項目名稱：    混凝土巖石類準脆性材料裂縫擴展的斷裂理論與分析方法

推薦單位：    教育部

項目簡介：    本項目屬于土木建筑工程領域。

針對混凝土巖石類準脆性材料裂縫的穩定性評價及其對結構安全性的影響，本課題進行了系統的斷裂力學理論研究。主要研究內容及創新性成果如下：

1．進行了國際上最大試件尺寸的混凝土斷裂力學實驗；

2. 在大量實驗研究和理論分析的基礎上，建立了具有科學原創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展，進一步完善了雙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展機理。

4．從細觀層次入手，揭示了混凝土巖石類非均勻質準脆性材料的宏觀斷裂機制。

2005年雙K斷裂理論已被作為我國電力行業標準《水工混凝土斷裂韌度試驗規程》的理論基礎，雙K斷裂方法還引起國際同行注意，被美國ACI446委員會作為美國混凝土斷裂參數標準測定方法候選草案之一。

教育部組織的同行專家鑒定認為該項目"該成果較為完整地描述了混凝土的斷裂特性，推動了混凝土斷裂力學理論與方法的發展，為工程結構的安全評價提供了科學依據，得到了國際同行的高度評價和重視。本項研究提出的雙K斷裂模型和基于裂縫粘聚力的KR阻力曲線具有科學原創性，該成果達到國際領先水平。"

在混凝土巖石類材料斷裂理論和分析方法研究方面，發表專著2部，論文141篇。被SCI收錄53篇，EI收錄54篇，SCI他引118次。國內外他引共904次。

先后被許多國際學術權威，如美國科羅拉多大學Saouma教授，西班牙馬德里工業大學M.Elices教授，加拿大哥倫比亞大學Mindess教授，巴西Thaumaturgo教授，法國的Amitrano教授和離散單元法的創始人美國的Cundall教授都在國際權威刊物及正式出版的專著作了高度評價和正面引用。我國著名的水電專家、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表的論文中作了正面引用和較好評價。

主要發現點：  1．理論規律和分析方法方面的主要發現和創新

(1) 提出了雙K斷裂模型：求解了以奇異格林函數為表征的裂縫粘聚力產生的粘聚韌度，發現了混凝土裂縫韌度增值的三參數定律，給出了準脆性材料縫端應力場強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題的積分方程，采用能量泛函變分計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合的雙K斷裂模型，形成了一套完整的雙K斷裂參數計算理論。表明其可以作為描述混凝土裂縫擴展過程的斷裂準則。(結構工程學，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型無限條裂縫各個加載歷史階段虛擬裂縫解析解，突破了傳統裂縫擴展阻力曲線的基本概念，提出了一個新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展由粘聚力提供的裂縫擴展阻力。研究表明新KR阻力曲線可作為描述材料中裂縫擴展全過程的一種新的斷裂判據。(結構工程學,代表性論著4)

(3) 提出了混凝土和巖石類準脆性工程材料的細觀層次上斷裂過程分析新方法：緊緊抓住材料非均勻性這個關鍵特征，建立了在細觀層次上表征非均勻性的模型和細觀損傷力學本構關系，實現了混凝土和巖石中裂紋的萌生、擴展、相互作用及貫通等斷裂過程的模擬,為混凝土和巖石細觀層次斷裂過程的研究提供了一個新的數值試驗工具。(結構工程學, 代表性論著7，10)

2．實驗規律與材料關鍵特性方面的重要發現

(4) 進行了國際上最大試件尺寸的混凝土斷裂力學實驗：開展了被同行專家稱之為"國際上最大試件尺寸、規模國內外所未見"的混凝土斷裂力學系列實驗。"在國內外第一次用實驗證實當試件高度大于兩米以上，混凝土斷裂韌度和試件尺寸無關，證實線彈性斷裂力學可應用于大體積混凝土結構的斷裂分析"。(結構工程學，代表性論著1，3，5)

(5) 采用光彈性貼片、激光散斑等現代實驗方法完整地觀察混凝土材料裂縫擴展全過程：采用這些現代試驗方法研究混凝土斷裂，直觀而完整地觀測到混凝土失穩斷裂前裂縫穩定擴展過程，發現混凝土裂縫擴展過程中存在著起裂、穩定擴展、失穩斷裂三個不同階段。發現當試件高度大于1米以上時，混凝土裂縫穩定擴展長度是一常數值。(結構工程學, 代表性論著1，5)

主要完成人：  1.   徐世烺

項目負責人。

1.建立了將裂縫粘聚力和等效裂縫相結合的雙K斷裂模型。

2.求得Griffith裂縫和I型無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展阻力KR曲線理論。

3.進行了國際上最大試件尺寸的混凝土斷裂力學實驗，發現了當試件高度大于兩米以上，混凝土斷裂韌度和試件尺寸無關，證實線彈性斷裂力學可應用于大體積混凝土結構斷裂分析。

4.采用光彈性貼片、激光散斑等現代實驗觀察方法，發現起裂、穩定擴展、失穩斷裂三個不同階段。

本人貢獻對應主要發現點1，2，4，5；對應代表性論著1至6和8，9；在本項目工作量達70%。

2.   唐春安

基于Weibull隨機統計分布來表征材料的非均勻性，提出了混凝土巖石類工程材料的細觀非均勻性數值表征模型，首次提出了數值試驗機的基本思路和理論框架，并領導其系統開發。

本人貢獻對應主要發現點3；對應代表性論著7和10，在本項目工作量達60%。

3.   趙國藩

提出簡便的混凝土I-II復合型斷裂準則，領導進行了大骨料混凝土斷裂韌度的實驗研究，在國內首次提出用楔入劈拉法作為混凝土斷裂能和斷裂韌度實驗標準的建議。

本人貢獻對應主要發現點4，5；對應代表性論著1，2，3；在本項目工作量達50%。

4.   吳智敏

進行了大量的實驗研究，研究了試件尺寸、骨料粒徑對雙K斷裂參數的影響，提出了一種求解雙K斷裂參數中粘聚力貢獻的奇異積分的實用解析方法。

本人貢獻對應主要發現點1，對應代表性論著9。在本項目工作量達40%。

5.   朱萬成

1.基于損傷力學原理推演了斷裂過程的本構關系；

2.從材料的細觀層次出發，利用數值試驗方法開展了混凝土和巖石斷裂過程的數值試驗；

3.首次揭示了非均勻性對于拉伸斷裂、剪切斷裂和復合型斷裂過程中裂縫擴展的控制機制。

本人貢獻對應主要發現點3，對應代表性論著10。在本項目工作量達40%。

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

2.   混凝土結構裂縫擴展的雙Ｋ斷裂準則 /土木工程學報

3.   混凝土巨型試件斷裂韌度和高混凝土壩裂縫評定的斷裂韌度準則 / 土木工程學報

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.   考慮軟化效應的粘聚裂紋張開位移分析 / 中國科學G輯

9.   基于虛擬裂縫模型混凝土雙K斷裂參數 /水利學報

10.  混凝土損傷與斷裂－數值試驗. 科學出版社