裂缝水利施工论文提纲

论文题目：碾压混凝土动态力学特性及重力坝抗爆性能评估研究

摘要：近年来,恐怖袭击、偶然爆炸、军事冲突正逐渐成为重要基础设施的主要威胁。在众多基础设施中,大坝对社会具有极大的政治、经济效益,例如:发电、灌溉、防洪、供水等。因此,大坝已成为袭击的重要目标,一旦发生受袭溃坝,将对下游居民区造成严重的生命、财产损伤。因此,对重力坝的抗爆安全性能研究是十分必要的。目前,在此类极端荷载条件下,为保障大坝安全运行,进行风险识别、易损性评估,并采取防范措施的重要性已逐渐得到大坝主管单位或部门广泛认同。碾压混凝土重力坝作为水工建筑物中最普遍的结构形式,由于其相对安全可靠、耐久性好;设计、施工技术简单,易于机械化施工;对不同地形、地质适应性强等特点,在水利工程领域已得到广泛应用。但是,碾压混凝土重力坝的抗爆性能评估存在诸多问题亟待研究:（1）碾压混凝土配合比中高水灰比、大量掺加粉煤灰等特点使其强度较低（属于低强度混凝土）,同时独特的碾压施工工艺使其成为竖向成层结构、具有大量的层间软弱结合带。因而,这种独特的材料组成成分和施工工艺对碾压混凝土动态力学特性的影响有待研究;（2）混凝土作为典型的率敏感材料,在动态荷载下具有明显的应变率效应。同时,霍普金斯压杆（SHPB）试验中不可避免地存在的横向惯性约束和断面摩擦（统称为结构效应）,从而导致碾压混凝土应变率效应的高估。因而,深入研究碾压混凝土动态力学特性的尺寸效应,解耦结构效应,得到其真实的应变率效应是结构分析的基础;（3）数值模拟已成为重力坝抗爆性能评估的最主要方法,但在目前数值模拟中,碾压混凝土的本构模型和材料参数直接选用常态混凝土的本构模型和材料参数,而未考虑碾压混凝土自身特点对其动态力学特性的影响。同时,忽略初始应力场将对重力坝在爆炸荷载作用下的毁伤特征造成误判。更重要的是,目前重力坝抗爆性能评估仅以防止坝头滑移、倒塌为目标,评价坝头贯穿裂缝的发生深度,从而忽略了大坝的整体安全性。重力坝的作用机理在于其依靠自身重力维持坝基稳定,从而进行挡水发电,因此,重力坝的坝基抗滑稳定性问题一直是研究重点,在水工结构抗爆性能研究中应特别重视重力坝的坝基抗爆稳定性问题。基于以上问题,为进一步揭示水下爆炸作用下混凝土重力坝的动力响应和破坏机理,本文采用试验试验、理论分析、数值模拟三种方法,首先研究了碾压混凝土（RCC）的动态力学特性,特别是碾压施工工艺导致的垂直分层（或层面效应）对冲击波传播的影响,以及碾压施工控制不当造成的材料初始损伤效应。其次,为避免结构分析中碾压混凝土应变率效应高估问题,本文深入研究碾压混凝土动态力学特性的应变率敏感性和尺寸相关性,解耦冲击试验中存在的结构效应（包括:横向惯性约束效应和断面摩擦效应）,得到碾压混凝土真实应变率效应,并基于分形理论进一步揭示其动态尺寸效应发生机理。最后,在上述试验研究的基础上,充分考虑碾压混凝土动态力学特性,优化数值分析中的本构模型和材料参数选取,通过有限元软件LS-DYNA,研究混凝土重力坝在水下爆炸荷载作用下的抗爆易损性,深入分析坝头（重力坝最薄弱环节）和坝基（失事后果最严重）的动态响应特征,揭示不同基岩下的坝基损伤机理,建立以坝头—坝基为重点的重力坝抗爆性能评估方法。