《Geotechnics》：Seepage-Induced Crack Opening in Cemented Joints: A Hydromechanical Study for Geotechnical Applications
Nazim Hussain,
Guoxin Zhang,
Songhui Li,
Yongrong Qiu and
Arifullah
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本综述探讨了混凝土大坝施工接缝中渗流与应力耦合的关键问题，系统研究了渗水压力如何导致毫米级初始缝隙扩展，从而加剧结构不稳定性的主导机理。文章通过建立损伤相关的缝隙开度演化水力学模型，阐明了界面抗拉强度而非内聚力，是控制渗流诱导开裂的关键参数，为评估扬压力和渗流控制设计提供了新的理论见解。研究发现，初始裂缝宽度是几何加速器，会提前诱发失稳，并通过无量纲压力-抗拉强度比，揭示了从几何控制到损伤主导的失效机制转变。
1. 引言
施工接缝和既有裂缝中的渗流是影响混凝土大坝扬压力、变形和长期安全性的关键因素。现场观测表明，即使微小的接缝开度也能显著增加渗流能力，在高库水位下可能引发接缝张开、接触损失和失稳。因此，可靠评估渗流引起的变形和裂缝演化，对于混凝土大坝及其他水工结构的设计、运营和安全评价至关重要。尽管接缝混凝土结构的水力学耦合已被广泛研究，但在既有施工接缝中控制渗流诱导接缝张开的主导参数仍不清楚。然而，完整混凝土和基础岩石通常表现出极低的固有渗透性，现场观测一致表明渗流主要由施工接缝和裂缝中的优势流而非多孔基质流主导。因此，接缝尺度变形机制对渗流行为和结构响应起主要控制作用。裂缝中流体流动主要由水力开度而非材料渗透性控制。裂缝流理论验证了接缝渗透性遵循开度的三次方依赖性，这意味着即使很小的裂缝开度也能导致渗流能力的大幅增加。试验和数值研究表明，水压力可诱导接缝张开，从而增加渗透性并加速渗流。这种相互作用在变形和流动之间产生了非线性响应。准确捕捉这种反馈对于理解接缝混凝土系统中渗流诱导的不稳定性至关重要。大多数现有数值模型将水力开度演化主要描述为机械位移的函数，直接从接缝张开更新渗透性，而将粘结退化视为次要效应。尽管这种方法适用于完全张开或滑动的界面，但对于混凝土大坝中狭窄的施工接缝可能不足，因为那里的内聚力和抗拉阻力仍对机械约束有贡献。现场调查表明，接缝开度通常在1至3毫米范围内，在此范围内，开度和界面特性的微小变化可显著影响渗流响应和扬压力发展。尽管水力学耦合已被广泛研究，但既有混凝土接缝中渗流诱导不稳定的控制机制仍不清楚。许多研究强调内聚力退化或摩擦滑移是水力加载下的主导失效机制。然而，对于已经部分张开的接缝，水力加载促进的是拉伸张开而非剪切位移。界面抗拉强度和内聚力在控制裂缝张开和水力不稳定性方面的各自作用尚未明确区分。因此，不同研究常将渗流驱动的损伤归因于不同机制，缺乏一致的解读。为应对这些问题，本研究通过一个将界面退化与水力开度演化相联系的耦合渗流-应力框架，研究了混凝土大坝中渗流诱导的接缝张开。研究重点并非提出新的本构定律，而是识别既有施工接缝中渗流诱导不稳定的控制机制。系统性参数分析分离了初始裂缝宽度、界面内聚力和抗拉强度对裂缝开度位移(COD)和水力不稳定性的影响。结果表明，界面抗拉强度控制渗流诱导的不稳定性，而一旦拉伸张开占主导，内聚力则起次要作用。初始裂缝宽度充当几何加速器，但不改变控制机制。这些发现为水力混凝土结构的渗流控制、裂缝评估和耐久性评价提供了机理基础。
2. 控制方程与理论框架
2.1. 接缝混凝土系统渗流的概念框架
接缝混凝土系统的水力学响应采用有效应力原理描述。有效应力张量定义为σ′ = σ - αpI，其中σ是总应力张量；p是孔隙水压力；I是单位张量；α是比奥系数。有效应力σ′控制固体骨架的机械变形。具有中等孔隙率的混凝土材料，α < 1，反映了孔隙压力与固体变形之间的部分耦合。增大的渗流压力降低了作用于孔隙和接缝界面的有效法向应力，而剪应力保持不变。多孔混凝土基质内的流体流动由瞬态渗流方程??(k?p) + ρg = Ss(?p/?t) + α(?εv/?t)控制，其中k是渗透性张量；ρ是流体密度；g是重力加速度；Ss是比贮系数；εv是固体骨架的体积应变。基质渗流为完整性而包含。然而，系统的水力响应主要由施工接缝主导，其渗透性比完整混凝土高出几个数量级。通过施工接缝的流动由其水力开度而非固有材料渗透性控制。假设粗糙平行表面间的层流，接缝渗透性通过立方定律kj= b2/12与机械开度相关，相应的单位宽度体积流量在液压差下为q = (b3/12μ)(Δp/L)，其中b是水力开度；μ是水的动力粘度；L是特征流动长度。这些表达式突出了接缝流动能力对开度演化的强敏感性。接缝界面的力学行为采用由摩尔-库仑准则τ = c + σ′ntan φ控制的粘聚摩擦本构模型表示，其中τ是抗剪强度；c是内聚力；σ′n是有效法向应力；φ是摩擦角。渐进界面退化通过由累积相对位移驱动的内聚力减少建模，c = (1 - D)c0，其中c0是初始内聚力，D ∈ [0, 1]是内聚退化变量，从0（无损）到1（完全退化）变化。界面抗拉强度被单独视为一个控制拉伸脱粘的参数。本研究将抗拉强度视为一个独立参数，通过界面处的最大允许法向应力定义。当有效法向应力超过抗拉强度时，假定发生拉伸失效，导致接缝张开，并且接缝渗透性通过水力开度演化与COD直接耦合。
