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岩-砼界面的断裂机理：实验与数值
董伟1，吴志敏2，周祥明3
摘要：为了研究界面力学和断裂特性，并建立在混凝土和岩石之间分析岩石混凝土结构的断裂破坏的界面张力软化本构规律，在具有人工开槽或自然界面的岩石混凝土复合试样上进行单轴拉伸和三点弯曲试验。拉伸强度，断裂能和初始岩石-混凝土界面的断裂韧性可通过实验获得。在三点弯曲试验中，采用改进的J积分方法推导出岩石-混凝土界面处的能量耗散。此外，通过在能量耗散和作用在断裂过程中的虚拟内聚力之间产生的能量之间取得平衡区域（FPZ），从而建立岩石-混凝土界面的拉伸软化本构定律，在建立过程中考虑了裂缝的影响界面的能量和抗张强度。为了实际应用，拉伸软化本构表达式简化为双线性函数。最后，在通过引入裂纹扩展准则来建立非线性断裂力学理论基础上，数值模拟一系列混凝土-岩石组合梁的裂纹扩展过程。预计的载荷与裂缝张口的位移关系（P-CMOD）曲线与实验曲线吻合良好，验证了拉伸软化本构模型这项研究得出的岩石-混凝土界面定律的正确性。DOI：10.1061/（ASCE）EM.1943-7889.0001099。copy;2016美国土木工程师学会
关键字：岩石-混凝土界面；张力软化本构；粗糙度；自然表面；断裂
引言
混凝土和岩石之间的界面通常被认为是在岩石基础上建造的混凝土结构中最薄弱的（例如，混凝土水坝）。在结构瞄准的稳定性分析中沿先前存在的压缩不连续滑动(Javanmardi et al. 2005)，裂纹沿界面的萌生和扩展（Kishen and Singh 2001; Zhong et al. 2014)的研究不足主题。众所周知，
1沿海和近海国家重点实验室副教授大连理工大学，中国大连116024（通讯作者）。电子邮件：dongwei@dlut.edu.cn
2海岸与近海工程国家重点实验室教授大连理工大学，大连116024
3英国伦敦布鲁内尔大学机械，航空航天与土木工程系高级讲师，UB83PH；海地客座教授，海岸与近海工程国家重点实验室，大连理工大学，大连116024
该手稿于2015年8月24日提交；批准于2016年1月29日;于2016年3月21日在线发布。讨论期开放至2016年8月21日;必须提交单独的讨论用于个人论文。本文是《工程力学杂志》的一部分，copy;ASCE，ISSN0733-9399。
静水作用下的裂纹发展压力会导致液压缸的失效行为发生重大变化，在
岩石基础上的混凝土坝。因此，更好的了解岩石-混凝土界面粘结机理及其断裂对于确保大坝在使用负荷条件下的安全性和耐用性很重要。
为了研究岩石与混凝土之间的相互作用在界面处，已经进行了界面断裂特性的实验研究，重点是断裂韧性（Yang et al. 2008），能量释放率(Kishen and Saouma 2004; Sujatha and Kishen 2003)，开裂模式(Slowik et al. 1998; Zhong et al. 2014)。那些实验结果表明骨折岩石-混凝土界面的性质取决于界面处的粗糙度。但是，应注意前面提到的实验研究主要集中在应力场下岩石-混凝土界面的断裂特性，而不是界面结合的影响界面的断裂特性。因此，在那些研究中，要么将岩石表面处理得非常粗糙，在岩石和混凝土或岩石之间获得足够的粘结力用高强度混凝土代替，也可以实现同样令人满意的粘结质量。以前尚未进行过岩石-混凝土界面对混凝土的影响的研究。岩石混凝土结构的断裂行
为。为了假设理想的内聚界面适用，实验样品中使用了具有光滑表面的岩石降低粗糙度影响的准备工作(Tian et al. 2014)。实际上，岩石与混凝土的界面粘结性能主要取决于岩石与混凝土之间的粘附力，基底混凝土的内聚力，摩擦力和骨料的互锁(Zhang et al. 2013)。因此，界面处的粗糙度会显着影响岩石-混凝土缝的破坏行为。岩石-混凝土界面的断裂特性，特别是对于具有在该领域的实际工程项目中应使用自然表面进行结构安全性研究是因为与其他研究相反，岩石和混凝土之间的结合实际上并不完美。因此，有必要评估影响程度的粗糙度对岩石-混凝土界面断裂特性的影响并研究自然界面情况下的断裂行为。