本文的主要结果和结论总结如下:一、碾压施工工艺对碾压混凝土动态力学特性的影响:（1）尽管碾压混凝土的材料组分和施工工艺明显区别于常态混凝土,碾压混凝土在SHPB冲击试验中的一维波传播假设和应力应变均匀性假设依然成立。试验结果表明:碾压混凝土的动态力学特性（包括:动态抗压强度、弹性模量、峰值应力对应的极限应变）具有显著的应变率效应,随着应变率的增大而增大。并且,由于其独特施工工艺,碾压混凝土动态力学特性的竖向离散性略高于水平向离散性。（2）在SHPB冲击试验中,入射波、透射波的频谱特征不受加载率、以及碾压混凝土软弱夹层的影响。但是,应力波在碾压混凝土中传播的反射系数和透射系数具有显著的应变率敏感性,表现为反射系数随应变率的增大而减小,透射系数随应变率的增大而增大,并且软弱夹层的存在将显著减低这种应变率敏感性。基于等效粘弹性戒指模型,进一步从理论上揭示了应力波在碾压混凝土中的传播特点,验证了碾压混凝土在冲击荷载作用下的非线性变形行为是应力波衰减的主要原因,且与波阻抗、应变率、试样长度相关。（3）施工控制是影响碾压混凝土质量的关键因素,由施工控制不当造成的初始损将显著降低碾压混凝土的动态抗压强度,且应变率越高,强度衰减量越大。此外,断裂韧性也表现出这种应变率相关的损伤效应,但极限应变的损伤效应并不明显。针对这种应变率相关的损伤效应,本文建立了碾压混凝土动态抗压强度损伤评估模型,该模型通过标准强度残差描述初始损伤,与初始损伤线性相关。并且,标准强度残差表征的碾压混凝土动态力学特性服从Weibull分布特征。二、碾压混凝土动态力学特性的尺寸效应（1）碾压混凝土动态力学特性普遍具有应变率效应,与应变率呈正相关。其中,峰值强度、极限应变、断裂韧性更是尺寸相关的,这种动态尺寸效应明显区别于静载下的尺寸效应律,表现为试件尺寸越大相关动态力学特性越高,但最大应变却是尺寸无关的。混凝土的尺寸效应通常与应变率效应是相互耦合的,较大混凝土试件的动态抗压强度具有更显著的应变率效应,并且在较高应变率下,由材料非均匀性导致的动态抗压强度离散性更为显著。（2）混凝土动态尺寸效应发生的机理在于冲击荷载作用下混凝土横向惯性约束的尺寸相关性,试件尺寸越大,横向惯性约束越显著。针对动态抗压强度的尺寸相关性,本文改进了基于最弱环理论的Weibull尺寸效应律,引入应变率因子,得到全应变率范围内的碾压混凝土尺寸效应律。从而实现在静态和动态加载的统一理论框架下,进一步描述了混凝土强度、试样尺寸和应变率之间的关系。（3）为了进一步得到碾压混凝土的真实应变率效应,本文详细讨论了横向惯性约束和端部摩擦约束（即结构效应）对碾压混凝土的动态抗压强度的影响。通过对消除结构效应后的试验数据进行最小二乘拟合,建立了碾压混凝土动态抗压强度的应变率效应经验模型,并通过用半经验方程初步估计碾压混凝土动态抗拉强度的应变率效应。研究表明:碾压混凝土在压缩或拉伸状态下的真实应变率效应与现有的普通混凝土应变率效应经验模型差异不大,且与fib模型更为接近。（4）为进一步研究碾压混凝土的动态尺寸效应发生机理,分析了不同加载率下的碾压混凝土破碎特征。研究表明:散粒体的平均粒径、粗粒含量随着加载率的增加而降低;而细粒含量随着加载率的增加而增加;并且它们都具有尺寸相关性。