【正文】 作了大量試驗。關(guān)于混凝土本構(gòu)關(guān)系的研究也有大量文獻(xiàn)，概括起來混凝土本構(gòu)關(guān)系模型主要有以下三種：(a) 彈性本構(gòu)模型,包括線彈性和非線性彈性本構(gòu)模型；(b)以經(jīng)典塑性理論為基礎(chǔ)的本構(gòu)模型；(c)基于不可逆熱力學(xué)的本構(gòu)模型，包括內(nèi)蘊時間模型和損傷力學(xué)模型。這種微裂縫一般首先在較大骨料顆粒與砂漿接觸面(粘結(jié)帶)上形成，即所謂的初始粘結(jié)裂縫。砂漿和粗骨料接觸面處是混凝土內(nèi)部的薄弱環(huán)節(jié)，正是這種接觸面導(dǎo)致混凝土具有較低的抗拉強(qiáng)度。由于骨料和砂漿的剛度不同，在加載過程中，這種裂縫還將進(jìn)一步發(fā)展，以致使混凝土在宏觀上的應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出非線性。材料和物理學(xué)家從微觀的角度研究微缺陷產(chǎn)生和擴(kuò)展的機(jī)理，但是所得結(jié)果不易與宏觀力學(xué)量相關(guān)聯(lián)。但是斷裂力學(xué)無法分析宏觀裂紋出現(xiàn)以前材料中微缺陷或微裂紋的形成及其發(fā)展對材料力學(xué)性能的影響。 混凝土細(xì)觀力學(xué)的試驗研究隨著自動控制系統(tǒng)和電液伺服加載系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)試驗中的廣泛應(yīng)用，從根本上改變了試驗加載的技術(shù)，由過去的重力加載逐步改進(jìn)為液壓加載，進(jìn)而過渡到低周反復(fù)加載、擬動力加載以及地震模擬隨機(jī)振動臺加載等。在試驗數(shù)據(jù)的采集和處理方面，實現(xiàn)了量測數(shù)據(jù)的快速采集、自動化記錄和數(shù)據(jù)自動處理分析等。由計算機(jī)完成的各種數(shù)據(jù)采集和自動處理系統(tǒng)可以準(zhǔn)確、及時、完整地收集并表達(dá)荷載與試件材料行為的各種信息。在從細(xì)觀層次入手進(jìn)行混凝土的斷裂過程模擬時，混凝土被視為由砂漿基質(zhì)、粗骨料以及兩者之間界面組成的復(fù)合材料，必須通過試驗確定這三相組成材料的力學(xué)性質(zhì)(包括 彈性模量、強(qiáng)度、本構(gòu)關(guān)系等)，以此為基礎(chǔ)才能進(jìn)行混凝土試樣的斷裂過程模擬，但是模擬結(jié)果還必須與真實試件的宏觀試驗結(jié)果進(jìn)行比較，以驗證其正確性和適用性。進(jìn)行細(xì)觀力學(xué)數(shù)值模擬試驗要以基本試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，數(shù)值模擬的結(jié)果最終還要得到宏觀試驗結(jié)果的驗證。劉光廷等給出了粗骨料、水泥漿體及其結(jié)合面的抗拉強(qiáng)度、彈模等統(tǒng)計參數(shù)。van Mier J G M.、Horsch T和Schlangen E等給出了混凝土三相組成材料的力學(xué)特性具有參考價值的試驗資料。應(yīng)該指出，上述文獻(xiàn)有關(guān)骨料、固化水泥砂漿基質(zhì)的力學(xué)特性都有一些試驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)，而水泥骨料結(jié)合面力學(xué)特性指標(biāo)的試驗研究則較為少見。為了獲得這些基本參數(shù)，有針對性地進(jìn)行試驗，特別是對水泥骨料結(jié)合面的力學(xué)特性開展研究是必不可少的。該項試驗研究試件樣本容量較少，但據(jù)此得出的初步結(jié)論表明：在與高拱壩長周期相應(yīng)的加載速率下，全級配混凝土和濕篩混凝土的動態(tài)抗壓強(qiáng)度及動態(tài)抗壓彈性模量較靜態(tài)值提高幅度不等，但都低于目前規(guī)范所規(guī)定的30%；在試驗的加載速度下，全級配混凝土的動態(tài)彎拉強(qiáng)度和動態(tài)彎拉彈性模量較靜態(tài)值提高幅度均低于30%?