項(xiàng)目名稱(chēng)：    混凝土巖石類(lèi)準(zhǔn)脆性材料裂縫擴(kuò)展的斷裂理論與分析方法

推薦單位：    教育部

項(xiàng)目簡(jiǎn)介：    本項(xiàng)目屬于土木建筑工程領(lǐng)域。

針對(duì)混凝土巖石類(lèi)準(zhǔn)脆性材料裂縫的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及其對(duì)結(jié)構(gòu)安全性的影響，本課題進(jìn)行了系統(tǒng)的斷裂力學(xué)理論研究。主要研究?jī)?nèi)容及創(chuàng)新性成果如下：

1．進(jìn)行了國(guó)際上最大試件尺寸的混凝土斷裂力學(xué)實(shí)驗(yàn)；

2. 在大量實(shí)驗(yàn)研究和理論分析的基礎(chǔ)上，建立了具有科學(xué)原創(chuàng)性的混凝土斷裂判定的雙K斷裂模型；從能量的角度研究了混凝土裂縫擴(kuò)展，進(jìn)一步完善了雙K斷裂理論。

3．提出了具有重大理論與分析價(jià)值的基于虛擬裂縫粘聚力的KR阻力曲線理論，很好地解釋了材料裂縫擴(kuò)展機(jī)理。

4．從細(xì)觀層次入手，揭示了混凝土巖石類(lèi)非均勻質(zhì)準(zhǔn)脆性材料的宏觀斷裂機(jī)制。

2005年雙K斷裂理論已被作為我國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水工混凝土斷裂韌度試驗(yàn)規(guī)程》的理論基礎(chǔ)，雙K斷裂方法還引起國(guó)際同行注意，被美國(guó)ACI446委員會(huì)作為美國(guó)混凝土斷裂參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定方法候選草案之一。

教育部組織的同行專(zhuān)家鑒定認(rèn)為該項(xiàng)目"該成果較為完整地描述了混凝土的斷裂特性，推動(dòng)了混凝土斷裂力學(xué)理論與方法的發(fā)展，為工程結(jié)構(gòu)的安全評(píng)價(jià)提供了科學(xué)依據(jù)，得到了國(guó)際同行的高度評(píng)價(jià)和重視。本項(xiàng)研究提出的雙K斷裂模型和基于裂縫粘聚力的KR阻力曲線具有科學(xué)原創(chuàng)性，該成果達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。"

在混凝土巖石類(lèi)材料斷裂理論和分析方法研究方面，發(fā)表專(zhuān)著2部，論文141篇。被SCI收錄53篇，EI收錄54篇，SCI他引118次。國(guó)內(nèi)外他引共904次。

先后被許多國(guó)際學(xué)術(shù)權(quán)威，如美國(guó)科羅拉多大學(xué)Saouma教授，西班牙馬德里工業(yè)大學(xué)M.Elices教授，加拿大哥倫比亞大學(xué)Mindess教授，巴西Thaumaturgo教授，法國(guó)的Amitrano教授和離散單元法的創(chuàng)始人美國(guó)的Cundall教授都在國(guó)際權(quán)威刊物及正式出版的專(zhuān)著作了高度評(píng)價(jià)和正面引用。我國(guó)著名的水電專(zhuān)家、兩院院士潘家錚教授，工程院院士陳厚群教授，工程院院士謝和平教授與其課題組在發(fā)表的論文中作了正面引用和較好評(píng)價(jià)。

主要發(fā)現(xiàn)點(diǎn)：  1．理論規(guī)律和分析方法方面的主要發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新

(1) 提出了雙K斷裂模型：求解了以奇異格林函數(shù)為表征的裂縫粘聚力產(chǎn)生的粘聚韌度，發(fā)現(xiàn)了混凝土裂縫韌度增值的三參數(shù)定律，給出了準(zhǔn)脆性材料縫端應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度奇異性弱化的定量描述方法，建立了考慮粘聚力的裂縫問(wèn)題的積分方程，采用能量泛函變分計(jì)算的求解方法求解了裂縫粘聚力的阻力作用，建立了將裂縫粘聚力和等效裂縫相結(jié)合的雙K斷裂模型，形成了一套完整的雙K斷裂參數(shù)計(jì)算理論。表明其可以作為描述混凝土裂縫擴(kuò)展過(guò)程的斷裂準(zhǔn)則。(結(jié)構(gòu)工程學(xué)，代表性論著2，5，6，8，9)

