高水壓山嶺隧道襯砌損傷機(jī)制研究.pdf

1、無論是隧道混凝土襯砌，還是其他混凝土結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)損傷主要是由混凝土內(nèi)損傷引起的?；炷羶?nèi)部存在著大量的原始微缺陷，包括微裂縫和微孔洞等，這是導(dǎo)致混凝土損傷的主要原因。在外界因素作用下，由于混凝土各組成材料的不同力學(xué)性能以及其粘結(jié)面之間的微裂紋會擴(kuò)展、匯聚，同時新的微裂紋也會不斷產(chǎn)生，從而導(dǎo)致混凝土發(fā)生加速性的非線性破壞。在此期間混凝土的損傷特征以及損傷狀態(tài)可用損傷變量來表示，并且混凝土材料會表現(xiàn)出一些典型的非線性力學(xué)特性:拉壓不等性、各

2、向異性損傷、剛度退化性等。通過在混凝土損傷本構(gòu)關(guān)系中引入損傷變量可以在宏觀方面考量微缺陷的發(fā)展程度，從而定量地評價混凝土結(jié)構(gòu)的劣化程度。目前大部分的混凝土損傷本構(gòu)模型都是通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到的，其應(yīng)用范圍有限，也沒有可靠的理論推導(dǎo)。而在理論方面建立的混凝土模型主要有兩個分支部分，一個是從宏觀的連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)理論出發(fā)，以混凝土的宏觀變形為依據(jù)建立損傷本構(gòu)模型，另一個為從細(xì)觀力學(xué)理論出發(fā)，以混凝土內(nèi)部的微缺陷發(fā)展規(guī)律為依據(jù)，對混凝土的微觀

3、損傷進(jìn)行統(tǒng)計分析，從而得出損傷本構(gòu)模型。從混凝土損傷的能量守恒角度講，無論是高靜水壓力，還是襯砌應(yīng)力（盡管水壓力及襯砌應(yīng)力對于混凝土的損傷作用方式不同），其作用下消耗的能量狀態(tài)均可用混凝土的損傷變量表示，因此，作用于混凝土的一切外部因素均可統(tǒng)一使用外力σ表示。
　　本文介紹了國內(nèi)外混凝土損傷研究現(xiàn)狀以及基于熱力學(xué)框架下的連續(xù)介質(zhì)損傷理論，就其中的若干關(guān)鍵性問題諸如損傷面、能量釋放率等內(nèi)容做了深入討論?；跓崃W(xué)原理和已有的試驗(yàn)現(xiàn)象

4、對傳統(tǒng)的混凝土損傷本構(gòu)模型進(jìn)行了發(fā)展和應(yīng)用。主要研究工作如下:
　　(1)對混凝土的材料組成及各組成成分的不同力學(xué)性能進(jìn)行討論，通過其內(nèi)部的細(xì)觀缺陷對混凝土進(jìn)行細(xì)觀角度的分析。混凝土的損傷破壞機(jī)理主要是其內(nèi)部的固有微缺陷在外界因素作用下的產(chǎn)生、發(fā)展、積累到出現(xiàn)宏觀裂縫以致結(jié)構(gòu)破壞的結(jié)果。通過典型的混凝土σ-ε曲線分析混凝土在單軸荷載下的應(yīng)力應(yīng)變發(fā)展過程中損傷的演化情況，來深入探討混凝土在損傷過程中的損傷特性。其后，通過對宏觀混凝土

5、損傷的研究歸納總結(jié)了傳統(tǒng)的混凝土損傷本構(gòu)模型及其損傷演化規(guī)律，并借此引入了混凝土損傷發(fā)展的能量概念，用能量概念來表征混凝土損傷度的變化規(guī)律。
　　(2)對損傷理論中損傷變量、損傷準(zhǔn)則以及塑性準(zhǔn)則等幾個關(guān)鍵性問題做了分析和闡述。介紹了不可逆的連續(xù)介質(zhì)損傷熱力學(xué)基本原理，討論了選擇損傷變量的問題，基于能量極值原理，通過拉格朗日乘數(shù)法推導(dǎo)出了混凝土的損傷準(zhǔn)則和屈服準(zhǔn)則的理論統(tǒng)一模式，對混凝土損傷和塑性兩種耗能機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)分析。并以此討

6、論了混凝土損傷的演化規(guī)律。通過分析給出共性認(rèn)識和差異理解，撥開損傷理論的多層迷霧，為后文損傷本構(gòu)模型的建立奠定了基礎(chǔ)。
　　(3)基于熱力學(xué)原理，通過將Helmholtz比自由能展開成Taylor級數(shù)，使材料系統(tǒng)的內(nèi)變量能變?yōu)榭杀磉_(dá)的數(shù)學(xué)函數(shù)，建立了各向同性的混凝土彈性本構(gòu)損傷模型，并通過內(nèi)變量的正交流動法則，推導(dǎo)出了適用于各向同性的混凝土彈性損傷演化方程，建立了完整的混凝土彈性損傷理論。間接證明了混凝土材料在損傷演化過程中具有一

7、定的非線性性能退化。同時，在建立各向同性彈性本構(gòu)模型的過程中，引進(jìn)了與損傷變量ω相關(guān)的兩個一階Lame彈性常數(shù)，探討其所建立模型的正確性，然后對Lame彈性常數(shù)進(jìn)行修正，最終得出了二階損傷張量作用下的兩個損傷效應(yīng)函數(shù)。而損傷效應(yīng)函數(shù)的表達(dá)取決于混凝土材料的力學(xué)性能以及其內(nèi)部微缺陷的細(xì)觀幾何分布特征。不僅為宏觀的連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)與細(xì)觀損傷力學(xué)提供了結(jié)合點(diǎn)，也反應(yīng)了材料內(nèi)部細(xì)觀損傷特征與宏觀損傷效應(yīng)之間的聯(lián)系。
　　(4)依據(jù)不可逆熱

8、力學(xué)原理，改進(jìn)了混凝土彈塑性損傷本構(gòu)模型。在有效應(yīng)力空間中，采用一個單面的屈服函數(shù)來考慮混凝土的不可恢復(fù)變形，修正了塑性Helmholtz自由能勢，使之更嚴(yán)格地滿足熱力學(xué)相容條件。通過對混凝土損傷過程中的彈性部分、塑性部分、損傷部分進(jìn)行損傷分析，建立了率不相關(guān)的混凝土損傷本構(gòu)模型。
　　(5)隧道襯砌混凝土結(jié)構(gòu)在運(yùn)營過程中主要受到地下水的靜水水壓力以及圍巖壓力，鑒于本文中建立的混凝土彈性本構(gòu)模型及混凝土彈塑性本構(gòu)模型的彈性部分，通