混凝土重力坝广泛应用于防汛灌溉,水利发电等领域。实际工程中,大坝坝踵与基岩处常常由于界面处应力集中以及外荷载等因素产生微裂缝,而坝踵与基岩处的微裂缝在外荷载作用下不断发展变大,形成影响混凝土重力坝安全运行的宏观裂缝。界面微裂缝的不断贯通将有可能导致混凝土重力坝失效破坏,并造成严重的人员财产损失。因此,研究混凝土岩石界面处裂缝的断裂特性并预测裂缝扩展轨迹具有十分重要的现实意义。学术界为此进行了大量的试验及数值研究,并提出了相应地界面裂缝扩展准则。本文为了进一步验证Dong等提出的混凝土岩石界面裂缝扩展准则,进行了如下所列工作:(1)不同种类的混凝土岩石界面三点弯曲梁试验研究本文选取了花岗岩、砂岩两种不同种类的岩石以及C30、C50两种不同强度的混凝土,将它们互相组合成C30-砂岩复合试件,C50-砂岩复合试件以及C50-花岗岩复合试件。首先,进行单一均质材料花岗岩、砂岩、C30以及C50试件三点弯断裂试验,接着进行以上三种混凝土岩石复合试件试验,通过试验直接获得了试件的起裂荷载、峰值荷载以及记录了完整的荷载-加载点位移曲线(P-δ)与荷载-裂缝口张开位移曲线(P-CMOD);将试验获得的试件起裂荷载代入到有限元程序中进行计算获得了试验试件的Ⅰ型和II型起裂断裂韧度K1ini和K2ini,根据P-δ曲线计算获得了试件的断裂能。分析研究了界面两侧材料对混凝土岩石界面抗拉强度、起裂断裂韧度和断裂能的影响,结果表明界面两侧材料的性质会影响混凝土岩石界面的断裂特性。其中,混凝土强度越高界面的结合强度也相应提高。(2)不同种类的混凝土岩石界面四点剪切梁试验研究本文对上述C30-砂岩、C50-砂岩以及C50-花岗岩三种混凝土岩石复合梁进行四点剪切梁实验,并通过改变岩石长度的方式获得四点剪切梁试验条件下不同的界面裂缝模态比。根据实验结果,利用不同界面裂缝模态比下混凝土岩石界面起裂断裂韧度拟合出归一化的界面裂缝起裂方程,并与Dong等提出的混凝土岩石界面裂缝扩展准则进行对比分析。同时,将Dong等提出的界面裂缝扩展准则预测结果与试验结果进行对比验证。结果表明:混凝土岩石界面在不同模态比下Ⅰ型和Ⅱ界面起裂断裂韧度基本沿着长轴与短轴比为1.6的椭圆曲线分布,并且实际试验获得的混凝土岩石界面裂缝扩展破坏模式与准则预测结果一致。(3)混凝土岩石试件试验数值计算利用虚拟裂缝模型,结合裂缝尖端断裂过程区施加的粘聚力对缝尖应力场的影响,将界面裂缝起裂方程转换为界面裂缝扩展准则。通过将界面裂缝扩展准则和最大周向应力准则相互结合可以预测界面裂缝可能存在的扩展路径。以界面裂缝扩展准则和最大周向应力准则为判据,利用ANSYS有限元软件建立了一种可以模拟混凝土岩石界面裂缝断裂全过程的数值计算方法,且利用该数值方法得到的荷载-裂缝口张开位移(P-CMOD)曲线和界面裂缝扩展路径与实际试验获得的结果有良好的吻合度。(4)混凝土重力坝数值计算本文以实际工程结构经典案例中的一座混凝土重力坝为例进行了数值计算分析。首先,研究了混凝土重力坝自重,静水压力以及扬压力三种荷载作用单独作用下坝踵与基岩界面裂缝应力强度因子的变化趋势。并对水位、初始裂缝长度以及裂缝扩展长度对重力坝界面裂缝断裂特性的影响进行分析研究。接着,用数值计算方法对不同起裂断裂韧度参数下大坝界面裂缝断裂全过程进行模拟,得到了三种典型的界面裂缝扩展破坏模式,并分析对比了线弹性断裂力学(LEFM)和非线弹性断裂力学(NLEFM)两种理论对大坝承载能力及界面裂缝扩展模式的影响。最后,选取了现有的两种界面裂缝扩展准则在大坝上的应用进行了分析并与本文界面裂缝扩展准则结果进行对比。结果显示本文所用界面裂缝扩展准则对准脆性材料构成的界面断裂性能的评价更为简便合理,仅仅通过材料的起裂断裂韧度便可对混凝土岩石界面结果的承载力及裂缝扩展模式进行预估判断。