；炷潦且环N多相介質(zhì)的復(fù)合材料，其力學(xué)特性與所采用的水泥標(biāo)號、骨料質(zhì)量、水灰比、混凝土的配合比、制作方法、養(yǎng)護(hù)條件以及混凝土齡期等有關(guān)。因此，深入系統(tǒng)地進(jìn)行全級配大壩混凝土的靜、動態(tài)試驗研究，弄清全級配混凝土和濕篩混凝土的力學(xué)特性及其在不同初始靜載時的動強(qiáng)度變化規(guī)律對高拱壩抗震設(shè)計是至關(guān)重要的。 本文的主要研究工作 應(yīng)用白光數(shù)字散斑法實驗研究碾壓混凝土試件Ⅰ型裂紋損傷及開裂過程，探索碾壓混凝土材料的破壞機(jī)理，分析碾壓混凝土材料的斷裂規(guī)律 。 2研究I型裂縫起裂狀態(tài)下裂縫擴(kuò)展以及誘導(dǎo)縫開裂情況等問題。2 碾壓混凝土試驗 DSCM—白光數(shù)字散斑相關(guān)方法數(shù)字散斑相關(guān)方法(Digital Speckle Correlation Method,DSCM)又稱為數(shù)字圖像相關(guān)(Digital Image Correlation,DIC)、數(shù)字圖像/散斑相關(guān)(DigitalImage/Speckle Correlation，DISC)以及數(shù)字強(qiáng)度相關(guān)方法(Digital Inetnsity Correlation Method，DICM)等，其基本原理是匹配物體表面不同變形條件下的數(shù)字化散斑圖像上的幾何點，跟蹤點的運動位置從而獲得物體表面變形信息。散斑場是一種圖像顏色強(qiáng)度高度隨機(jī)分布的結(jié)構(gòu)，其統(tǒng)計特性表明圖像中一個點一定大小鄰域內(nèi)的散斑圖案作為整體唯一地區(qū)別于圖像中其他任何點鄰域內(nèi)的散斑圖案，這是散斑場用來表征點的位置的理論依據(jù)。 數(shù)字散斑相關(guān)的基本原理在數(shù)字散斑相關(guān)法中，用一束激光照明被測物體表面并拍攝物面變形前后的散斑圖像。前面我們已經(jīng)說過，散斑分布是隨機(jī)的，而當(dāng)光源不變時候，散斑場又是固定的。當(dāng)物面在某種物理作用下發(fā)生微小形變時，可以認(rèn)為變形只改變散射基元的空間位置而基本上不影響其散射特性，因而也基本上不影響散斑場的微觀結(jié)構(gòu)，這樣散斑圖上每一點的子區(qū)也基本上僅僅隨該點做相應(yīng)的位移。假設(shè)在物體變形前，物面上的待測點p在變形后位移到了P，則變形前散斑圖上點p的子區(qū)A就與變形后散斑圖上點P的子區(qū)B相對應(yīng)，兩者的相關(guān)性最高，相關(guān)系數(shù)最大。因此P位置可以通過對子區(qū)的相關(guān)搜索來找出，具體做法是在變形后的散斑圖上取一系列位置不同的子區(qū)(大小與子區(qū)A相等)，逐個與A相關(guān)，計算相關(guān)系數(shù)。因此通過記錄物體變形前后的兩幅散斑灰度圖，找到某一子區(qū)的相關(guān)最大點，即可以得到物體位移或變形后該子區(qū)的位置，從而確定物體的位移量。關(guān)于混凝土I型斷裂的研究也由最初的將線彈性斷裂力學(xué)直接應(yīng)用于混凝土到考慮混凝土的非線性特征。而傳統(tǒng)意義上的線彈性斷裂力學(xué)和適用于金屬材料的斷裂模型并不適合混凝土材料，根據(jù)混凝土現(xiàn)有理論結(jié)合混凝土自身變形特點，研究學(xué)者相繼提出了適用于混凝土類非線性材料的雙K模型，將混凝土裂縫前端斷裂過程區(qū)的粘聚力與能得到解析解的應(yīng)力強(qiáng)度因子概念結(jié)合起來，提出了混凝土起裂韌度K和失穩(wěn)斷裂韌度K的計算方法，同時提出了雙K斷裂準(zhǔn)則來描述混凝土破壞的全過程:裂縫初始起裂、穩(wěn)定擴(kuò)展和失穩(wěn)破壞。K=K 裂縫開始穩(wěn)定擴(kuò)展。K=K 裂縫開始失穩(wěn)擴(kuò)展。但對于起裂韌度的計算，規(guī)程中并沒有采用雙K斷裂理論通常所用的由失穩(wěn)韌度減去由粘聚力所引起的應(yīng)力強(qiáng)度因子的方法，而是通過由試驗曲線直接確定起裂荷載，進(jìn)而直接計算起裂韌度。