(2) 求得了虛擬裂縫解析解和提出了新KR阻力曲線理論：求得了Griffith裂縫和I型無(wú)限條裂縫各個(gè)加載歷史階段虛擬裂縫解析解，突破了傳統(tǒng)裂縫擴(kuò)展阻力曲線的基本概念，提出了一個(gè)新KR阻力曲線理論。其新KR阻力曲線由兩部分組成:一部分是起裂韌度，另一部分是隨著裂縫的擴(kuò)展由粘聚力提供的裂縫擴(kuò)展阻力。研究表明新KR阻力曲線可作為描述材料中裂縫擴(kuò)展全過(guò)程的一種新的斷裂判據(jù)。(結(jié)構(gòu)工程學(xué),代表性論著4)

(3) 提出了混凝土和巖石類(lèi)準(zhǔn)脆性工程材料的細(xì)觀層次上斷裂過(guò)程分析新方法：緊緊抓住材料非均勻性這個(gè)關(guān)鍵特征，建立了在細(xì)觀層次上表征非均勻性的模型和細(xì)觀損傷力學(xué)本構(gòu)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了混凝土和巖石中裂紋的萌生、擴(kuò)展、相互作用及貫通等斷裂過(guò)程的模擬,為混凝土和巖石細(xì)觀層次斷裂過(guò)程的研究提供了一個(gè)新的數(shù)值試驗(yàn)工具。(結(jié)構(gòu)工程學(xué), 代表性論著7，10)

2．實(shí)驗(yàn)規(guī)律與材料關(guān)鍵特性方面的重要發(fā)現(xiàn)

(4) 進(jìn)行了國(guó)際上最大試件尺寸的混凝土斷裂力學(xué)實(shí)驗(yàn)：開(kāi)展了被同行專(zhuān)家稱(chēng)之為"國(guó)際上最大試件尺寸、規(guī)模國(guó)內(nèi)外所未見(jiàn)"的混凝土斷裂力學(xué)系列實(shí)驗(yàn)。"在國(guó)內(nèi)外第一次用實(shí)驗(yàn)證實(shí)當(dāng)試件高度大于兩米以上，混凝土斷裂韌度和試件尺寸無(wú)關(guān)，證實(shí)線彈性斷裂力學(xué)可應(yīng)用于大體積混凝土結(jié)構(gòu)的斷裂分析"。(結(jié)構(gòu)工程學(xué)，代表性論著1，3，5)

(5) 采用光彈性貼片、激光散斑等現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)方法完整地觀察混凝土材料裂縫擴(kuò)展全過(guò)程：采用這些現(xiàn)代試驗(yàn)方法研究混凝土斷裂，直觀而完整地觀測(cè)到混凝土失穩(wěn)斷裂前裂縫穩(wěn)定擴(kuò)展過(guò)程，發(fā)現(xiàn)混凝土裂縫擴(kuò)展過(guò)程中存在著起裂、穩(wěn)定擴(kuò)展、失穩(wěn)斷裂三個(gè)不同階段。發(fā)現(xiàn)當(dāng)試件高度大于1米以上時(shí)，混凝土裂縫穩(wěn)定擴(kuò)展長(zhǎng)度是一常數(shù)值。(結(jié)構(gòu)工程學(xué), 代表性論著1，5)

主要完成人：  1.   徐世烺

項(xiàng)目負(fù)責(zé)人。

1.建立了將裂縫粘聚力和等效裂縫相結(jié)合的雙K斷裂模型。

2.求得Griffith裂縫和I型無(wú)限條裂縫虛擬裂縫解析解，提出新的基于裂縫粘聚力的裂縫擴(kuò)展阻力KR曲線理論。

3.進(jìn)行了國(guó)際上最大試件尺寸的混凝土斷裂力學(xué)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了當(dāng)試件高度大于兩米以上，混凝土斷裂韌度和試件尺寸無(wú)關(guān)，證實(shí)線彈性斷裂力學(xué)可應(yīng)用于大體積混凝土結(jié)構(gòu)斷裂分析。

