混凝土損傷機(jī)理及飽和混凝土力學(xué)性能研究.pdf

1、與混凝土工程應(yīng)用繁榮興旺的背景相比較，關(guān)于混凝土科學(xué)、尤其是混凝土本構(gòu)關(guān)系研究明顯趕不上發(fā)展的需要。正確合理的揭示材料損傷破壞機(jī)理，已成為混凝土損傷力學(xué)能否進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵。圍繞著我國(guó)西部大開發(fā)、西電東送及南水北調(diào)等戰(zhàn)略需求，我國(guó)西部地區(qū)正在或即將興建一大批重力壩和拱壩等高壩水電項(xiàng)目。我國(guó)西部地區(qū)屬于地震高發(fā)區(qū)，同時(shí)高壩混凝土結(jié)構(gòu)大部分處于深水高壓飽和狀態(tài)，因此針對(duì)孔隙水壓對(duì)混凝土材料靜動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文結(jié)合國(guó)家

2、自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(90510018)和國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(50679006)，針對(duì)混凝土材料細(xì)觀損傷演化機(jī)制以及濕態(tài)混凝土力學(xué)特性進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究。 1.逶過(guò)對(duì)連續(xù)損傷力學(xué)與細(xì)觀統(tǒng)計(jì)損傷力學(xué)的基本理論進(jìn)行比較，指出現(xiàn)有損傷力學(xué)模型的缺陷和不足，將混凝土材料細(xì)觀損傷對(duì)宏觀力學(xué)性能的影響重新概括為斷裂損傷和屈服損傷兩種模式?；谄叫袟U模型PBS，并結(jié)合現(xiàn)代非線性科學(xué)中協(xié)同學(xué)、突變論、混沌學(xué)的有關(guān)原理以及聲發(fā)射試驗(yàn)的有關(guān)

3、成果，確定了細(xì)觀兩種損傷模式演化過(guò)程的特征參數(shù)，建立了描述混凝±等準(zhǔn)脆性材料單軸拉伸變形破壞全過(guò)程的細(xì)觀統(tǒng)計(jì)損傷模型。將材料整個(gè)拉伸破壞過(guò)程分為兩個(gè)損傷階段，均勻損傷階段和局部破壞階段；區(qū)分了峰值名義應(yīng)力狀態(tài)和臨界狀態(tài)，解釋了兩狀態(tài)對(duì)應(yīng)的物理含義，強(qiáng)調(diào)了臨界狀態(tài)在整個(gè)拉伸破壞過(guò)程中所起的關(guān)鍵性作用。假設(shè)了局部破壞階段斷裂過(guò)程區(qū)內(nèi)的變形機(jī)制，并建議臨界狀態(tài)作為本構(gòu)模型的最終破壞點(diǎn)。 2.固體的破壞過(guò)程是力學(xué)家與固體物理學(xué)家為之奮斗

4、了三個(gè)半世紀(jì)的跨層次難題，揭示材料的損傷破壞機(jī)理，是數(shù)十年來(lái)眾多國(guó)內(nèi)外研究者矢志不渝的目標(biāo)和方向。基于所建立的細(xì)觀統(tǒng)計(jì)損傷模型描述的混凝土單軸拉伸損傷演化過(guò)程，本文提出了新的準(zhǔn)脆性材料破壞理論——材料內(nèi)在力學(xué)性能發(fā)揮機(jī)制理論。結(jié)合協(xié)同學(xué)的觀點(diǎn)，將混凝土等準(zhǔn)脆性材料看作是能動(dòng)的、具有自組織行為特性的復(fù)雜系統(tǒng)；認(rèn)為材料變形破壞過(guò)程本質(zhì)上是材料以“損傷”為代價(jià)，通過(guò)自身潛在的力學(xué)性能不斷發(fā)展和釋放以適應(yīng)外界荷載環(huán)境變化的能動(dòng)的魯組織行為過(guò)程；

