【正文】 圖24楔入劈拉試件的豎向荷載一裂縫口張開(kāi)位移的全過(guò)程曲線 Wedge split and vertical load test—The entire crack open mouth displacement curve圖25豎向荷載應(yīng)變關(guān)系曲線圖 The vertical load—Strain curve圖26試件實(shí)際裂紋擴(kuò)展情況 The actual crack propagation of specimen圖27拍攝裂紋圖片 Filming crack picture圖28數(shù)據(jù)處理圖片 The data processing picture圖28同步給出荷載時(shí)間以及荷載開(kāi)口位移的曲線圖，并且標(biāo)注出13個(gè)位置的點(diǎn)，通過(guò)坐標(biāo)能很快找出這個(gè)點(diǎn)的位移情況和當(dāng)時(shí)的荷載大小。6）試驗(yàn)結(jié)果：試件的豎向荷載一裂縫口張開(kāi)位移的過(guò)程曲線如圖24所示。同時(shí)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)準(zhǔn)確記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并保存數(shù)據(jù)到文件。2）擺放好試件并將測(cè)試儀器及測(cè)量設(shè)備的連接安裝調(diào)試。主要用于確定試件的起裂荷載。④夾式引伸儀:主要用于測(cè)量CTOD、CMOD。②荷載傳感器:B1衛(wèi)型拉壓式荷載傳感器，其量程范圍為050KN，主要用于測(cè)量荷載。5）試驗(yàn)裝置，如圖22所示，實(shí)物照片如圖22所示：楔形架應(yīng)變片夾式引申儀上壓板荷載傳感器圖22碾壓混凝土楔入劈拉試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集示意圖Chart 22 the schemes of RCC wedge fracturing test data collection照片22實(shí)驗(yàn)裝置圖Photo 22 experimental device試驗(yàn)在5000kN的壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)中主要需采集以下數(shù)據(jù):試件所受荷載值、裂縫尖端張開(kāi)位移(CTOD)、裂縫口張開(kāi)位移(CMOD)、碾壓混凝土層面裂縫尖端兩側(cè)的應(yīng)變值。在養(yǎng)護(hù)至少48小時(shí)后方可拆模，因?yàn)槟雺夯炷翞楦邠椒勖夯?，其早期?qiáng)度增長(zhǎng)比較緩慢，所以如果拆模過(guò)早，有可能出現(xiàn)掉角現(xiàn)象，影響試件質(zhì)量。其他幾種工況可用于對(duì)間隔時(shí)間相同而層面處理方式不同和間隔時(shí)間不同而層面處理方式相同情況下，碾壓混凝土斷裂性能的系統(tǒng)研究。但這兩種處理方式的間隔時(shí)間并不相同。分層處理的工況是指層面有一定的間隔時(shí)間且層面進(jìn)行一定的處理，其處理方式一種是在層面上鋪一層約為厚的粉煤灰水泥砂漿，然后成型上層混凝土。本體試件層面之間無(wú)間隔且不處理。對(duì)于所有試件分兩次振搗成型，每次成型厚度約為，層面之間放置事先準(zhǔn)備好的鋼片。這樣的構(gòu)造措施可以保證試件在層面上預(yù)制裂紋的可靠性，在碾筑過(guò)程中不會(huì)對(duì)其附近部位的混凝土造成損傷，而且較容易實(shí)現(xiàn)。因此，試驗(yàn)采用了預(yù)埋鋼片的成縫方式。