4.采用光彈性貼片、激光散斑等現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)觀察方法，發(fā)現(xiàn)起裂、穩(wěn)定擴(kuò)展、失穩(wěn)斷裂三個(gè)不同階段。

本人貢獻(xiàn)對(duì)應(yīng)主要發(fā)現(xiàn)點(diǎn)1，2，4，5；對(duì)應(yīng)代表性論著1至6和8，9；在本項(xiàng)目工作量達(dá)70%。

2.   唐春安

基于Weibull隨機(jī)統(tǒng)計(jì)分布來(lái)表征材料的非均勻性，提出了混凝土巖石類(lèi)工程材料的細(xì)觀非均勻性數(shù)值表征模型，首次提出了數(shù)值試驗(yàn)機(jī)的基本思路和理論框架，并領(lǐng)導(dǎo)其系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。

本人貢獻(xiàn)對(duì)應(yīng)主要發(fā)現(xiàn)點(diǎn)3；對(duì)應(yīng)代表性論著7和10，在本項(xiàng)目工作量達(dá)60%。

3.   趙國(guó)藩

提出簡(jiǎn)便的混凝土I-II復(fù)合型斷裂準(zhǔn)則，領(lǐng)導(dǎo)進(jìn)行了大骨料混凝土斷裂韌度的實(shí)驗(yàn)研究，在國(guó)內(nèi)首次提出用楔入劈拉法作為混凝土斷裂能和斷裂韌度實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的建議。

本人貢獻(xiàn)對(duì)應(yīng)主要發(fā)現(xiàn)點(diǎn)4，5；對(duì)應(yīng)代表性論著1，2，3；在本項(xiàng)目工作量達(dá)50%。

4.   吳智敏

進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，研究了試件尺寸、骨料粒徑對(duì)雙K斷裂參數(shù)的影響，提出了一種求解雙K斷裂參數(shù)中粘聚力貢獻(xiàn)的奇異積分的實(shí)用解析方法。

本人貢獻(xiàn)對(duì)應(yīng)主要發(fā)現(xiàn)點(diǎn)1，對(duì)應(yīng)代表性論著9。在本項(xiàng)目工作量達(dá)40%。

5.   朱萬(wàn)成

1.基于損傷力學(xué)原理推演了斷裂過(guò)程的本構(gòu)關(guān)系；

2.從材料的細(xì)觀層次出發(fā)，利用數(shù)值試驗(yàn)方法開(kāi)展了混凝土和巖石斷裂過(guò)程的數(shù)值試驗(yàn)；

3.首次揭示了非均勻性對(duì)于拉伸斷裂、剪切斷裂和復(fù)合型斷裂過(guò)程中裂縫擴(kuò)展的控制機(jī)制。

本人貢獻(xiàn)對(duì)應(yīng)主要發(fā)現(xiàn)點(diǎn)3，對(duì)應(yīng)代表性論著10。在本項(xiàng)目工作量達(dá)40%。

10篇代表性論文：  1.   混凝土斷裂力學(xué)研究[M] / 大連理工大學(xué)出版社

2.   混凝土結(jié)構(gòu)裂縫擴(kuò)展的雙Ｋ斷裂準(zhǔn)則 /土木工程學(xué)報(bào)

3.   混凝土巨型試件斷裂韌度和高混凝土壩裂縫評(píng)定的斷裂韌度準(zhǔn)則 / 土木工程學(xué)報(bào)

4.   Crack extension resistance and fracture properties of quasi-brittle softening materials like concrete based on the complete process of fracture / International Journal of Fracture

5.   Determination of Double-K Criterion for Crack Propagation in Quasi-Brittle Materials, part I,II,III / International Journal of Fracture

6.   A simplified method for determining double-K fracture parameters for three-point bending tests / International Journal of Fracture

7.   Numerical simulation of progressive rock failure and associated seismicity / Int J Rock Mech Min Sci

8.   考慮軟化效應(yīng)的粘聚裂紋張開(kāi)位移分析 / 中國(guó)科學(xué)G輯

9.   基于虛擬裂縫模型混凝土雙K斷裂參數(shù) /水利學(xué)報(bào)

10.  混凝土損傷與斷裂－數(shù)值試驗(yàn). 科學(xué)出版社