然而,在平均粒径维度下,碾压混凝土的动态抗压强度、断裂韧性却表现出尺寸无关的特征。（5）分形维数是描述碾压混凝土试样破碎特征的重要指标,计算结果表明:散粒体的分形维数也是应变率敏感的,且尺寸相关的。当用分形维数来描述动态抗压强度,断裂韧性时,它们的尺寸相关性也并不明显。分形维数的物理意义与试件冲击散粒体的比表面积相关,散粒体越破碎,分形维数越高。当采用分形维数来描述碾压混凝土试样的破碎模式时,分形维数的实际工程意义在于,可用它代替动态增强因子（DIF）描混凝土材料应变率效应,解决实际结构分析中因横向惯性效应与端面摩擦效应造成的应变率效应高估问题;三、水下爆炸荷载作用下重力坝抗爆性能评估（1）基于上述试验结果,本文优化了数值模拟中的大坝混凝土本构模型选择和模型参数确定。本文推荐的CSC混凝土本构模型可用来反映大坝混凝土的低强度、大骨料特征对其动态力学特性的影响。同时,CSC混凝土本构模型基于CEB-FIB模型手册描述混凝土应变率效应,与碾压混凝土真实应变率模型接近。此外,CSC本构模型还考虑材料初始损伤效应,为进一步研究碾压混凝土软弱夹层和材料初始损伤对重力坝抗爆性能的影响提供有效途径。（2）本文提出了一种研究混凝土重力坝抗爆性能的数值模拟方法,并基于模型试验验证了该方法的有效性。研究表明:在水下爆炸荷载作用下,坝头是混凝土重力坝的最薄弱环节,依据坝头毁伤特征,可将混凝土重力坝的破坏模式大致分为材料破坏、局部破坏和结构破坏。同时,坝体分缝设计将大坝分割成数个独立的坝段,并造成了坝段损伤的非连续性。通常,离爆源最接近的坝段遭受最严重的破坏。因此,单坝段分析方法不仅适用于混凝土重力坝的结构设计和抗震设计,也同样适用于其抗爆性能研究。（3）本文采用单坝段分析方法对大坝最薄弱环节的坝头进行抗爆性能评价,同时通过动力松弛方法,首次考虑了大坝的初始应力场的影响。数值模拟结果表明,大坝贯穿性裂缝多发生在坝头部位。为解决以前基于以坝头裂缝贯穿深度作为重力坝抗爆性能评价指标带来的实际监测困难等问题,本文提出了基于坝头振动监测信息进行抗爆性能评价的方法,证明了质点峰值振动速度（PPV）可作为坝头抗爆性能评价的重要指标,但存在一定误差。为进一步优化坝头抗爆性能评价指标,本文提出了峰值速度矢量和（PVS）,以及平均频率（MF）两个优化指标,构建了PVS-MF联合评估谱,实现了以防止坝头滑移、倒塌为目标的重力坝抗爆性能评估。（4）针对混凝土重力坝在极端荷载条件下的坝基稳定性问题,本文通过数值模拟方法,研究了花岗岩（Ⅰ类）、石灰岩（Ⅱ类）、凝灰岩（Ⅲ类）三种不同基岩上的重力坝坝基抗爆稳定性。数值模拟结果表明:基岩岩性对坝体上部结构的毁伤特征几乎无影响,但对下部结构的影响较为明显,特别是坝基混凝土。一般而言,基岩类型越好,岩石强度越高,坝基损伤越严重,这与重力坝稳定性设计中的规律相反,必须特别重视。在水下爆炸荷载作用下,坝基损伤机理可由冲击波在大坝-基岩界面的相互作用解释,它与冲击波在界面上的透、反射规律相关,表现为基岩岩性越好,透射系数越高,该规律可由相对波阻抗表征。