5、而這個(gè)自組織行為賴以進(jìn)行所遵循的內(nèi)在動(dòng)力學(xué)機(jī)制由材料內(nèi)在力學(xué)性能發(fā)揮機(jī)制控制。采用類比的科學(xué)分析方法，通過(guò)將材料損傷演化、生物進(jìn)化、社會(huì)發(fā)展這三類客觀世界中典型的非線性運(yùn)動(dòng)形式進(jìn)行比較，證明本文提出的材料破壞理論的正確性和合理性。 3.混凝土材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能和靜態(tài)相比有顯著的不同，一般認(rèn)為混凝土動(dòng)態(tài)應(yīng)變率效應(yīng)包括慣性效應(yīng)和孔隙水粘性效應(yīng)兩部分。傳統(tǒng)唯象的宏觀損傷本構(gòu)模型無(wú)法反映材料復(fù)雜的細(xì)觀損傷演化機(jī)制，因此更無(wú)法描述動(dòng)態(tài)應(yīng)變

6、率效應(yīng)對(duì)材料細(xì)觀損傷演化機(jī)制的影響。本文針對(duì)干燥混凝土建立了考慮慣性效應(yīng)的單軸拉伸動(dòng)態(tài)統(tǒng)計(jì)損傷模型，針對(duì)飽和混凝土建立了綜合考慮慣性效應(yīng)和粘性效應(yīng)的單軸拉伸動(dòng)態(tài)統(tǒng)計(jì)損傷模型。材料自身的慣性效應(yīng)引起材料破壞形態(tài)以及細(xì)觀損傷演化過(guò)程的改變，模型中通過(guò)調(diào)整兩種細(xì)觀損傷模式演化過(guò)程的特征參數(shù)來(lái)模擬；水的粘性效應(yīng)則調(diào)整了混凝土基體的受力狀態(tài)，模型中通過(guò)并聯(lián)一個(gè)阻尼元件來(lái)模擬。所建議模型物理意義直觀、明確，形象的呈現(xiàn)出了干燥及飽和混凝土動(dòng)態(tài)拉伸破壞

7、過(guò)程的物理圖景；從宏細(xì)觀相結(jié)合的角度進(jìn)一步揭示了混凝土等準(zhǔn)脆性材料損傷破壞的力學(xué)機(jī)制。 4.混凝土的壓縮破壞過(guò)程實(shí)質(zhì)上是由于泊松效應(yīng)在細(xì)觀產(chǎn)生局部拉應(yīng)變從而引起微裂紋萌生、擴(kuò)展、成核的連續(xù)損傷演化過(guò)程。傳統(tǒng)唯象的宏觀壓縮本構(gòu)模型無(wú)法反映材料的細(xì)觀損傷演化機(jī)制。本文根據(jù)混凝土材料單軸壓縮破壞過(guò)程的細(xì)觀損傷機(jī)理，在單軸拉伸統(tǒng)計(jì)損傷模型的基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步建立了混凝土單軸壓縮統(tǒng)計(jì)損傷模型。根據(jù)柏松效應(yīng)引起的橫向拉損傷的演化過(guò)程，確定受壓

8、方向的損傷演化規(guī)律并建立相應(yīng)的壓應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系。通過(guò)理論預(yù)測(cè)和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，初步說(shuō)明采用本文建議的統(tǒng)計(jì)損傷模型描述混凝土材料單軸受壓過(guò)程損傷破壞機(jī)理的可行性和適用性。 5.大部分針對(duì)濕態(tài)或飽和混凝土力學(xué)性能的研究均是在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上給出宏觀現(xiàn)象的描述，而很少有從理論層面上探討影響機(jī)理。本文采用復(fù)合材料等效夾雜理論，將細(xì)觀孔隙分為活性孔隙和非活性孔隙，建立了雙類孔隙夾雜模型，預(yù)測(cè)不同飽和度情況下孔隙及孔隙水對(duì)混凝土材料彈性模

9、量的影響。將兩類孔隙和水泥砂漿作為等效基體，粗骨料作為硬化夾雜，建立了雙重夾雜模型，并結(jié)合細(xì)觀斷裂力學(xué)方法，建立了綜合考慮多種因素統(tǒng)一的混凝土單軸壓縮強(qiáng)度公式，探討細(xì)觀各種組分不同體分比、不同孔隙率以及不同飽和度情況對(duì)濕態(tài)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。將太沙基有效應(yīng)力原理引入到飽和混凝土力學(xué)性質(zhì)的研究中，建立了符合混凝土材料自身微結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的有效應(yīng)力原理表達(dá)式，探討復(fù)雜受力環(huán)境中孔隙水壓力對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響機(jī)制。根據(jù)大量的試驗(yàn)結(jié)果研究了濕態(tài)混