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标题	混凝土防渗墙的断裂破坏分析
范文	耿传宇 董永立 摘要：基于钝裂缝带模型的思想，在平面状态下，引入断裂力学理论，对非线性断裂破坏的分布裂缝模型进行了计算。计算表明，塑性混凝土的相对断裂韧性要优于普通混凝土。普通混凝土防渗墙在较高的水压力作用下会产生超过其极限抗拉强度的拉应力，从而引起断裂破坏。而塑性混凝土防渗墙在水压力作用下应力分布均匀，基本不出现拉应力。当塑性墙存在局部原生断裂裂缝缺陷时，在水压力作用下裂缝也不会扩展。 Abstract： Based on the idea of the model of the blunt fracture zone， the fracture mechanics theory is introduced in the plane state， and the distribution fracture model of the nonlinear fracture failure is calculated. The calculation shows that the relative fracture toughness of plastic concrete is better than that of ordinary concrete. Ordinary concrete anti-seepage wall can produce tensile stress more than its ultimate tensile strength under high water pressure， thus causing fracture damage. The stress distribution of plastic concrete impervious wall under the action of water pressure is uniform， and there is no tensile stress. When the plastic wall has local primary fracture defects， the cracks will not expand under water pressure. 关键词：断裂；微裂缝；防渗墙 Key words： the fracture；microfracture；the cut-off wall 中图分类号：TV223.4+2 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）19-0174-02 0 引言 研究混凝土的开裂问题，最早是采用线弹性断裂力学理论。但该理论有较大的局限性，即相對于结构的特征尺寸而言，只有当裂缝尖端的微裂缝区的尺寸足够小时，其分析结果才具有一定的合理性，而若裂缝尖端的微裂缝区较大时，该理论分析所得的混凝土裂缝计算值与实测值差距甚大。 通过波的干涉试验，发现混凝土中裂缝的尖端总是存在一个微裂缝区，这些微裂缝集中分布在一个不大的带宽范围内，其宽度与混凝土中骨料的尺寸相当。也就是说，裂缝的开展不是尖端的，而是钝化的，非线性断裂力学的钝裂缝带模型也就产生了。 1 钝裂缝带模型 钝裂缝带模型是用一条包含平行的、密集分布的微裂缝带来模拟实际裂缝和断裂区。它将各向同性的弹性矩阵转换成为正交各向异性矩阵，以降低垂直于裂缝方向上的刚度，可以很好地近似模拟实际裂缝的传播路径。 钝裂缝带模型考虑了断裂区前端应力逐渐降低的应变软化规律。除了微裂缝开裂扩展能够引起应变软化以外，其他诸如一些不可见的黏结面断裂或者一些亚微观缺陷等也会引起应变软化，因此，要求应变软化区的尺寸范围要大于微裂缝区，即要求选取的结构计算尺寸是混凝土中最大骨料尺寸的三倍以上[图1（a）]，以使代表体的应力应变分布具有实际的物理意义。实际上，裂缝在其扩展过程中总是围绕着骨料等微观结构曲折前进，任意截面上的应力分布也不可能是平滑的，其总是会在平滑线两侧不停的摆动[图1（b）]，因此，在宏观上是采用了等效的均质体，来近似微观上的非均质混凝土材料。 2 开裂混凝土的本构关系 水利工程的地下防渗墙竖向面积大，水平方向厚度小，荷载主要受水平力作用。