表22 試件的工況Table 22 condition of specimen工況編號(hào)層面間隔時(shí)間層面處理方式Ws0h無(wú)間隔Ws2h2小時(shí)不處理Wsc4h4小時(shí)鋪10mm的粉煤灰水泥砂漿Wsb7h7小時(shí)不處理Wsc7h7小時(shí)鋪10mm的粉煤灰水泥砂漿Wssc24h24小時(shí)刷毛沖洗露出骨料后，鋪10mm的粉煤灰水泥砂漿Wssc72h72小時(shí)刷毛沖洗露出骨料后，鋪10mm的粉煤灰水泥砂漿3）裂紋的制作由于碾壓混凝土的振搗方向與層面裂紋是垂直的，與傳統(tǒng)的混凝土振搗方式不同，因此，層面裂紋的制作不可能采用像傳統(tǒng)的裂紋那樣先預(yù)埋涂黃油的鋼片待初凝時(shí)間過(guò)后拔出鋼片的做法，而只能使用預(yù)埋可確保起到隔離作用的鋼片或先澆筑成型待拆模后鋸縫的成縫方式。如圖21所示，實(shí)物如照片21所示：圖21Chart 21照片21 試件實(shí)物圖Photo 21 specimens根據(jù)施工過(guò)程中可能出現(xiàn)的層面間隔時(shí)間和處理方式及以往從強(qiáng)度的角度研究出現(xiàn)的層面處理形式，同時(shí)也是為了從斷裂力學(xué)的角度系統(tǒng)的比較一下間隔時(shí)間和處理方式對(duì)于層面的影響及各種層面的斷裂特性，試驗(yàn)中所用試件共分為7種工況。加墊層鋪筑允許時(shí)間為1822h。粗骨料采用最大粒徑為20mm的I級(jí)配碎石。同時(shí)進(jìn)行了層面劈拉試驗(yàn),并比較了層面I 型斷裂特性與抗拉強(qiáng)度特性之間的規(guī)律。通過(guò)用不同工況的碾壓混凝土試件近似模擬碾壓混凝土初凝前層面、中間型層面和終凝后層面及本體形式并進(jìn)行I 型斷裂試驗(yàn)。針對(duì)碾壓混凝土重力壩的層面安全穩(wěn)定問(wèn)題,我國(guó)在“八五”攻關(guān)期間進(jìn)行了碾壓混凝土層間的斷裂破壞試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究,取得了一些成果。直接鋪筑允許時(shí)間和加墊層鋪筑允許時(shí)間,根據(jù)工程結(jié)構(gòu)對(duì)層面抗剪能力和結(jié)合質(zhì)量的要求,綜合考慮拌合物特性、季節(jié)、天氣等因素經(jīng)試驗(yàn)確定。由于大、小試件幾何尺寸相似，則有: （230）其中，、分別為大、小試件的裂縫深度。徐世烺教授把Weibull脆性破壞統(tǒng)計(jì)理論與線彈性斷裂力學(xué)相結(jié)合研究混凝土斷裂韌度尺寸效應(yīng)，推導(dǎo)了三點(diǎn)彎曲和緊湊拉伸兩種常用標(biāo)準(zhǔn)試件的斷裂韌度平均值與尺寸因素關(guān)系的表達(dá)式。Hu和Wittmann根據(jù)SEL和MFSL各自的不足提出了混凝土名義抗拉強(qiáng)度尺寸效應(yīng)公式： （222）其中，為名義抗拉強(qiáng)度，為裂縫長(zhǎng)度，為原始縫高比，為抗拉強(qiáng)度： (223) (224)其中和隨試件形式的不同而變化，為無(wú)尺寸效應(yīng)的斷裂韌度。Carpinteri提出了多重分形尺寸定律： （221）其中，為名義抗拉強(qiáng)度，為試件特征尺寸，A是具有應(yīng)力平方物理維數(shù)的常數(shù)，,B具有應(yīng)力集中系數(shù)平方的物理維數(shù)的常數(shù),這兩個(gè)常數(shù)可通過(guò)非線性最小二乘法獲得。式子是基于線彈性斷裂力學(xué)的理論導(dǎo)出的。下面簡(jiǎn)要介紹一下這些理論。線彈性斷裂力學(xué)用于混凝土則始于Kaplan于1961年發(fā)表的文章，隨后眾多的試驗(yàn)結(jié)果表明，凈截面名義應(yīng)力隨試件尺寸的增大而減小，斷裂韌度隨試件尺寸的增大而增大。 