其為： （23）其中 根據(jù)CauchyRiemann方程有 （24）由此各應(yīng)力可按下式確定： （25）2)本體的雙K斷裂參數(shù)的確定碾壓混凝土層面問題嚴(yán)格的說應(yīng)屬于兩種相同材料之間結(jié)合另一種材料的復(fù)合材料問題。而且在實際的碾壓過程中，由于兩種材料之間相互的滲透，使得在層面的位置的材料所體現(xiàn)出來的性質(zhì)可能為二者綜合的性質(zhì)，因此，本文將碾壓混凝土與層面作為一個整體，將其作為一種材料從宏觀的角度加以考慮，運用已有的理論以試驗得到的結(jié)果為依據(jù)分析各種工況層面的影響及規(guī)律。混凝土裂縫擴(kuò)展過程可大致分為裂縫起裂、穩(wěn)定擴(kuò)展、失穩(wěn)擴(kuò)展三個階段。認(rèn)為當(dāng)K1= K時，裂縫開始起裂。當(dāng)K1=K時，裂縫開始失穩(wěn)擴(kuò)展。 雙K斷裂參數(shù)的計算公式裂縫尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子按以下公式計算: （26） 式中：為裂縫的應(yīng)力強(qiáng)度因子； （27）是裂縫的相對縫長，為裂縫的長度，為試件高度，t為試件厚度， 為刀口厚度，單位均為（m）；為試件施加的水平荷載（KN） （28）式中：為試驗測得的豎向荷載（KN）；為楔形加載架的重量（KN），；為楔形加載器的楔面與縱軸的夾角，這里。試驗的過程中，當(dāng)荷載達(dá)到最大值時，對應(yīng)的裂縫口張開位移、裂縫長度達(dá)到臨界值，即裂縫口臨界張開位移、臨界裂縫長度。將和代入式（26）中，就得到了雙K斷裂參數(shù)中的混凝土失穩(wěn)斷裂參數(shù)，即，其中。 （216）式中 （217）這里,為裂縫尖端臨界張開位移，其與裂縫口臨界張口位移的關(guān)系式為： （218）這樣由式（213）可計算得到由混凝土粘聚力引起的臨界裂縫長度處的應(yīng)力強(qiáng)度因子，將其代入式（212）中可得到混凝土的起裂斷裂韌度。而且，碾壓混凝土雖然是各向異性材料，但試驗中試件的碾壓層方向與裂縫的開裂方向是垂直的。因而，本文確定碾壓混凝土斷裂韌度的尺寸效應(yīng)公式的方法是在現(xiàn)有普通混凝土斷裂韌度尺寸效應(yīng)公式的基礎(chǔ)上，結(jié)合已有碾壓混凝土斷裂韌度試驗結(jié)果選定一個適用于碾壓混凝土的公式形式并確定其中的參數(shù)。Webiull根據(jù)環(huán)節(jié)破壞的概率作為應(yīng)力的函數(shù)，計算出一種材料體積為V1和V2的兩試件破壞時的應(yīng)力比為: （219）其中，m為威布爾模數(shù)。同時關(guān)于混凝土尺寸效應(yīng)公式的理論研究也有很多，國外有Bazant、Carpinteri、wittmann等人在這方面進(jìn)行過深入地研究，國內(nèi)大連理工大學(xué)的徐世良在這方面也進(jìn)行了研究。Bazant提出了尺寸效應(yīng)定律： （220）其中，為名義抗拉強(qiáng)度，為試件特征尺寸，為強(qiáng)度參數(shù)（可以認(rèn)為是直接拉伸強(qiáng)度），B和是兩個經(jīng)驗常數(shù)，通過擬和各種尺寸幾何形狀相似試件的試驗結(jié)果來確定，是最大骨料粒徑。當(dāng)試件尺寸為無限大時，其存在抗拉強(qiáng)度趨于零的情況，這與事實不符。式子則存在另一個缺點，即當(dāng)試件特征尺寸趨于零時，名義抗拉強(qiáng)度趨于無窮大，這同樣與事實不符。徐世良提出的混凝土斷裂韌度尺寸效應(yīng)公式： （225）其中，、分別為小試件的高度、體積和測定的斷裂韌度，、分別為大試件的高度、體積和預(yù)推測的斷裂韌度，為Weibull模量，它與所測得的失穩(wěn)斷裂韌度實驗值的變異系數(shù)有關(guān)： （226） 本文選擇的尺寸效應(yīng)公式本文根據(jù)已做實驗中所得到的參數(shù)對于公式的適用性以及公式本身的實用等因素，選擇了徐世烺凝土斷裂韌度尺寸效應(yīng)公式和Hu與Wittmann基于名義抗拉強(qiáng)度尺寸效應(yīng)公式提出的混凝土斷裂韌度尺寸效應(yīng)公式及本文基于Hu公式提出的混凝土斷裂韌度尺寸效應(yīng)公式作為碾壓混凝土斷裂韌度尺寸效應(yīng)的試驗公式。 （227）其中，、分別為小試件的高度、體積和測定的斷裂韌度，、分別為大試件的高度、體積和預(yù)推測的斷裂韌度，為Weibull模量，它與所測得的失穩(wěn)斷裂韌度實驗值的變異系數(shù)有關(guān)： （228） （229）其中，和分別為隨機(jī)變量K的方差和數(shù)學(xué)期望。所以碾壓混凝土斷裂韌度尺寸效應(yīng)公式也可表示成縫長的函數(shù)： （231） 碾壓混凝土層面斷裂及劈拉破壞 碾壓混凝土層面的形式因間隔時間和層面處理方式的不同而分為多種形式,我國對于碾壓混凝土層面的處理可分為3 種類型:初凝前層面、中間型層面和終凝后層面。層面雖然經(jīng)過處理,但大量的層面還是容易產(chǎn)生隱狀的層狀結(jié)構(gòu),影響層面的粘結(jié)強(qiáng)度,往往使水平層面變?yōu)槿趺?。但是目前關(guān)于碾壓混凝土層面的斷裂破壞的研究僅限于對一種或兩種層面斷裂韌度的測試和斷裂準(zhǔn)則的探討,并沒有像層面的強(qiáng)度破壞的研究那樣系統(tǒng)地研究多種層面的斷裂特性規(guī)律,也沒有從斷裂的角度討論過各種層面的優(yōu)劣。通過對試驗結(jié)果進(jìn)行分析,總結(jié)了各種層面形式的斷裂韌度的規(guī)律,并從細(xì)觀的角度分析了其中的原因,比較了層面處理方式和間隔時間對于層面斷裂性能的影響。 試驗設(shè)計1) 材料的選擇和配合比試驗用水為生活用自來水，粉煤灰選用II級粉煤灰，砂子為天然中砂，篩出粒徑大于5mm的顆粒，含泥量不大于2%。外加劑為DK5混凝土低引氣高效減水劑。 表21碾壓混凝土及砂漿配合比Table 21 roller pacted concrete and cement mortar mix proportion材料水水泥粉煤灰砂石子外加劑混凝土130134908051280%層面處理用的砂漿23740412011092)試件制作本次試驗采用楔入劈拉試件形式，如圖所示，試件參數(shù)如下:試件尺寸為，其預(yù)制裂縫的縫深為，縫厚為。每種工況的試件個數(shù)為6個，其具體間隔時間和處理方式如表22所示。而楔入劈拉試件的縫深過大鋸縫難以滿足要求。裂紋通過預(yù)埋一片外裹塑料隔離層鋼片的方式形成，鋼片外面的塑料隔離層的目的是為了防止鋼片同混凝土粘在一起。4）試件成型試件在鋼模中碾筑。但每種試件的間隔時間及處理方式不同。分層不處理工況是指在層面有一定的間隔時間但層面不做任何處理也不鋪砂漿，即直接鋪筑上一層混凝土。另一種是將層面作刷毛沖洗處理，去掉表面的浮漿，露出層面處的粗骨料，再在其上面鋪一層約為厚的粉煤灰水泥砂漿，最后成型上層混凝土。初凝前層面、中間型層面和終凝后層面的確定主要是由間隔時間的屬性來判斷，當(dāng)然它和層面處理方式也有著直接的聯(lián)系，綜合兩方面的因素，再結(jié)合前文中我國碾壓混凝土研究中對于間隔時間屬性的界定，可認(rèn)為wsb2h工況屬于初凝前層面形式，wsc7h工況屬于中間型層面形式，wssc24h工況屬于終凝后層面形式。碾壓混凝土振搗成型后要馬上進(jìn)行壓實抹面。試件成型后，灑水養(yǎng)護(hù)90天。因此，我們選用了下列幾種儀器:①研華數(shù)據(jù)采集系統(tǒng):主要用于采集荷載、CTOD、CMOD及測量點應(yīng)變。③萬用表:主要用于加載速度的監(jiān)控，并記錄最大荷載值與采集系統(tǒng)得到的最大值相互驗證。⑤應(yīng)變片:采用長為1cm的膠基應(yīng)變片，其布置方式如圖23所示，采用全橋方式連接。圖23Chart23試驗步驟如下：1）在所有實驗之前先標(biāo)定各測量設(shè)備，確定儀器的可靠性。3）各項準(zhǔn)備工作完成后開始加載，加載通過萬用表監(jiān)控荷載，而且盡量保持勻速加載，避免荷載出現(xiàn)沖擊影響效應(yīng)。加載到試件劈拉破壞為止。試件的豎向荷載應(yīng)變關(guān)系曲線如圖25所示。 試驗曲線:各種工況豎向荷載裂縫口張開位移曲線