（5）为进一步量化分析水下爆炸荷载作用下坝基裂缝贯穿深度,本文提出了坝基损伤评估模型,该模型考虑了炸药水下起爆参数的影响（包括:炸药当量、爆距、爆深）,同时利用相对波阻抗考虑基岩岩性的影响,并通过参数化分析,进行模型参数拟合,拟合结果表明,基岩岩性越差,相对波阻抗增加,坝基损伤水平降低,从而实现不同水下爆炸场景下重力坝坝基裂缝贯穿程度的评估。（6）为解决水下爆炸荷载作用下坝基抗爆稳定性问题,本文将坝基损伤部位视为接触面,采用抗剪强度公式;将未损伤部位视为粘结面,采用抗剪断公式,进而改进坝基稳定性评价方法。此外,坝基损伤将显著影响扬压力,坝基损伤越严重,扬压力越大。对以上问题综合考虑后,对坝基抗爆稳定性进行评价,结果表明:在近场水下爆炸下,基岩岩性越好,坝基失稳风险越高,这与静载下的规律相反;而在远场水下爆炸下,规律与静载下相同。本次研究总结了碾压施工工艺对碾压混凝土动态力学特性的影响,揭示了碾压混凝土动态力学特性的尺寸效应及其发生机理,并得到了碾压混凝土真实应变率效应模型。基于以上研究,优化了混凝土重力坝抗爆性能数值评估中的本构模型及其参数选取,通过全耦合数值方法,研究了坝头、坝基在水下爆炸荷载下的动态响应及毁伤特征,建立起以坝头-坝基为防护重点的重力坝抗爆性能评估方法,可为混凝土重力坝抗爆防护设计提供指导。同时,本次研究仍存在诸多不足,有待进一步研究,总结如下:（1）本文试验研究表明,碾压混凝土的层间软弱结合带能有效阻碍冲击波的传播;同时,由于碾压混凝土快速化施工的特点,其动态力学特性表现出极为显著的离散性特征,但碾压混凝土的这些典型特征均未反映到重力坝抗爆性能数值模拟研究中。因此,未来的研究应考虑碾压混凝土层间软弱结合带的存在及其物理力学特性随机离散性特征,以坝头—坝基安全为评估对象,对重力坝抗爆性能进行可靠度评价。其中,大坝混凝土动态力学特性的初始损伤效应可通过推荐的CSC混凝土本构模型描述。（2）数值模拟中的大坝混凝土模型参数仅考虑了混凝土强度等级和骨料粒径的影响,通过CSC模型参数自动生成算法得到的,不能充分反映大坝混凝土的真实动力特性。事实上,大坝混凝土往往处于部分饱和状态,是一种含有固体颗粒、孔隙水和孔隙空气的三相材料。大坝混凝土在爆炸荷载作用下,其动态力学行为实际上涉及到材料中这三相材料的复杂相互作用。因此,需要一个更为合理的大坝混凝土本构模型和相应的参数来反映大坝混凝土的真实动态压缩和拉伸行为,同时考虑其饱和度。（3）混凝土重力坝在服役期间,不可避免地会受疲劳载荷,环境腐蚀（化学腐蚀、碳化等）,材料老化,库水冻融循环等因素的影响,致使筑坝材料逐步产生损伤累积。坝体结构的损伤累积会随服役期的增加而逐渐恶化,导致结构性能逐步退化,降低结构的承载能力,折减其抵抗极端荷载的能力。并且,材料损伤引起的动态特性衰减也是应变率敏感的,并且在较高的应变率下会发生更显著的强度衰减。一旦存在服役损伤的坝体结构承受爆炸冲击载荷时,既有大坝结构极有可能遭受比设计阶段更严重的破坏。然而,目前有关混凝土坝的安全计算（常规荷载或极端荷载）分析多是借鉴设计中的理论与方法,而忽略了水工大坝结构服役期的累积损伤,使得计算出的安全评估安全系数偏高,完全脱离实际。因此,如何科学、合理地开展能够真实反映水工大坝现役性态的科学问题研究已经成为水利工程界的一个重要课题。

