Page 12 - 水利学报2021年第52卷第11期

水 利 学 报

2021 年 11 月 SHUILI XUEBAO 第 52 卷 第 11 期

文章编号：0559-9350（2021）11-1270-11

基于分形维的混凝土裂纹扩展及损伤演化过程研究

殷亚娟 ，任青文 ，沈 雷 ，韩 衍 2
1
2
1
（1. 河海大学 水利水电学院，江苏 南京 210098；2. 河海大学 力学与材料学院，江苏 南京 210098）
摘要：混凝土材料破坏过程中裂纹的演化具有随机无规律的特点，而外界条件的复杂性和混凝土自身的非线性使
得裂纹的动态演化规律研究十分困难。为定量研究混凝土受力过程中裂纹及损伤的演变过程，本文在假定混凝土
是由骨料、砂浆及两者之间的界面组成的三相复合材料基础上，建立了细观混凝土力学模型，提出一种基于裂纹
分形维的损伤变量计算方法，对多组混凝土试件的单轴拉伸力学行为进行损伤数值研究，利用分形维对混凝土开
裂全过程中的裂纹分布进行表征。研究表明：细观模拟的裂纹形态与试验结果相符；裂纹分形维能够更好地反映
混凝土材料损伤的变化过程，可以定量描述材料损伤演化的特性；发现了混凝土从“均匀”损伤至局部破坏的临界
点；细观模拟得到的应力-应变曲线、裂纹分形维曲线、损伤演化曲线受网格尺寸的影响很小；随着混凝土试件
骨料级配数的增加，骨料颗粒和界面减少，整体耗能降低，应力峰值和裂纹分形维均减小。此外，本文建议应力
峰值点后的裂纹分形维曲线的突变点为混凝土材料从“均匀”损伤进入局部破坏的临界点，是损伤和断裂的分界
点，相应的损伤值约为 0.8，该值可作为混凝土出现宏观裂纹的损伤阈值。本文研究加深了人们对混凝土破坏机
理的认识。
关键词：混凝土；细观；裂纹扩展；损伤演化；分形维；突变点
中图分类号：TV313 文献标识码：A doi：10.13243/j.cnki.slxb.20210594

1 研究背景

作为典型的准脆性材料，混凝土在细观上为多相介质组成的复合材料，受力过程中所表现出的
非线性应力-应变关系是细观非均质损伤演化过程的宏观表现。材料的损伤伴随着从初始状态开始直
至结构完全丧失承载能力的整个受力破坏过程。这一破坏过程实质上是内部细观微裂纹的萌生、扩
展、成核和贯通的连续损伤演化过程。混凝土破坏（承载能力丧失）只是裂纹发展的最后阶段，它只
能在很小程度上揭示其损伤演变的历史和特征，要真正的描述混凝土破坏的非线性特征，必须追溯
到其初始裂纹的分布、裂纹扩展和损伤演化过程，从微裂纹动态演化和材料损伤的角度出发，寻找
［1］
其演化机理及失稳破坏的依据 。但是，外界条件的复杂性和混凝土自身的非线性使得裂纹的动态演
化规律研究十分困难。
随着科技的发展，CT 扫描、数字图像相关（Digital Image Correlation，DIC）技术、声发射等技术
［2］
为研究混凝土的裂纹发展提供了有力的工具。Chotard 等 对水泥进行了 CT 扫描试验，分析了其水化
［3］
［4］
过程中结构的变化规律。Landis 等 和 Elaqra 等 基于 CT 扫描技术对砂浆试件内部裂纹的发展进行了
研究。文献 ［5-7］ 采用 CT 检测技术对混凝土试件静、动力单轴拉伸和压缩破坏过程中的材料内部细
［8］
观结构及微裂纹变化的特点进行了研究，并基于损伤裂纹做了定量分区。Lawler 等 基于 DIC 技术，

收稿日期：2021-07-21；网络首发时间：2021-11-16
网络首发地址：https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1882.TV.20211115.1554.001.html
基金项目：国家自然科学基金项目（51739006）
作者简介：殷亚娟（1988-），博士生，主要从事水工混凝土结构多尺度理论研究。E-mail：yin-yajuan@163.com
通讯作者：任青文（1943-），教授，博士生导师，主要从事复杂力学系统的破坏与安全研究。
E-mail：renqw@hhu.edu.cn
— 1270 —