混凝土容许裂缝

1、混凝土坝容许裂缝的混凝土坝容许裂缝的初步研究初步研究1 1 研究背景研究背景2 2 渗透系数与拉应变渗透系数与拉应变3 3 拉应变与裂缝宽度拉应变与裂缝宽度4 4 结论结论我国是世界上修建大坝最多的国家，其中我国是世界上修建大坝最多的国家，其中不少是混凝土坝。近年来，大坝的建设处不少是混凝土坝。近年来，大坝的建设处于国际领先水平。但由于多种原因，坝体于国际领先水平。但由于多种原因，坝体混凝土的开裂不能避免。混凝土的开裂不能避免。1 研究背景研究背景二滩拱坝坝肩二滩拱坝坝肩二滩拱坝下游坝面裂缝二滩拱坝下游坝面裂缝二滩拱坝右岸下游面裂缝情况二滩拱坝右岸下游面裂缝情况二滩拱坝左岸下游面裂缝情况二滩拱

2、坝左岸下游面裂缝情况三峡大坝泄洪坝段上游面裂缝分布三峡大坝泄洪坝段上游面裂缝分布三峡大坝裂缝三峡大坝裂缝高程高程90.00m90.00m以下，以下，2323个泄洪坝段个泄洪坝段的上、下游的上、下游面均发现混凝土裂缝。面均发现混凝土裂缝。上游面有上游面有4040条竖向裂缝条竖向裂缝，裂缝最长，裂缝最长35.10m35.10m，最大宽度最大宽度1.25mm1.25mm，最大缝深，最大缝深3.60m3.60m。下游面有下游面有3838条条竖向裂缝，裂缝最大宽度为竖向裂缝，裂缝最大宽度为1.14mm1.14mm，最大深度小于，最大深度小于4.00m4.00m 1 研究背景研究背景混凝土坝的开裂难以避免

3、，而现行规范只对拉应力混凝土坝的开裂难以避免，而现行规范只对拉应力进行控制，或限制拉应力分布和裂缝位置在一定范进行控制，或限制拉应力分布和裂缝位置在一定范围之内。这就出现两个问题：围之内。这就出现两个问题：1.1.”容许裂缝容许裂缝”的概念？容许裂缝的标准？的概念？容许裂缝的标准？2.2.在有限元数值分析中，如何控制容许裂缝？在有限元数值分析中，如何控制容许裂缝？渗透系数渗透系数拉应变拉应变裂缝宽度裂缝宽度1 研究背景研究背景主要参考文献：主要参考文献：1 Nicholas J. C, Floyd O. S. Limiting Tensile Strain Criterion for Fail

4、ure of Concrete J. Journal of the American Concrete Institute, 1976, 73(3): 160-1652 Evans R H, Marathe M S. Microcracking and tress-strain curves for concrete in tension J. Materials and Structures, 1968 (1):61-64 3 Gerard B, Breysse D, Ammouche A. Cracking and permeability of concrete under tensio

5、n J. Materials and Structures.1996,29:141-1514 Gerard B, JACOBSEN S, MARCHAND J. Concrete cracks: Observation and permeability-A review C. Second international conference on concrete under severe conditions 2: environment and loading,19981 研究背景研究背景对于水工混凝土而言对于水工混凝土而言2 渗透系数与拉应变渗透系数与拉应变 渗流通道渗流通道水力劈裂水力劈

6、裂裂裂缝缝因此，容许裂缝标准因此，容许裂缝标准 = = 不发生渗流不发生渗流？混凝土具有不同的宏观破坏形式：混凝土具有不同的宏观破坏形式： 受拉开裂、剪切破坏、压碎或它们的组合受拉开裂、剪切破坏、压碎或它们的组合2 渗透系数与拉应变渗透系数与拉应变 研究表明，各种宏观破坏形式中的基本微观破坏形研究表明，各种宏观破坏形式中的基本微观破坏形式是式是I I型拉裂型拉裂。可以通过单轴。可以通过单轴拉伸拉伸进行研究进行研究型裂纹裂尖扩展区域的型裂纹裂尖扩展区域的型微裂纹型微裂纹2 渗透系数与拉应变渗透系数与拉应变 混凝土试件拉混凝土试件拉伸与渗透试验伸与渗透试验试件示意图试件示意图应变为应变为1e-31

7、e-3时的微裂纹时的微裂纹和裂缝分布和裂缝分布推算拉伸应力应变曲线推算拉伸应力应变曲线渗透系数渗透系数 应变曲线应变曲线对图中的离散点进行回归，并用常规的等距坐标绘出。对图中的离散点进行回归，并用常规的等距坐标绘出。0.00E+001.00E-072.00E-073.00E-074.00E-075.00E-076.00E-077.00E-078.00E-079.00E-07030060090012001500单向拉应变/e-6渗透系数K m/s05101520253035裂缝宽度/m渗透系数-应变裂缝宽度-应变渗透系数（裂缝宽度）渗透系数（裂缝宽度）应变曲线应变曲线2 渗透系数与拉应变渗透系数

