混凝土类材料破坏机理及宏细观损伤本构模型研究

阅读量：

346

作者：

薛云亮

展开

摘要：

混凝土,岩石材料是由颗粒组成的一类脆性材料,都先天带有微裂隙(裂纹)等缺陷以及不均质性等特点,因此它们具有相近的力学性质.混凝土类材料破坏机理及本构模型的研究一直是土木工程学科最为重要的问题之一,最近发展起来的损伤力学理论为该研究提供了一种新的研究思路和方法.利用连续损伤理论分析混凝土类材料破坏的损伤机理,并结合统计强度理论建立混凝土类材料受压破坏全过程的损伤本构模型成为研究热点.本文以混凝土和岩石材料为研究对象,从室内试验出发,利用连续损伤理论分析混凝土类材料破坏的损伤机理,并结合统计强度理论建立混凝土类材料受压破坏全过程的损伤本构模型.在建立损伤本构模型的过程中,通过混凝土类材料破坏过程的应力应变全曲线的几何边界条件具体推导了本构模型的参数表达式,通过与混凝土类材料压缩试验实测结果对比,证明模型可以很好的反映混凝土类材料受压状态下的应力-应变关系.并在此基础上,根据混凝土类材料受压破坏过程中的不同阶段特性,重点进行了损伤本构模型的改进研究.首先根据不同围压条件下岩石破坏后还存在残余强度的特性,引入损伤修正参数,建立了能够反映残余强度的不同围压条件下岩石损伤本构模型,并探讨了围压与损伤修正参数的关系;其次根据混凝土类材料在低应力水平或变形较小时的线弹性变形特性,引入损伤阀值(位置)参数,建立了可考虑损伤阀值影响的混凝土类材料损伤本构模型,并探讨了损伤阀值参数的大小. 基于连续损伤理论的损伤本构模型着重考察损伤对材料宏观力学性质的影响以及材料和结构损伤演化过程和规律,注重研究损伤的宏观后果;而不细查损伤的细观物理背景和材料内部的细观结构变化.该模型是建立在材料处于均匀弱损伤状态假设的基础上的,因此该类模型不适合描述局部破坏阶段材料的损伤突变机制.运用先进的试验方法和手段,将混凝土细观损伤机理与宏观破坏现象联系起来,是从本质上认识和解决混凝土等结构灾害的一条正确途径,这也成为一种必然的发展趋势.声发射是材料或结构在外力或内力作用下,在产生变形或损伤的同时,以弹性波的形式释放出部分应变能的一种自然现象.因此声发射是粒状脆性材料在受载过程中的伴生现象,而且在不同的受力条件下,会表现出不同的声发射特征.一次声发射代表材料的一次微损伤,声发射事件表征着材料的细观破裂,因此声发射参量(声发射事件数,能量等)可以用来表征材料的损伤程度,那么同应力,应变参量一样,声发射参量也应该属于一个本构参量.因此运用声发射试验对混凝土类材料损伤演化过程进行跟踪和分析,从微观上研究混凝土类材料损伤过程,分析混凝土类材料损伤的细观机理,探讨声发射参数与损伤变量的定量关系,继续研究应力,应变,声发射这几种信息参量的本构耦合关系,不仅是对基于损伤力学的损伤本构模型研究的进一步发展和完善,而且对于实际工程的稳定性监测与评价,都有很重要的实际价值.但是声发射技术是一门理论落后实际的学科,迄今尚未建立起完善的声发射参数与力学参数间的本构耦合关系,因而在实际应用上缺少理论依据.本文在室内试验本身试验特性下,基于Dai 和Labuz提出的应力水平 与声发射事件累积数 之间的关系式,探讨了声发射概率密度的表达式及声发射参数 和力学参数 的关系表达式;最后基于损伤力学的观点,利用上文建立了基于Weibull分布基础的损伤本构模型及损伤变量 与累积声发射数 一致的关系,推导出应力,应变参量与声发射数参量的损伤本构耦合模型,为利用声发射技术定量的评价混凝土类材料的损伤及结构可靠性提供了理论依据.

展开

关键词：

混凝土 岩石 声发射 损伤 本构模型 耦合模型

学位级别：

学位：工学硕士

DOI：

http://dspace.xmu.edu.cn:8080/dspace/handle/2288/35774