本文關(guān)鍵詞：高水壓山嶺隧道襯砌損傷機(jī)制研究

  更多相關(guān)文章： 混凝土 襯砌 損傷機(jī)理 本構(gòu)模型 熱力學(xué)

【摘要】：無(wú)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。混凝土內(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(huì)擴(kuò)展、匯聚,同時(shí)新的微裂紋也會(huì)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(huì)表現(xiàn)出一些典型的非線性力學(xué)特性:拉壓不等性、各向異性損傷、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(píng)價(jià)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(gè)分支部分,一個(gè)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(gè)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(duì)混凝土的微觀損傷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(wú)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(duì)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?表示。本文介紹了國(guó)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)象對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)宏觀混凝土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(duì)損傷理論中損傷變量、損傷準(zhǔn)則以及塑性準(zhǔn)則等幾個(gè)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(duì)混凝土損傷和塑性兩種耗能機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)分析。并以此討論了混凝土損傷的演化規(guī)律。通過分析給出共性認(rèn)識(shí)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(jí)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(dòng)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定的非線性性能退化。同時(shí),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?相關(guān)的兩個(gè)一階Lame彈性常數(shù),探討其所建立模型的正確性,然后對(duì)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(gè)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(gè)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(shì),使之更嚴(yán)格地滿足熱力學(xué)相容條件。通過對(duì)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(yíng)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,通過伯努利方程將混凝土的孔隙率?用襯砌所受的等效靜水水壓力p和裂縫寬度d來表示,得出混凝土彈性本構(gòu)模型中的兩個(gè)損傷效應(yīng)函數(shù)表達(dá)式,最終得到基于靜水壓力作用下的混凝土彈性損傷本構(gòu)模型以及損傷能量釋放率方程。
【關(guān)鍵詞】：混凝土 襯砌 損傷機(jī)理 本構(gòu)模型 熱力學(xué)
【學(xué)位授予單位】：重慶交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：U455.91
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 緒論11-17
• 1.1 研究背景與研究意義11-13
• 1.1.1 研究背景11-12
• 1.1.2 研究意義12-13
• 1.2 混凝土損傷研究現(xiàn)狀13
• 1.3 混凝土損傷力學(xué)發(fā)展趨勢(shì)13-15
• 1.4 本文主要研究?jī)?nèi)容15-17
• 第二章 混凝土結(jié)構(gòu)的損傷機(jī)理17-29
• 2.1 混凝土組成及細(xì)觀損傷機(jī)理17-19
• 2.1.1 混凝土的組成17-18
• 2.1.2 混凝土的細(xì)觀損傷機(jī)理18-19
• 2.2 混凝土σ-ε的宏觀損傷分析19-21
• 2.3 傳統(tǒng)的混凝土本構(gòu)模型21-25
• 2.4 混凝土損傷分析的研究25-27
• 2.5 混凝土損傷發(fā)展的能量概念27-28
• 2.6 本章小結(jié)28-29
• 第三章 連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)在混凝土損傷中關(guān)鍵問題解析29-41
• 3.1 熱力學(xué)原理概述29-33
• 3.2 損傷變量、有效應(yīng)力33-34
• 3.3 應(yīng)變等效性假設(shè)34-35
• 3.4 統(tǒng)一形式的損傷準(zhǔn)則和屈服準(zhǔn)則的建立35-38
• 3.4.1 損傷準(zhǔn)則的建立35-37
• 3.4.2 屈服準(zhǔn)則的建立37-38
• 3.5 損傷演化規(guī)律討論38-39
• 3.6 本章小結(jié)39-41
• 第四章 混凝土損傷本構(gòu)模型推導(dǎo)41-55
• 4.1 混凝土彈性本構(gòu)模型推導(dǎo)41-48
• 4.1.1 引言41
• 4.1.2 不可逆熱力學(xué)基本方程41-42
• 4.1.3 損傷本構(gòu)方程的推導(dǎo)42-47
• 4.1.4 小結(jié)47-48
• 4.2 混凝土彈塑性本構(gòu)模型推導(dǎo)48-55
• 4.2.1 引言48
• 4.2.2 變量分解及熱力學(xué)框架48-51
• 4.2.3 率不相關(guān)彈塑性損傷本構(gòu)模型的推導(dǎo)51-54
• 4.2.4 小結(jié)54-55
• 第五章 高水壓隧道襯砌損傷本構(gòu)模型55-63
• 5.1 引言55
• 5.2 隧道襯砌損傷本構(gòu)模型的選取及狀態(tài)描述55-57
• 5.2.1 本構(gòu)模型選取55
• 5.2.2 不可逆熱力學(xué)狀態(tài)描述55-57
• 5.3 隧道襯砌混凝土彈性損傷本構(gòu)模型的推導(dǎo)57-61
• 5.4 實(shí)例分析61-62
• 5.5 本章小結(jié)62-63
• 第六章 結(jié)語(yǔ)與展望63-67
• 6.1 全文工作總結(jié)63-64
• 6.2 未來展望64-67
• 致謝67-69
• 參考文獻(xiàn)69-75
• 附錄 在學(xué)校期間發(fā)表的論文和取得的學(xué)術(shù)成果75

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：756115