全级配大坝混凝土动态性能研究

高拱坝在强震作用下的失效，最终体现在坝体混凝土的严重开裂致使其丧失挡水能力。大坝混凝土有别于一般工业与民用建筑的混凝土，其动态特性的研究成果很少，是高拱坝抗震安全评估最薄弱而又十分重要的环节，作为非均质复合材料的混凝土的力学性能十分复杂，大体积浇筑多级配的大坝混凝土更是如此。但目前在大坝工程设计中，主要还限于依据其单轴应力状态下的拉、压强度评价坝体承载力的安全裕度。混凝土在复杂应力下的强度特性，即使在基本静载工况下，也尚停留在探索研究阶段，而近期难以在设计中实际应用。对于混凝土动态强度指标目前设计的主要依据还是根据20世纪50年代国外少量大体积混凝土湿筛小试件，在比较了其单纯施加静态和动态冲击荷载后得出的动态强度提高系数。实际拱坝工程都是在运行中已经承受静态荷载的情况下遭遇地震的，坝体各部位的静态应力状态不同，因此，不同静态荷载对大坝混凝土动态强度的影响，是当前高拱坝抗震设计中最为关注和急需解决的重要问题之一，特别是对于在强震区修建的一系列高拱坝，其应力水平很高，在最大可信地震作用下，坝体溃决最终体现在坝体丧失挡水功能的整体强度失效。因此，坝体材料的动态抗力是检验其功能目标的一个关键因素。此外，早在20世纪70年代，在国外如美国等国已经规定大坝混凝土应采用全级配的大试件的试验数据，我国目前对三峡等重大工程进行了这项研究。在大坝中采用的大体积混凝土为减少水泥用量，改善温度应力影响都采用多级配混凝土。利用筛去大粒径骨料后的湿筛试件得到的力学性能指标不能反映大坝混凝土的实际性能指标。而对全级配大坝混凝土的大试件做动态强度试验，特别是在不同预静载下，以不同形态动载作用的试验，以深入了解实际大坝混凝土的动态特性的研究，在国内外都尚属空白。仅我国在“九五”国家科技攻关课题中开始作过初步探索（陈厚群等，1999），需要结合实际工程对全级配大坝混凝土在动载作用下的应变率效应和破坏机理的规律性进行更深入的验证和探讨。进行规模较大的全级配大坝混凝土强度试验，受到设备条件的限制，且基于少量试验往往难以得出规律性成果，如初始静态影响在内的各种工况以及混凝土配合比、等级、试件尺寸、动荷载特性等因素变化对其影响的一般规律。此外，即使从较多试验中也仅能得出统计结果，难以搞清大坝混凝土在地震作用下裂纹扩展过程，从而无法探索其静、动态破坏过程的差异及其动态强度增大及预静载影响的机理。在宏观层面上，基于断裂力学或损伤力学对混凝土损伤和破坏机制的研究较多（宋玉普，2002；Bažant et al.，2001；Van Mier，1991；Horsch et al.，2001；Eibl，1999），但难以充分反映混凝土材料的非均质特点。为此，近年来国内外开始基于细观力学对混凝土破坏机理进行研究，即把混凝土作为由不同粒径骨料和砂浆基体及两者界面三种介质组成的、骨料空间位置和介质强度都随机分布的复合材料，采用力学理论对这类复合材料的试件进行细观结构分析，研究其承受荷载后的破坏机理，即基于所谓“数字混凝土”概念的研究，但目前一般多局限于静态和二维情况下的断裂研究，对三维模型，按实际大坝混凝土级配实现骨料的随机分布有很大困难；包括界面层在内的网格划分也会导致难以实现的巨大计算量；混凝土及其细观力学模型中各组成部分的本构关系也缺乏试验数据，其软化部分的试验结果更难获取；此外试件破坏过程的非线性动态分析方法及动态加载率效应的考虑方式等，也都有待深入研究解决，更缺乏对这类细观力学分析结果的试验验证和比较。对于全级配混凝土试件的三维动态性能分析而言，无论是各类粒径骨料在空间的随机投放，还是其有限元网格的划分，都比较困难，且其自由度数量巨大，更是目前普遍应用的计算设备和常规的串行计算方法难以解决的。并行计算研究也是该领域所面临的必然选择。

