两种湿度条件下各断裂参数的率相关性。结果表明:同一应变率下,自然湿度条件下的失稳断裂韧度大于饱和湿度条件,表明前者抵抗失稳破坏的能力优于后者;随着应变率的增加,两种湿度条件下试件的特征长度均减小,表明材料脆性随着应变率的提高而增强;而同一应变率下,饱和湿度条件下试件的特征长度小于自然湿度条件,表明前者的脆性强于后者。(3)介绍了数字图像相关技术(DIC)的测量原理和操作流程,并应用DIC技术测量了自然和饱和湿度条件下试件在整个加载过程中的全场位移和全场应变。将DIC测量的荷载-裂缝口张开位移(P-CMOD)与夹式引伸计测量结果进行了对比,验证了应用DIC技术测量不同应变率下裂缝张开位移的准确性;研究了两组试件在不同应变率下断裂过程区的演化规律。结果表明:沿韧带方向,不同荷载水平下裂缝张开位移大致呈线性分布,荷载级别较小时,位移分布线性较差,随着试验进行,裂缝张开位移逐渐增大,沿韧带方向的线性分布越来越显著;在自然湿度和饱和湿度条件下,随着应变率的提高,试件完整断裂过程区长度减小,对应的荷载逐渐增大;在相同应变率下,饱和湿度条件下的完整断裂过程区长度小于自然湿度条件,表明相同应变率下,饱和湿度条件下完整断裂过程区形成的更早。
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