混凝土結(jié)構(gòu)尺寸效應(yīng)理論研究現(xiàn)狀早在1939年Webiull就在試驗(yàn)和理論分析的基礎(chǔ)上提出了著名的脆性破壞統(tǒng)計(jì)理論，解釋了脆性材料的拉斷強(qiáng)度依賴于尺寸而變化的現(xiàn)象。三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中試件裂縫兩側(cè)的受力是完全對(duì)稱的，沿著高度的方向上每一層的碾壓混凝土都可以看做是均質(zhì)材料，在這個(gè)方向上它和普通混凝土具有相同的性質(zhì)。 碾壓混凝土斷裂韌度尺寸效應(yīng)公式的確定碾壓混凝土作為混凝土的一個(gè)種類，雖然在施工工藝上與普通混凝土有區(qū)別，但前面研究表明碾壓混凝土斷裂韌度尺寸效應(yīng)規(guī)律與普通混凝土斷裂韌度尺寸效應(yīng)規(guī)律總體是相同的。而對(duì)于混凝土的起裂斷裂韌度有 （212）其中由混凝土的粘聚力引起的臨界裂縫長(zhǎng)度處的應(yīng)力強(qiáng)度因子，可按下式計(jì)算： （213） （214） （215），；當(dāng)時(shí)，；是分布在虛擬裂縫區(qū)粘聚力的合力；，是合力在裂縫張口處的位移。由式（29）可得到 （211）將試驗(yàn)得到的最大荷載及對(duì)應(yīng)的裂縫口臨界張開(kāi)位移,還有求得的混凝土的彈性模量E代入式（211）中，可得到臨界裂縫長(zhǎng)度。裂縫口張開(kāi)位移與荷載的關(guān)系有 （29）對(duì)式（29）進(jìn)行變換有 （210）將試驗(yàn)得到的與CMOD之間的關(guān)系曲線上升段線性范圍內(nèi)任一點(diǎn)的值代入式（210）中可得到混凝土的彈性模量E。斷裂韌性一般隨材料厚度B的增加而下降。當(dāng)KK1 K時(shí)，裂縫處于穩(wěn)定擴(kuò)展階段。將線彈性斷裂力學(xué)、虛擬裂縫模型及混凝土應(yīng)變軟化曲線相結(jié)合，得到混凝土起裂斷裂韌度K和失穩(wěn)斷裂韌度K的計(jì)算公式。研究表明，混凝土裂縫在失穩(wěn)擴(kuò)展前存在穩(wěn)定擴(kuò)展階段。由于層面很薄導(dǎo)致裂紋最初雖然在層面上但后期極有可能擴(kuò)展到碾壓混凝土內(nèi)部，這樣不僅涉及到兩種材料不同的力學(xué)性能，而且破壞機(jī)理也是極為復(fù)雜的。 I型裂紋應(yīng)力函數(shù)分析1）確定應(yīng)力函數(shù)公式根據(jù)彈性力學(xué)知識(shí)，我們可以定義一個(gè)復(fù)變應(yīng)力函數(shù) （21）其中若Z為解析函數(shù)，那么導(dǎo)數(shù)必定能夠確定從而導(dǎo)出CauchyRiemann條件： （22）對(duì)于I型（張開(kāi)型）裂紋情況，采用Westergard指出的應(yīng)力函數(shù)是很方便的。KK 裂縫處于失穩(wěn)擴(kuò)展階段我國(guó)水工混凝土斷裂試驗(yàn)規(guī)程即采用這個(gè)理論研究混凝土的斷裂問(wèn)題，其中對(duì)混凝土失穩(wěn)韌度的計(jì)算即采用了其中的觀點(diǎn)。KKK 裂縫處于穩(wěn)定擴(kuò)展階段。KK 裂縫不擴(kuò)展。由于裂縫尖端存在亞臨界擴(kuò)展，混凝土的開(kāi)裂過(guò)程表現(xiàn)出明顯的非線性特征。 碾壓混凝土層面I型斷裂破壞的試驗(yàn)研究自Kaplan于1961年將線彈性斷裂力學(xué)應(yīng)用于混凝土以來(lái)，混凝土斷裂力學(xué)已經(jīng)走過(guò)了幾十年的發(fā)展歷程。所取子區(qū)位置越接近P點(diǎn)，相關(guān)系數(shù)就越大(相關(guān)系數(shù)具有單峰值)，使相關(guān)系數(shù)取得最大值的子區(qū)中心位置就是P的位置，這就是散斑相關(guān)法原理。