混凝土面板的徐变损伤特性及开裂行为研究

第1章 绪论 1.1 研究背景及意义 混凝土面板堆石坝(concrete face rockfill dam，CFRD)具有良好的适应性、安全性和经济性，在国内外得到广泛应用，是坝工建设的首选坝型[1-5]。目前，世界已建混凝土面板堆石坝近400座[6]，我国的数量*多，占总量的近一半。世界已建典型面板堆石坝包括我国湖北省水布垭面板堆石坝(坝高233m，目前世界*高)、湖南省三板溪面板堆石坝(坝高185.5m)、贵州省洪家渡面板堆石坝(坝高179.5m)、广西壮族自治区天生桥一级面板堆石坝(坝高178m)、四川省紫坪铺面板堆石坝(坝高156m)和新疆维吾尔自治区吉林台面板堆石坝(坝高157m)等，以及马来西亚Bakun面板堆石坝(坝高205m)、墨西哥Aguamilpa面板堆石坝(坝高187m)、巴西Barra Grande面板堆石坝(坝高185m)和Campos Novos面板堆石坝(坝高202m)、冰岛Karahnjukar面板堆石坝(坝高198m)等。面板堆石坝的建设正在向超高坝发展，坝高由200m级向300m级跨越。我国在交通不便、土料匮乏、石料丰富的高山峡谷地区，规划建设了多座超高(300m级)混凝土面板堆石坝[7-9]，如古水、如美、马吉及茨哈峡混凝土面板堆石坝。这些超高混凝土面板堆石坝的建设通常面临复杂地形/地质条件、高地震烈度等恶劣条件的挑战。大坝一旦遭到破坏，不仅会造成重大的经济损失，对下游形成的次生灾害还将对人民生命财产造成难以估量的损失。 混凝土面板堆石坝以堆石体作为支撑结构，承担着向下游堆石体传递水压及大坝防渗的重任，是面板堆石坝设计、施工、运行管理过程中*关键的对象，对大坝的安全运行起着决定性作用。从空间结构看，混凝土面板的长度较长、宽度较小、厚度很小，是一块长条形的薄板，属于薄壁结构。在水压、堆石体变形、温度变化、冻融等外部作用引起的结构应力、温度应力、干缩应力作用下，面板容易发生损伤，甚至开裂破坏。国内外混凝土面板堆石坝工程实例表明，面板普遍存在损伤或开裂性状，个别工程面板损伤开裂严重，对大坝结构安全构成了严重威胁[10-14]。例如，我国公伯峡面板堆石坝水位波动区面板产生竖向裂缝；天生桥一级面板堆石坝和水布垭面板堆石坝面板在垂直接缝处均产生不同程度的挤压破坏；紫坪铺面板堆石坝经历超设计标准地震后产生面板挤压破坏、错台和脱空等震损现象；墨西哥Aguamilpa面板堆石坝面板中下部产生贯通的横向裂缝；巴西Barra Grande和Campos Novos面板堆石坝均产生不同程度面板结构性裂缝或挤压破坏。工程实践表明，混凝土面板的损伤和开裂问题已成为影响工程安全的关键问题，关系到混凝土面板堆石坝建设的重大基础性和普遍性的核心问题，如何采取合理措施改进和避免面板开裂或压损破坏的发生是面板堆石坝建设中面临的*关键技术难题。 近年来，国内外学者围绕面板防裂问题陆续开展了系列研究工作。但由于混凝土面板损伤和开裂是一个复杂的非线性问题，加上面板堆石坝变形机理复杂、影响因素众多，目前已有研究成果对面板损伤和开裂问题的认识远不能达到科学、全面、系统的水平。因此，研究混凝土面板的徐变损伤特性及开裂行为，揭示其细观损伤与宏观开裂机理，可以为混凝土面板堆石坝的建设和运行提供理论基础，具有重要科学意义和应用价值。 1.2 研究进展 1.2.1 混凝土徐变特性研究 徐变变形是指材料因荷载的长期作用而产生持续变形，一般可达到2～4倍弹性变形，进行混凝土结构设计时，须充分考虑徐变变形对于混凝土结构的影响[15]。大量试验研究表明，混凝土的徐变变形行为与其承受的持续荷载水平密切相关。 Smadi等[16]针对高、中、低三种不同强度等级的混凝土试件，分别进行了不同水平荷载持续作用的徐变试验研究。