同时，软化本构律是岩石-混凝土界面的关键断裂特性之一，并且有可能评估岩石混凝土复合材料的粘结破坏行为基于该定律的后峰值加载阶段的结构。与水泥基材料相似，岩石-混凝土界面表现出典型的准脆性行为[即，有一个断裂过程区（FPZ）位于界面裂纹之前，具有应变软化功能和应变局部化行为]。为简化起见，一些研究人员(Sujatha and Kishen 2003; Yang et al. 2008）只使用线性弹性断裂理论而忽略了FPZ近似分析岩石混凝土中的断裂行为界面。但是，此措施不足以捕获结构的非线性响应，因为如果没有FPZ，裂纹将一旦启动，直接进入不稳定的传播阶段。经过比较线性和非线性断裂方法，Červenka等（1998年）指出，与线性分析相比，基于非线性分析的临界断裂能可以增加大约20％。因此，非线性断裂力学为更适合于岩石-混凝土界面裂缝的分析。
由于在非线性断裂分析中引入了FPZ，裂纹扩展过程中断裂参数的计算岩石界面中裂纹扩展过程的各个阶段和研究变得更加可行和适用。根据Hillerborg等人提出的虚拟裂缝模型。（1976年），FPZ在水泥基中的拉伸软化行为可以使用作用在裂缝上的法向应力来描述材料表面与开裂位移之间的关系。到目前为止，已经提出了几种确定软化应力的表达式：（sigma;）裂缝开口位移，（w）与混凝土的关系，其中包括线性 (Hillerborg et al. 1976),，双线性（Petersson 1981），和非线性的(Foote et al. 1986）。虚拟裂缝模型已被科学和工程界逐渐接受，现已广泛用于模拟混凝土裂缝的扩展（Wu et al. 2013）。应该注意的是，即使对于具体而言，在确定形状时存在争议软化曲线。作为双线性关系的一个例子，建议在相交点的拉伸应力为0.15英尺根据1990年的CEB-FIP模型代码，Petersson（1981）为1/3ft，和Wittmann等人的0.25ft（1988）；全部基于实验结果。在此，ft表示混凝土的单轴拉伸强度。Shah和Kishen（2010）和Shah等人。（2011）实验调查了混凝土到混凝土界面的断裂，张力软化和非线性断裂特性之间的不同混凝土的优势。然而，在岩石-混凝土界面的情况下，据作者所知，没有基于实验结果的公式化的拉伸软化关系。报告。在有关沿岩石混凝土界面裂缝扩展的少数研究中 (Alberto and Valente 2013; Barpi and Valente 2010; Zhong et al. 2014)，公式的本构关系基于混凝土材料来描述软化接口的行为。因此，从探索岩石-混凝土界面结合机理，对研究具有重要意义通过实验确定界面断裂行为获得张力本构关系进行设计和分析混凝土结构。有望产生一种普遍性，界面张力软化本构模型不同程度的粗糙度，特别是对于与天然岩石表面。
与此相符，本文的目标是着重于岩石-混凝土界面断裂特性与拉力软化I型断裂的本构模型。一，实验研究，包括直接拉伸试验和三点弯曲进行梁测试以调查界面断裂韧性，断裂能和粘结强度，相对于粗糙度不同的岩石混凝土界面。另外，根据三点弯曲试验的实验结果混凝土梁的拉伸软化本构模型为派生，其中考虑了界面断裂的影响能量和界面抗拉强度。最后，进行了针对界面裂纹扩展过程的数值模拟，通过比较在数值和实验研究中获得的载荷与裂纹张口位移（P-CMOD）曲线来验证导出的拉伸本构模型。
表1.混凝土和岩石的材料特性
|
材料 |
密度kNm3 |
弹性模量 GPa |
泊松比 |
抗压强度 MPa |
抗拉强度 MPa |
初始断裂韧性MPa·m1/2 |
断裂能 N=m |
|
混凝土 |
2400 |
30.26 |
0.238 |
36.13 |
2.88 |
0.49 |
