项目名称：    混凝土岩石类准脆性材料裂缝扩展的断裂理论与分析方法

推荐单位：    教育部

项目简介：    本项目属于土木建筑工程领域。

针对混凝土岩石类准脆性材料裂缝的稳定性评价及其对结构安全性的影响，本课题进行了系统的断裂力学理论研究。主要研究内容及创新性成果如下：

1．进行了国际上最大试件尺寸的混凝土断裂力学实验；

2. 在大量实验研究和理论分析的基础上，建立了具有科学原创性的混凝土断裂判定的双K断裂模型；从能量的角度研究了混凝土裂缝扩展，进一步完善了双K断裂理论。

3．提出了具有重大理论与分析价值的基于虚拟裂缝粘聚力的KR阻力曲线理论，很好地解释了材料裂缝扩展机理。

4．从细观层次入手，揭示了混凝土岩石类非均匀质准脆性材料的宏观断裂机制。

2005年双K断裂理论已被作为我国电力行业标准《水工混凝土断裂韧度试验规程》的理论基础，双K断裂方法还引起国际同行注意，被美国ACI446委员会作为美国混凝土断裂参数标准测定方法候选草案之一。

教育部组织的同行专家鉴定认为该项目"该成果较为完整地描述了混凝土的断裂特性，推动了混凝土断裂力学理论与方法的发展，为工程结构的安全评价提供了科学依据，得到了国际同行的高度评价和重视。本项研究提出的双K断裂模型和基于裂缝粘聚力的KR阻力曲线具有科学原创性，该成果达到国际领先水平。"

在混凝土岩石类材料断裂理论和分析方法研究方面，发表专著2部，论文141篇。被SCI收录53篇，EI收录54篇，SCI他引118次。国内外他引共904次。

先后被许多国际学术权威，如美国科罗拉多大学Saouma教授，西班牙马德里工业大学M.Elices教授，加拿大哥伦比亚大学Mindess教授，巴西Thaumaturgo教授，法国的Amitrano教授和离散单元法的创始人美国的Cundall教授都在国际权威刊物及正式出版的专著作了高度评价和正面引用。我国著名的水电专家、两院院士潘家铮教授，工程院院士陈厚群教授，工程院院士谢和平教授与其课题组在发表的论文中作了正面引用和较好评价。

主要发现点：  1．理论规律和分析方法方面的主要发现和创新

(1) 提出了双K断裂模型：求解了以奇异格林函数为表征的裂缝粘聚力产生的粘聚韧度，发现了混凝土裂缝韧度增值的三参数定律，给出了准脆性材料缝端应力场强度奇异性弱化的定量描述方法，建立了考虑粘聚力的裂缝问题的积分方程，采用能量泛函变分计算的求解方法求解了裂缝粘聚力的阻力作用，建立了将裂缝粘聚力和等效裂缝相结合的双K断裂模型，形成了一套完整的双K断裂参数计算理论。表明其可以作为描述混凝土裂缝扩展过程的断裂准则。(结构工程学，代表性论著2，5，6，8，9)

(2) 求得了虚拟裂缝解析解和提出了新KR阻力曲线理论：求得了Griffith裂缝和I型无限条裂缝各个加载历史阶段虚拟裂缝解析解，突破了传统裂缝扩展阻力曲线的基本概念，提出了一个新KR阻力曲线理论。其新KR阻力曲线由两部分组成:一部分是起裂韧度，另一部分是随着裂缝的扩展由粘聚力提供的裂缝扩展阻力。研究表明新KR阻力曲线可作为描述材料中裂缝扩展全过程的一种新的断裂判据。(结构工程学,代表性论著4)

(3) 提出了混凝土和岩石类准脆性工程材料的细观层次上断裂过程分析新方法：紧紧抓住材料非均匀性这个关键特征，建立了在细观层次上表征非均匀性的模型和细观损伤力学本构关系，实现了混凝土和岩石中裂纹的萌生、扩展、相互作用及贯通等断裂过程的模拟,为混凝土和岩石细观层次断裂过程的研究提供了一个新的数值试验工具。(结构工程学, 代表性论著7，10)