结果表明，对于中、低两种强度等级的混凝土而言，线性徐变与非线性徐变的临界荷载水平约为混凝土抗压强度的45%，对于高强度等级的混凝土，线性徐变与非线性徐变的临界荷载水平约为混凝土抗压强度的65%，并且在同一水平荷载持续作用下，混凝土徐变变形与强度等级呈负相关。Lee等[17]针对四种不同配合比的混凝土试件，分别施加了0.1倍、0.2倍、0.3倍及0.4倍混凝土抗压强度的持续荷载，观测混凝土试件的基本徐变及收缩徐变。研究结果表明，混凝土的徐变变形与承受持续荷载水平不呈正比关系。Maia等[18]研究了加载龄期及荷载水平对高强度自密实混凝土徐变变形行为的影响，进行了为期600d，作用荷载为30%抗压强度，加载龄期分别为12h、16h、20h、24h、48h及72h的徐变试验，针对12h及24h还增设了作用荷载为20%及40%抗压强度的对照组，并与Eurocode 2模型预测结果进行了比较。研究结果表明，应力与应变是非线性关系，应变的增长远高于应力的增长，并且荷载水平越高，Eurocode 2模型预测结果的误差也越大。Rossi等[19]研究了作用荷载分别为30%、50%及70%混凝土28d抗压强度时的徐变特性。研究发现，在高水平荷载持续作用下，混凝土的徐变变形是非线性的，并通过混凝土内部微裂缝演变机理解释了这一特性。Hamed[20]针对混凝土圆柱体试件研究了混凝土非线性徐变特性，分别监测了圆柱体试件在单轴持续压缩荷载分别为30%、50%、60%及70%混凝土抗压强度下的徐变变形，并测试了各组徐变对混凝土抗压强度的影响，发现了混凝土徐变变形与持续荷载水平存在明显的非线性关系，且荷载水平越高，对混凝土抗压强度的影响也就越大。 在我国，李兆霞[21]研究了混凝土分别在34%、43%、51%、60%及70%抗压强度下的徐变变形。结果表明，随着持续荷载水平的提高，徐变变形与持续荷载水平不再线性相关。之后又进行了混凝土分别在83%、85%及90%抗压强度下的徐变破坏试验。结果表明，在高荷载水平持续作用下，混凝土试件*终会发生破坏，荷载水平越高，试件破坏时间也就越短。王德法等[22]针对混凝土试件进行了不同水平荷载持续作用的轴拉试验。结果表明，当持续荷载水平较低时，混凝土徐变速率逐渐降低，*终趋于稳定；而当持续荷载水平较高时，混凝土徐变变形会不断增加，*终发生破坏。杨杨等[23]针对早龄期高强混凝土，分别进行了水灰比为0.3、0.4、0.5，加载龄期为12h、18h、1d、3d、7d及加载应力强度比为20%、30%、40%等组合的拉伸徐变试验，探究了混凝土在不同试验条件下的拉伸徐变特性。结果表明，当加载龄期为12h及18h时，混凝土拉伸徐变与持续荷载水平不呈线性相关关系；而当加载龄期为1d、3d、7d时，混凝土拉伸徐变与持续荷载水平呈线性相关关系。吴韶斌[24]通过弯拉及单轴压缩徐变试验，研究了混凝土在不同荷载水平作用下的徐变特性，并发现了混凝土徐变随着荷载水平的提高存在明显的非线性相关关系，*终提出混凝土内部损伤的发展是导致徐变非线性的主要原因。刘凯[25]针对混凝土梁进行了四点弯曲徐变试验，研究了混凝土梁在不同试验条件下的弯曲试验特性。结果表明，混凝土梁的徐变变形速率与荷载水平呈正相关关系。 综上所述，混凝土的徐变变形与持续荷载水平呈现明显的非线性相关关系，这是混凝土的徐变变形是徐变和损伤共同作用的结果。目前，人们对多因素作用下混凝土徐变特性和徐变-损伤耦合机理的认识不足，因此深入探究混凝土徐变与损伤的相互作用是十分必要的。 1.2.2 混凝土损伤特性研究 目前，针对混凝土损伤特性的相关研究主要从试验检测和理论分析两个方面展开。 无损检测技术可以在不改变混凝土结构内部结构的前提下对结构内部的损伤进行检测，具有检测精度高、可反复对结构进行检测等多方面优点，因此该技术是当前混凝土损伤特性检测*常用的方法之一[26-29]。无损检测技术主要分为超声波检测技术[30-33]、冲击回波法[34，35]、声发射(acoustic emission，AE)技术[36-39]等。