关键词：动态力学特性;碾压混凝土;碾压施工工艺;动态尺寸效应;应变率敏感性;重力坝;抗爆性能;抗滑稳定性

学科专业：水工结构工程

ABSTRACT

中文摘要

Chapter 1 Introduction

1.1 Background

1.2 Research objectives

1.3 Literrature review

1.3.1 Dynamic behaviors and constitutive models for normal concrete

1.3.2 Special physical and mechanical properties of RCC

1.3.3 Size-dependence of concrete under dynamic loads

1.3.4 Blast-resistance anlysis of hydraulic structures

1.3.5 Blast-induced base damage and stability of concrete gravity dam

1.4 Organization of Thesis

Chapter2 Dynamic behaviors of RCC considering the rolling compaction technique

2.1 Introduction

2.2 Dynamic behaviors of roller compacted concrete

2.2.1 Experimental procedures

2.2.2 Effect of construction technique on dynamic behaviors

2.3 Shock wave propagation across interlayers in RCC

2.3.1 Charateristics of shock wave propagation in RCC

2.3.2 Theoretical analysis on the shock wave propagation

2.4 Summary and conclusions

Chaper3 Initial damage effect on dynamic compressive behaviors of RCC under impact loadings

3.1 Introduction

3.2 Specimen preparation and damage quantification

3.2.1 Specimen preparation

3.2.2 Quantification of the initial damage

3.3 Initial damage effect on the dynamic behaviors of RCC

3.3.1 Mechanical tests

3.3.2 Initial damage effect on stress-strain curves

3.3.3 Initial damage effect on dynamic mechanical properties

3.3.4 Statistical characteristics of dynamic compressive behaviors

3.4 Assessment to the initial damage effect on the dynamic behaviors

3.4.1 Correlation between initial damage and dynamic behaviors

3.4.2 Evaluation on the initial damage from improper construction

3.5 Summary and conclusions

Chapter4 Size-dependence of dynamic behaviors for RCC under high-strain-rate loadings

4.1 Introduction

4.2 Dynamic size effect on experimental results

4.2.1 Schematic design

4.2.2 Failure patterns

4.2.3 Stress-strain curves

4.2.4 Dynamic increase factor for compressive stress

4.3 Dynamic size effect on mechanical properties under impact loads

4.3.1 Definitions of dynamic mechanical properties

4.3.2 Size effect on various dynamic mechanical properties

4.3.3 Statistical significance of the dynamic size effect

4.3.4 Distribution characteristic of dynamic compressive strength

4.4 Modified Weibull size effect law

4.5 The true strain-rate effect

4.6 Summary and conclusions

Chapter5 Fragmentation-based dynamic size effect of RCC under impact loadings

5.1 Introduction

5.2 Fragment characteristics of RCC under impact loads

5.2.1 Dynamic fragmentation process

5.2.2 Fragment size distribution

5.2.3 Relationship between fragment size and dynamic behaviors

5.3 Dynamic size effect depicted by fractal characteristics

5.4 Fractal mechanism of dynamic size effect

5.5 Summary and conclusions

Chapter6 Numerical method and verification of blast-resistance analysis on concrete gravity dams

6.1 Introduction

6.2 Contributions from experimental tests

6.3 Numerical method

6.4 Dynamic constitutive model for dam concrete

6.4.1 Yield surface of CSC model

6.4.2 Damage formulation of the CSC model

6.4.3 Rate effect formulation of the CSC model

6.4.4 Model parameters for dam concrete

6.5 Material models for explosive,water and air

6.5.1 Material model for explosive

6.5.2 Material model for water

6.5.3 Material model for air

6.6 Validation test

6.6.1 The fully coupled underwater explosion model

6.6.2 Verification of the calculation method

6.7 Summary and conclusions

Chapter7 Optimized evalution on the blast-resistance of weakest dam head

7.1 Introduction

7.2 Configuration of the full-scale dam-reservoir-foundation model

7.2.1 Fully coupled numerical model

7.2.2 Implementation of the initial stress field and the damping

7.3 Damage assessment of dam subjected to underwater explosions

7.3.1 Shock wave propagation

7.3.2 Damage characteristics and analysis

7.3.3 Assessment of the blast-induced vibration

7.3.4 Damage category strategy

7.4 Optimized criteria for blast-resistance evaluation

7.4.1 Prediction of the blast-induced vibration

7.4.2 PVS-MF spectrum criteria for concrete gravity dam

7.5 Summary and conclusions

Chapter8 Sliding stability of concrete gravity dam subjected to underwater explosions

8.1 Introduction

8.2 Importance of foundation lithology to stability of dam base

8.2.1 Model setup and foundation lithology

8.2.2 Shock wave propagation in dam

8.2.3 Damage characteristics of the dam

8.2.4 Mechanism for the lithology effect on the dam foundation

8.3 Stability analysis of dam base with different lithology

8.3.1 Parameteric study

8.3.2 Evaluation model for the damage of dam base

8.3.3 Sliding stability of the dam after an underwater explosion

8.4 Summary and conclusions

Chapter9 Conclusions and further works

9.1 Introduction

9.2 Major conclusions

9.3 Recommended further works

References

List of publications and research works during Ph.D study

Acknowledgements