87 |
|
岩石 |
2668 |
64.39 |
0.198 |
119.2 |
8.65 |
1.0 |
119.7 |
实验过程
试样制备
在这项研究中测试了两种类型的试样。一个是用于直接拉伸测试的100times;100times;200毫米棱镜。另一个是100times;100times;500-mm（宽times;深times;长度）跨度为400毫米的梁进行三点弯曲测试。所有试样都由两个几何上相同的块组成，这是岩石和混凝土砌块。用来制造岩石的岩石本研究中的复合试样是山东生产的花岗岩中国的省。该研究的混凝土配合比为1：0.62：1.8：4.2（水泥：水：沙：骨料），按重量计算最大骨料尺寸为10毫米。放置了岩石试样内模和混凝土混合物浇铸在其余模具空间。在密封模具中固化2天后，复合材料将样品脱模并移至温度为23°C的固化室中90％相对湿度（RH）持续固化直到28天。表1列出了测得的材料性能，其中Et，nu;和fc表示杨氏模量，泊松比和单轴混凝土的抗压强度。
表面粗糙度表征
研究界面粗糙度对断裂性能的影响结合强度，研究了两种岩石的粗糙表面，无论是人造沟槽还是天然缝。粗糙度通过改变开槽深度和岩石表面的凹槽编号。如图1所示，这项研究中调查的四种开槽数（即n=0、2、4和6），凹槽深度为2、4和6毫米在此，n表示沟槽分支的数量。界面粗糙度通过填沙法定量。将细砂填充到人工凹槽中，直到到达岩石样品未切割部分的表面高度相同。然后，根据以下等式计算粗糙度Ra：
Ra=V/A（1）
其中V=填充在凹槽中的沙子量;A＝样品的横截面积。应该指出的是，在这种情况下刻痕样品的数量，A=刻痕上方岩石样品的横截面积。
岩石的自然表面可以从带有或不带有缺口的岩石梁的三点弯曲试验中获得。一次弯曲时，一束岩石被分成两半，每半将具有天然表面，如图2所示。
图1.界面处岩石表面的粗糙化：（a）n=0;
(b)n=2;(c)n=4;(d)n=6
图2.获得岩石自然表面的测试：（a）测试装
置（b）自然表面
图3.直接拉伸试验：（a）垂直视图；（b）平面图；1混凝土；2摇滚；3称重传感器；4球关节；5钢板；6夹；7界面
然后将其浇铸在包含碎石的模具中，制成岩石混凝土复合样品以进行本研究中的测试。对于棱镜（DT系列）和三点弯曲梁（自然界面表示为TPB系列，人工开槽界面表示为TPB-A系列），总共研究了10种不同程度的粗糙度范围从0到1.15mm本研究的结果列于表1。对于带有人工沟槽的TPB-A系列试样，初始裂纹比a0/D设为0.3。在自然表面的情况下，a0/D变化为0.2、0.3、0.4、0.5和0.6。这里，a0是初始裂纹长度，D是深度光束例如，样本编号DT2-4表示人造岩石的直接拉伸岩石-混凝土复合样本n=2和凹槽深4mm的开槽界面；这TPB-A6-2试样是具有人工开槽界面的三点弯曲梁，其中n=2和沟槽的深度为6mm；TPB3试样是自然的三点弯曲梁界面和a0/D=0.3。
直接拉伸试验
在这项研究中，进行了直接拉伸试验，以测量岩石-混凝土界面的单轴拉伸强度，如图所示。图3.为了获得均匀的拉伸应力分布在界面上，设置了四个夹子规以监视相对岩石混凝土复合棱镜顶面和底面的垂直位移，但位移不同四个夹钳在任何时候都限制在5％以内。本研究中使用的卡尺的范围均为-6mm至6mm，直接拉伸试验的加载率为0.05MPa/s。根据以下公式计算单轴抗拉强度ft：
ft=Pmax/A(2)
其中Pmax=峰值负载，A=界面面积。
人工开槽和自然界面破坏时的开裂模式如图4所示，表明通过人工开槽进行的处理可以在混凝土和岩石之间提供更大的粘结效果。对于带有人工的试样开槽接口，人工开槽接口中的故障是由于混凝土受拉，而光滑表面上的破坏是由于混凝土和岩石之间的结合薄弱的结合。如果是具有自然界面的试样，混凝土和岩石之间的破坏只是由于薄弱的结合。
三点弯曲试验
具有
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