根據(jù)統(tǒng)計(jì)相關(guān)原理，對(duì)于物體表面上任意一點(diǎn)的變形的測(cè)量可以通過(guò)研究以該點(diǎn)為中心的子區(qū)的移動(dòng)和變形來(lái)完成。在物體變形不大時(shí)，可以認(rèn)為子區(qū)本身沒(méi)有發(fā)生變化。由于散斑分布的隨機(jī)性，散斑場(chǎng)上每一點(diǎn)周圍的一個(gè)小區(qū)域內(nèi)的斑點(diǎn)分布與其它點(diǎn)是不一樣的，我們通常將這樣的小區(qū)域稱為子區(qū)(或是子集，采樣窗口)。被激光照明的物體可以看作表面粗糙的漫反射體，表面上每一點(diǎn)都可以看作互相獨(dú)立的散射基元，產(chǎn)生散射光(子波)，散射光經(jīng)攝像機(jī)鏡頭在像面上產(chǎn)生了一個(gè)衍射斑(相干脈沖響應(yīng))，所有的衍射班相干迭加形成亮暗相間的光場(chǎng)—散射場(chǎng)(即物面的散射圖)。散斑場(chǎng)可由激光照射漫反射表面后干涉產(chǎn)生，也可由人工散斑化的方法制作，甚至某些材料表面的自然紋理可直接當(dāng)成散斑場(chǎng)。數(shù)字散斑圖像是數(shù)字化的散斑場(chǎng)。3）討論碾壓混凝土材料的損傷問(wèn)題。本文主要進(jìn)行了以下幾個(gè)方面的工作:1）應(yīng)用白光數(shù)字散斑法實(shí)驗(yàn)研究碾壓混凝土試件Ⅰ型裂紋損傷及開(kāi)裂過(guò)程，分析試件幾何尺寸對(duì)碾壓混凝土材料損傷及裂紋擴(kuò)張規(guī)律的影響，即尺寸效應(yīng)問(wèn)題。這是我國(guó)強(qiáng)震區(qū)高拱壩抗震研究中的薄弱環(huán)節(jié)，急需加強(qiáng)。試驗(yàn)時(shí)采用的試件尺寸和形狀、試驗(yàn)方法和加載速度不同，測(cè)得的數(shù)據(jù)也不同。另外，特別值得注意的是，具有初始靜載試驗(yàn)的極限彎拉強(qiáng)度并不小于動(dòng)態(tài)彎拉強(qiáng)度，不同初始靜載對(duì)極限彎拉強(qiáng)度未見(jiàn)有不利的影響?！熬盼濉逼陂g，中國(guó)水利水電科學(xué)研究院結(jié)合小灣高拱壩工程，進(jìn)行了大壩全級(jí)配混凝土靜、動(dòng)態(tài)試件的試驗(yàn)研究。組成混凝土各相材料的力學(xué)特性是進(jìn)行數(shù)值模擬的基礎(chǔ)。文獻(xiàn)系統(tǒng)地討論了混凝土單軸壓、單軸拉，剪切(Ⅱ，Ⅲ及混合型)微裂縫產(chǎn)生、擴(kuò)展過(guò)程和細(xì)觀力學(xué)機(jī)制，研究了骨料尺寸、類型、水灰比、養(yǎng)護(hù)條件以及壓板摩擦約束和剛度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。宋玉普介紹了全級(jí)配混凝土試件進(jìn)行的系列試驗(yàn)，研究了全級(jí)配混凝土試件單軸抗拉、抗壓、劈拉抗拉和抗折的強(qiáng)度及變形等特性，對(duì)試件的破壞形態(tài)及裂紋傳播路徑等進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)處理。所見(jiàn)的國(guó)內(nèi)最早進(jìn)行水泥漿體與骨料界面結(jié)合能力試驗(yàn)研究是同濟(jì)大學(xué)的吳科如等人,討論了增強(qiáng)硬化水泥漿體粗骨料界面結(jié)合力對(duì)混凝土斷裂能的影響。但在細(xì)觀層次上，研究混凝土各相材料的試驗(yàn)資料并不多。試驗(yàn)的作用有兩個(gè)方面：一方面，為細(xì)觀數(shù)值模擬提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括試樣組成材料的細(xì)觀力學(xué)性質(zhì)、試樣的尺寸等；另一方面，檢驗(yàn)數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。