2．实验规律与材料关键特性方面的重要发现

(4) 进行了国际上最大试件尺寸的混凝土断裂力学实验：开展了被同行专家称之为"国际上最大试件尺寸、规模国内外所未见"的混凝土断裂力学系列实验。"在国内外第一次用实验证实当试件高度大于两米以上，混凝土断裂韧度和试件尺寸无关，证实线弹性断裂力学可应用于大体积混凝土结构的断裂分析"。(结构工程学，代表性论著1，3，5)

(5) 采用光弹性贴片、激光散斑等现代实验方法完整地观察混凝土材料裂缝扩展全过程：采用这些现代试验方法研究混凝土断裂，直观而完整地观测到混凝土失稳断裂前裂缝稳定扩展过程，发现混凝土裂缝扩展过程中存在着起裂、稳定扩展、失稳断裂三个不同阶段。发现当试件高度大于1米以上时，混凝土裂缝稳定扩展长度是一常数值。(结构工程学, 代表性论著1，5)

主要完成人：  1.   徐世烺

项目负责人。

1.建立了将裂缝粘聚力和等效裂缝相结合的双K断裂模型。

2.求得Griffith裂缝和I型无限条裂缝虚拟裂缝解析解，提出新的基于裂缝粘聚力的裂缝扩展阻力KR曲线理论。

3.进行了国际上最大试件尺寸的混凝土断裂力学实验，发现了当试件高度大于两米以上，混凝土断裂韧度和试件尺寸无关，证实线弹性断裂力学可应用于大体积混凝土结构断裂分析。

4.采用光弹性贴片、激光散斑等现代实验观察方法，发现起裂、稳定扩展、失稳断裂三个不同阶段。

本人贡献对应主要发现点1，2，4，5；对应代表性论著1至6和8，9；在本项目工作量达70%。

2.   唐春安

基于Weibull随机统计分布来表征材料的非均匀性，提出了混凝土岩石类工程材料的细观非均匀性数值表征模型，首次提出了数值试验机的基本思路和理论框架，并领导其系统开发。

本人贡献对应主要发现点3；对应代表性论著7和10，在本项目工作量达60%。

3.   赵国藩

提出简便的混凝土I-II复合型断裂准则，领导进行了大骨料混凝土断裂韧度的实验研究，在国内首次提出用楔入劈拉法作为混凝土断裂能和断裂韧度实验标准的建议。

本人贡献对应主要发现点4，5；对应代表性论著1，2，3；在本项目工作量达50%。

4.   吴智敏

进行了大量的实验研究，研究了试件尺寸、骨料粒径对双K断裂参数的影响，提出了一种求解双K断裂参数中粘聚力贡献的奇异积分的实用解析方法。

本人贡献对应主要发现点1，对应代表性论著9。在本项目工作量达40%。

5.   朱万成

1.基于损伤力学原理推演了断裂过程的本构关系；

2.从材料的细观层次出发，利用数值试验方法开展了混凝土和岩石断裂过程的数值试验；

3.首次揭示了非均匀性对于拉伸断裂、剪切断裂和复合型断裂过程中裂缝扩展的控制机制。

本人贡献对应主要发现点3，对应代表性论著10。在本项目工作量达40%。

10篇代表性论文：  1.   混凝土断裂力学研究[M] / 大连理工大学出版社

2.   混凝土结构裂缝扩展的双Ｋ断裂准则 /土木工程学报

3.   混凝土巨型试件断裂韧度和高混凝土坝裂缝评定的断裂韧度准则 / 土木工程学报

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.   考虑软化效应的粘聚裂纹张开位移分析 / 中国科学G辑

9.   基于虚拟裂缝模型混凝土双K断裂参数 /水利学报

10.  混凝土损伤与断裂－数值试验. 科学出版社