钝裂缝带模型能够很好地分析混凝土断裂过程中的应力应变关系，描述应力状态下裂缝尖端附近的断裂效应，因此，可以将这一理论引入到设计中来，在平面状态下，模拟防渗墙分布裂缝模型，对防渗墙非线性断裂破坏的分布裂缝模型进行分析。 普通混凝土防渗墙墙体在水平荷载作用下，其所受的主拉应力值σ1大于混凝土极限抗拉强度ft时，墙体开裂面附近充满均匀分布的平行裂缝，墙体起裂。而对于塑性混凝土墙体，由于卸载时会产生残余变形，因此在重新加载计算时，可能出现ε1>εt，而σ1构件开裂后，继续加载或卸载，裂缝面上的主应力方面就会改变，开始承受剪应力的作用[2]。剪切裂缝面上的应变 式中{Δs}裂缝面上的应力增量；{Δecr}裂缝面上开裂应变增量；下标n、t分别表示裂缝面局部坐标的法向和切向；拉伸应变软化模量DⅠ=dσ/dεf；剪切应变软化模量DⅡ=0.5G。 3 分布裂缝模型在实际工程中的应用 3.1 坞罗水库混凝土防渗墙简介 坞罗水库位于河南省巩义市东南13km的坞罗河上，属黄河流域伊洛河水系，控制流域面积108km2，总库容1787.4万m3，是一座以防洪为主，兼顾农业灌溉和城市供水的中型水库。 大坝始建于1958年，1960年建成，坝型为均质土坝。坝顶高程264.20m，坝长450m，最大坝高37.65m。1963年9月蓄水至250.25m高程后，主坝后出现大量漏水和涌砂现象，此后便一直低水位运行。1993年6月，采用高喷灌浆和帷幕灌浆相结合的悬挂式帷幕结构，自坝轴线处，对坝基透水层进行了灌浆防渗，但效果不佳。2003年9月，库水位达到249.83m，坝后河槽沼泽化，多处出现涌沙现象。2005年，采用混凝土防渗墙对坝基进行防渗处理。防渗墙位于246.0m高程马道上，墙厚0.6m，混凝土防渗墙下部深入基岩1m。 3.2 断裂力学分析的条件 为研究坞罗水库大坝混凝土防渗墙的工作状态和安全性，特别是比较塑性混凝土防渗墙和普通混凝土防渗墙的性状，用断裂力学理论分别对两种混凝土防渗墙进行了分析。 假设墙的上游面为第一主应力作用面，上游面发生断裂后，渗流在断裂面形成劈裂力，在计算中将此力作为节点力作用于断裂单元的节点上。为了全面了解防渗墙的工作性状，采用两种工况进行对比分析： ①非破坏情况计算，假设混凝土的抗拉强度足够大，不会被拉坏。 ②破坏情况计算，假设因施工等原因导致墙体中产生了原生裂缝，分析裂缝的稳定性。计算中假设防渗墙上游面10m高度处存在水平长度为0.3m水平裂缝，且在缝面上作用0.3MPa水压力。 3.3 计算结果分析 采用裂缝面在局部坐标下的本构关系，分别计算普通混凝土及塑性混凝土非破坏与破坏性状态下的σy，其结果绘于图2。 ①由图3（a），上游面非破坏计算所得最大拉应力2.65MPa，而破坏计算所得仅为0.92MPa；下游面非破坏计算所得最大压应力为3.25MPa，而破坏计算所得为2.51MPa。两种计算在墙高15-35m范圍内墙体上、下游面应力较均匀。引起上述两种计算在10m墙高处上游面应力巨大差别的原因是进行断裂破坏计算时因墙体产生裂缝后，墙体刚度变小且产生荷载重分配和应力重分布，导致上游面拉应力下降。 ②由图3（b），塑性混凝土防渗墙在设计条件下墙体几乎不出现拉应力，仅在底部出现0.02MPa拉应力。这表明塑性混凝土防渗墙在结构上是安全的，优于普通混凝土防渗墙。墙体上游面墙高10m处存在预裂缝后，在墙高10m处σy由未裂前的2.65MPa拉应力趋于零，只是下游面的压应力大小受水平裂缝长度影响，其影响也只是0.32MPa，预裂缝愈长下游面压应力愈大，最大为0.85MPa。这使裂缝在缝面水力劈裂力作用下应力分布比较均匀，几乎不出现拉应力，裂缝不向前延长是稳定的。所以即便存在予裂缝的情况下，塑性混凝土防渗墙仍然是很安全的。 4 结论 通过用断裂力学理论对防渗墙的结构应力对比分析得出，塑性混凝土弹性模量和应力应变关系可以调整到与周围土层较为接近的状态，防渗墙在荷载作用下的变形与周围土体的变形是协调的，消除了普通混凝土防渗墙中由于墙体和周围土体变形不同而可能产生的高应力状态，从而提高了防渗墙作用的安全度。 参考文献： [1]王清友，何四清.塑性混凝土断裂试验及防渗墙断裂破坏研究[D].清华大学，1993：8-10. [2]丛蔼森.地下连续墙的设计施工与应用[M].中国水利水电出版社，2001. [3]夏可风.我国水工混凝土防渗墙技术进展[J].水利水电施工，2006（04）.
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