8、与拉应变 当拉伸应变当拉伸应变t 200e-6200e-6时，混凝土渗透系数时，混凝土渗透系数k0k0。 当当t 200e-6200e-6之后，之后， k k开始缓慢开始缓慢，但值很小，表明，但值很小，表明微裂缝开始产生。微裂缝开始产生。 当当t 600e-6600e-6之后之后， k k快速快速。表明混凝土微裂纹。表明混凝土微裂纹逐渐扩展并开始贯通，形成初期宏观裂纹。此时，逐渐扩展并开始贯通，形成初期宏观裂纹。此时，k=5.0e-7 m/s5.0e-7 m/s，与丰满大坝帷幕灌浆相当。，与丰满大坝帷幕灌浆相当。 当当t 1000e-61000e-6时，裂纹扩展速度重新开始变缓，时，裂纹扩展速

9、度重新开始变缓，k约约为为6e-7m/s6e-7m/s，相当于砂岩、蚀变花岗岩的，相当于砂岩、蚀变花岗岩的k 。 t 为为1200e-61200e-6时，时，k k 8.0e-7 m/s8.0e-7 m/s，相当于有裂缝黑色，相当于有裂缝黑色片岩的片岩的k，此时混凝土内出现大的宏观裂缝。，此时混凝土内出现大的宏观裂缝。 以帷幕灌浆的以帷幕灌浆的k=5.0e-7 m/sk=5.0e-7 m/s为不渗透的标准，则相应为不渗透的标准，则相应的拉应变为的拉应变为t = 600e-6 = 600e-6。2 渗透系数与拉应变渗透系数与拉应变 有限元数值分析有限元数值分析弥散型模型弥散型模型 容许拉应力容许

10、拉应力 容许拉应变容许拉应变3 拉应变与裂缝宽度拉应变与裂缝宽度 容许值？是否开裂？拉应变容许值？是否开裂？拉应变 裂缝宽？裂缝宽？模型试验模型试验 肉眼可见的混凝土裂纹宽度最小为肉眼可见的混凝土裂纹宽度最小为130130m，可，可能远远超过容许裂缝宽度。不能作为裂缝出现的标能远远超过容许裂缝宽度。不能作为裂缝出现的标准。准。改良的拉伸设备改良的拉伸设备3 拉应变与裂缝宽度拉应变与裂缝宽度 在拉伸试验过程中，在拉伸试验过程中，通过量测获得裂缝通过量测获得裂缝宽度，绘出裂纹宽宽度，绘出裂纹宽度与拉应变的关系度与拉应变的关系曲线。曲线。裂纹宽度裂纹宽度 拉应变拉应变3 拉应变与裂缝宽度拉应变与裂缝

11、宽度 该点为用该点为用显微镜观显微镜观测到的表测到的表面微裂纹面微裂纹混凝土单轴拉伸应力混凝土单轴拉伸应力- -应变曲线图应变曲线图出现微裂纹时的拉应变为出现微裂纹时的拉应变为(90140)e-6(90140)e-6；峰值点应变则在峰值点应变则在200e-6200e-6左右，裂缝宽度约左右，裂缝宽度约3 3mm，微裂纹开始扩展；微裂纹开始扩展；拉应变达到拉应变达到300e-6300e-6附近时微裂纹开始出现贯通，裂缝宽度约附近时微裂纹开始出现贯通，裂缝宽度约5 5mm；拉应变为拉应变为600e-6600e-6时，贯通裂缝的宽度达到时，贯通裂缝的宽度达到1010mm；进入应变软化后，最终的极限应

12、变可以达到进入应变软化后，最终的极限应变可以达到1000e-61000e-6附近，试件出现裂纹，附近，试件出现裂纹，裂纹宽度约为裂纹宽度约为31.75m31.75m。0.00E+001.00E-072.00E-073.00E-074.00E-075.00E-076.00E-077.00E-078.00E-079.00E-07030060090012001500单向拉应变/e-6渗透系数K m/s05101520253035裂缝宽度/m渗透系数-应变裂缝宽度-应变最最大大孔孔隙隙水水压压力力裂缝宽度裂缝宽度(mm)(MPa)当裂缝宽度为当裂缝宽度为1010m m时，时，根据渗流的立方定理，得根据渗流的立方定理，得裂隙水压与宽度的关系，裂隙水压与宽度的关系，裂隙水压裂隙水压接近全水头接近全水头。且此时且此时k=5.0e-7 m/sk=5.0e-7 m/s，该，该值值相当于灌浆帷幕的渗透相当于灌浆帷幕的渗透系数。系数。3 拉应变与裂缝宽度拉应变与裂缝宽度 据此，确定据此，确定混凝土坝的容许裂缝宽度为混凝土坝的容许裂缝宽度为10m