在混凝土破坏过程的试验研究方面，目前主要集中在各种静荷载组合和疲劳条件下的破坏机理研究方面。对试件表面裂纹动态演化过程和破坏后裂纹表面形态特征已有许多研究成果。观察手段主要有试件表面的裂纹宏观描述、应变片测量、光弹性测量等，最大缺点是无法实时探测试件内部裂纹演化过程。混凝土动态荷载条件下强度参数研究资料较多，同样缺乏内部裂纹扩展过程的试验成果。

声发射（Acoustic Emission，AE）是材料内局部能量快速释放而产生瞬态弹性波的一种现象，这种现象或者这种现象产生的弹性波均可称为声发射（Scruby，1987）。借助传感器等电子仪器同步接收AE信号，即可以探测出材料的损伤位置和程度，因此，AE分析对于获得材料内部开裂信息和研究材料内部损伤是一种有效的方法（Grosse et al.，1997；2003）。AE技术的优点在于探测塑性变形和开裂等微观活动的高灵敏性（Weng et al.，1992）和实时性（Ohtsu et al.，1998），同时，AE信号来源于承受荷载作用的材料本身，故可用于连续监测材料损伤断裂的动态全过程并且对研究对象的干扰最小（Grosse et al.，2006）。混凝土是一种多相复合材料，母体微裂缝的产生和发展，骨料连锁（Interlock），钢筋与混凝土之间的黏结滑移等不可逆过程都伴随声发射现象的产生。近年来混凝土声发射研究活动越来越多（Grosse et al.，2003）。(www.xing528.com)

目前，AE技术作为一种成熟的无损检测方法（王岩等，2007）已被广泛应用于许多领域，其中包括材料的性能测试、断裂试验、疲劳试验、腐蚀监测和摩擦测试，楼房、桥试件、起重机、隧道、大坝的检测，水泥结构裂纹开裂和扩展的连续监测，桥试件和隧道的完整性检测等。将AE技术应用在混凝土断裂损伤方面的研究主要集中在研究混凝土的断裂损伤机理以及建立AE参数和损伤变量之间的联系（王岩等，2007；周继凯，2007）。

声发射法虽然可通过对试件内微震源活动观测和统计推断裂纹扩展过程，但达不到定量描述裂纹的目的（Lockner，1993；纪洪广等，2000），且目前国内的声发射仪往往由于采样频率低而难以测到混凝土动态破坏时的资料。而借助电子显微镜的观测则不仅难以实现加载过程中的动态实时观测，还受到多级配混凝土试件尺寸的限制。基于以上原因，由于缺乏有效的观测手段，混凝土内部裂纹扩展过程仍不清楚，这给检验数值模拟三维裂纹演化的正确性带来困难。近10年来，将X射线CT（Computerized Tomography）扫描应用于探测岩石细观破裂过程成为一个热点研究课题。采用X射线无损CT技术探测岩石内部结构和裂纹演化过程，起源于20世纪80年代后期。基于室内岩石试件扫描断面的CT图像，目前在实时监测、加荷条件多样化、裂纹演化规律性、裂纹宽度的定量测量、岩石裂纹三维图像重建、损伤演化与损伤变量分析、CT成果应用研究等方面取得一系列进展。葛修润等（2000；2004）首次实现了岩石破坏过程的实时观测，通过岩石CT图像观测到三轴压缩条件下细观裂纹开裂、扩展、愈合、贯通全过程，通过CT图像重建裂纹三维图像（Kawakata et al.，1999；Ueta et al.，2000），丁卫华、仵彦卿等（2000；2003）在岩石CT物理原理研究、从岩石CT图像上提取裂纹定量参数方面取得一定进展。由于混凝土材料与岩石的组分有一定相似性，采用X射线CT扫描技术，是目前探测动力荷载条件下混凝土内部细观裂纹演化过程较为可行的技术途径。国外虽已获得混凝土CT图像，并用CT图像分析砂浆受腐蚀后内部结构的变化（Oral Buyukozturk，1998；Stock et al.，2002），但用CT图像分析动态荷载下混凝土材料内部结构破坏的研究尚属少见。混凝土与岩石不同之处是其内部骨料、砂浆及两者界面的密度具有高度不均匀特性，受载后不同介质的变形和裂纹的扩展易于混淆，目前由CT胶片图像进行分析，会有很大困难。需要深入研究以改进CT扫描方式和图像处理方法，以提高分析精度。如何利用CT有效捕捉混凝土在动载作用下不同损伤阶段的内部结构变化规律，已成为CT在该领域应用的关键技术难题。