原文链接：https://www.mdpi.com/2624-795X/6/3/50

论文标题：Research on Strength Degradation and Crack Development in Defective Concrete

期刊名：GeoHazards

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/geohazards

研究背景

混凝土是地下隧道衬砌中最广泛应用的材料，其在长期服役过程中不可避免地会产生收缩、温度裂缝等初始缺陷。这些缺陷，特别是预存裂纹，会显著影响衬砌在单轴压缩下的力学性能和破坏行为，进而威胁整个隧道结构的安全。在强震区，理解裂纹在动荷载下的扩展机制对于隧道衬砌的抗震设计、性能评估至关重要。然而，仅依靠传统的宏观力学测试，难以捕捉裂纹萌生、扩展直至宏观破坏的细观过程及其与宏观性能退化的内在关联。本文旨在通过结合声发射实验监测、分形维数分析与离散元数值模拟，建立一个能够深入揭示含预制裂纹混凝土在单轴压缩下从细观损伤到宏观破坏全过程的综合性研究框架。

研究内容

本研究采用C30混凝土浇筑了100mm立方体试件，通过预埋钢板法制造了具有不同长度（25、50、75mm）和倾角（0°、30°、45°、60°）的人工单裂纹。在单轴压缩试验过程中，同步运用声发射（AE）技术实时捕捉内部的微破裂活动。实验结果显示，峰值应力随裂纹长度增加而显著降低。与无裂纹对照组（峰值应力37.33 MPa）相比，75mm长的水平裂纹使强度下降了43.67%。在25mm长的裂纹中，45°倾角的试件强度下降最为显著（-39.41%），这表明沿主剪切方向排列的裂纹最为危险。AE数据分析进一步揭示了破坏前兆：b值在应力峰值前约65秒处急剧下降，同时高振幅（>100 dB）的AE事件集中爆发，预示着主裂纹的快速扩展和宏观破坏的来临。通过分形维数（FD）分析量化了破坏后裂纹网络的几何复杂性，发现峰值应力与裂纹分形维数之间呈现清晰的负相关线性关系，证实了裂纹几何复杂度越高，材料的力学性能退化越严重。

为了从细观尺度验证和阐释实验现象，本研究采用PFC3D软件进行了离散元模拟。通过建立线性平行粘结模型，校准了颗粒接触刚度、法向与切向粘结强度等参数，使之能复现C30混凝土的宏观应力-应变行为。数值模型精确复制了不同裂纹长度和倾角的实验构型。模拟结果与实验观测高度吻合，成功再现了长裂纹导致的劈裂型张拉破坏以及45°裂纹引导的剪切主导型破坏模式。位移矢量场分析表明，裂纹的存在显著改变了应力和变形的传播路径，尤其在45°裂纹处，颗粒位移呈现典型的对称剪切滑移特征。离散断裂网络（DFN）可视化展示了粘结断裂的累积过程，清晰揭示了从分布式微损伤到局部化宏观裂缝带的演变路径，为理解实验观测到的AE信号演化和裂纹模式提供了细观力学解释。

图 1. 峰值应力与分形维数 (FD) 的关系，以及 FD 随裂纹参数（包括长度和角度）的变化 (ΔFD)。

图 2. 不同裂纹角度构型混凝土试件在单轴压缩下的位移场和断裂模式（DEM 模拟）。

研究总结

本研究通过实验与数值模拟相结合的综合手段，系统揭示了预制裂纹的长度和倾角对混凝土隧道衬砌材料力学性能退化和破坏模式的决定性影响。实验结果表明，45°倾角和较长的裂纹是最危险的结构缺陷，可导致强度损失近40%。声发射参数（b值、高振幅事件）可作为有效的内部损伤演化与破坏前兆指标，而裂纹分形维数则为量化破坏程度提供了可靠的几何学标尺。基于PFC3D的离散元模拟成功复现了不同裂纹构型下的破坏机制，验证了数值模型在模拟混凝土细观断裂过程中的有效性和可靠性。本研究的成果为隧道衬砌的缺陷评估提供了重要的理论依据和数值工具，明确指出在工程实践中应优先关注和加固长裂纹及45°左右的倾斜裂纹。该综合性研究框架——融合了先进的实验监测技术、定量化分形分析与高保真细观模拟——为评估和预测含缺陷混凝土结构的长期性能与安全性提供了可推广的范式，对提升隧道工程的设计水平与运维安全具有重要价值。

GeoHazards期刊介绍

主编：Prof. Dr. Zhong Lu, Roy M. Huffington Department of Earth Sciences, Southern Methodist University, Dallas, TX 75275, USA

Prof. Dr. Tiago Miguel Ferreira, Instituto Superior Técnico (IST), University of Lisbon, Av. Rovisco Pais, 1049-001 Lisbon, Portugal

期刊发表范围涵地球物理/地质灾害、气候及气候变化相关灾害、气象灾害、水文灾害、块体运动灾害以及人为和技术灾害等研究领域。自2020年创刊以来，被ESCI、Scopus、GeoRef等多个权威数据库收录。