其中，由于声发射技术具有可实时监测混凝土材料内部损伤演化规律，且对监测结构的形状要求较低的优点，被广泛应用于混凝土结构劣化的检测中[40-43]。众多学者利用声发射技术对混凝土内部损伤进行了一系列研究。1959年，Rusch[44]首次对混凝土材料循环受压后的声发射信号进行了研究，并证实只有历史应力水平小于80%极限应力时，才存在明显的Kaiser效应，即声发射具有一定的不可逆性。Sagar等[45]对含有预制裂缝的水泥砂浆试件和混凝土试件分别进行了三点弯曲试验，并通过释放的声发射信号研究试件的断裂过程，*终得出结论，基于声发射技术的b值分析法可准确识别损伤的发展。Colombo等[46]采用b值分析法对钢筋混凝土梁抗弯试验过程中的声发射信号进行处理，发现b值的变化与钢筋混凝土梁的破坏过程具有良好的契合性。Suzuki[47]针对混凝土试件的芯样进行单轴压缩试验，并采集了试验过程中的声发射信号，进而定量分析了试验过程中混凝土试件损伤的发展。Abdelrahman等[48]基于声发射能量累计参数，提出了一种修正损伤参数，并通过试验论证了该修正损伤参数的变化与预应力混凝土梁的损伤程度存在密切关系。Prosser[49]提出了一种声发射模型，该模型具有良好的噪声控制性能。Shield[50]采用三点梁弯曲试验论证了声发射事件率与裂缝发生的相关性。目前，声发射技术作为一种检测技术，已广泛应用于材料退化程度及各种系统健康状况的评价中，如桥梁疲劳裂缝的检测与定位[51，52]、隧道衬砌的稳定性监测[53，54]、混凝土梁板的检测[55，56]。 在理论分析方面，科研工作者对混凝土材料微裂缝的发展过程做了大量研究，并且建立了相关损伤模型及演变方程。20世纪50年代，Kachanov[57]先使用连续变量对受损材料力学性能变化的连续性进行了描述，为损伤力学的发展奠定了一定的理论基础。20世纪80年代，Dougill等[58]首次将损伤理论应用到了混凝土的研究中。Wittmann等[59]在混凝土微观结构方面开展了研究。结果表明，在加载前，混凝土中已存在大量微缺陷、微裂缝等初始损伤。欧进萍等[60]和朱劲松等[61]通过混凝土疲劳试验揭示了混凝土疲劳损伤的发展规律，进而构建了混凝土疲劳损伤模型。吕培印等[62，63]基于损伤力学理论及边界面概念，建立了混凝土双压疲劳损伤模型，并根据连续损伤理论，构建了混凝土单轴拉-压疲劳损伤模型。李正等[64]对已有的混凝土弹性损伤模型进行了修正，更加准确地描述混凝土在循环荷载作用下的受拉行为。李同春等[65]构建了混凝土四参数等效应变损伤模型，以准确描述混凝土在复杂应力条件下的损伤本构关系。傅强等[66]开展了混凝土三轴压缩试验和三轴蠕变试验，根据试验结果推求了表征混凝土损伤特性的统计损伤参数，并基于Burgers流变模型构建了混凝土蠕变统计损伤模型。白卫峰等[67，68]基于试验现象及统计损伤理论，考虑了混凝土断裂及屈服两种损伤模式，构建了双轴拉-压应力状态下的混凝土损伤本构模型，并从各指标定量分析了混凝土双轴拉-压应力状态下的损伤机制。针对材料内部微裂缝的产生和扩展，以及材料破坏过程和发展规律等方面的研究，验证了损伤力学理论具有良好的适应性[69]。因此，损伤力学是研究混凝土材料损伤特性和破坏机理的有效方法。目前，学者们从试验检测方面较为有效地揭示了混凝土材料的损伤特性，也从理论角度尝试建立描述混凝土材料损伤特性的数学模型。然而，长期荷载作用下混凝土损伤机理复杂，特别是混凝土面板结构的损伤演化更加难以确定。揭示长期荷载作用下混凝土材料及混凝土面板结构损伤规律，建立徐变损伤耦合模型是需要进一步探索的重要研究方向。 1.2.3 混凝土面板开裂研究 在自重和水压力作用下，堆石体容易出现过大和不均匀沉降，使得面板与垫层部分接触面出现脱空，可能导致混凝土面板出现裂缝。同时，由于施工技术及自身特性等，混凝土内部可