與計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)的擬動(dòng)力伺服加載系統(tǒng)可以在靜力狀態(tài)下量測(cè)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)。CT掃描，微波內(nèi)部成像，聲發(fā)射以及光纖應(yīng)變傳感器等已應(yīng)用于解決應(yīng)力、位移、裂縫、內(nèi)部缺陷、損傷及振動(dòng)的量測(cè)問(wèn)題。為了建立混凝土細(xì)微觀結(jié)構(gòu)各種缺陷及其特性的不均勻性與其在宏觀力學(xué)特性的關(guān)系，自20世紀(jì)70年代末，人們發(fā)展了混凝土細(xì)觀力學(xué)研究方法。而著眼于宏觀裂紋分析的混凝土裂斷力學(xué)理論和方法，主要研究裂紋尖端附近的應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)和能量釋放率等，以建立宏觀裂紋起裂、裂紋的穩(wěn)定擴(kuò)展和失穩(wěn)擴(kuò)展的判據(jù)。不均勻性是混凝土材料的最本質(zhì)的特點(diǎn)，微裂縫是決定其性能的主導(dǎo)因素。粘結(jié)裂縫的數(shù)量取決于許多因素，包括骨料尺寸及其級(jí)配、水泥用量、水灰比、固化強(qiáng)度、養(yǎng)護(hù)條件、環(huán)境濕度和混凝土的發(fā)熱量等。這是由于水泥砂漿在混凝土硬化過(guò)程中干縮引起的。 對(duì)混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)的研究表明，即使在加載以前，混凝土內(nèi)部已有微裂縫存在。強(qiáng)度理論也從最簡(jiǎn)單的最大拉應(yīng)力理論、最大拉應(yīng)變理論，發(fā)展到單剪應(yīng)力系列、八面體剪應(yīng)力系列、雙剪應(yīng)力系列，直至現(xiàn)在的統(tǒng)一強(qiáng)度理論。長(zhǎng)期以來(lái)，人們對(duì)混凝土材料和構(gòu)件宏觀力學(xué)性能的劣化直至破壞全過(guò)程的機(jī)理、本構(gòu)關(guān)系、力學(xué)模型和計(jì)算方法都非常重視，并且用各種理論和方法進(jìn)行了研究。當(dāng)小于特征體積時(shí)，材料的非均質(zhì)性質(zhì)將會(huì)十分明顯；當(dāng)大于特征體積時(shí)，材料假定為均質(zhì)。由泌水、干縮和溫度變化引起粗骨料和水泥砂漿之間產(chǎn)生初始粘結(jié)裂縫，而這些細(xì)觀內(nèi)部裂隙的發(fā)展將直接影響混凝土的宏觀力學(xué)性能；(3)宏觀層次(Macrolevel)。砂漿中的孔隙很小而量多，且隨機(jī)分布，水泥砂漿力學(xué)性能可以看作細(xì)觀均質(zhì)損傷體。從分子尺度到宏觀尺度，其結(jié)構(gòu)單元尺度變化范圍在10厘米至幾厘米，或更大些，著眼于粗細(xì)骨料、水泥水化物、孔隙、界面等細(xì)觀結(jié)構(gòu)，組成多相復(fù)合材料，可按各類計(jì)算模型進(jìn)行數(shù)值分析。材料 的結(jié)構(gòu)單元尺度在原子、分子量級(jí)，即從小于10～10厘米著眼于水泥水化 物的微觀結(jié)構(gòu)分析。 從細(xì)觀力學(xué)研究碾壓混凝土 研究方法混凝土是由水、水泥和粗細(xì)骨料組成的復(fù)合材料。這就使得有時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果不能反映試樣的材料特性，而只能是整個(gè)試樣—加載系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性。試驗(yàn)可以為我們提供第一手的寶貴資料，但