高孔隙水壓作用下混凝土滲流-損傷耦合模型

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1、學(xué)兔兔www.xuetutu.com第2期水利水運程學(xué)報NO．22010年6月HYDR0-SCIENCEANDENGINEERINGJun．2O10高孑L隙水壓作用下混凝土滲流一損傷耦合模型林凱生，李宗利(西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西楊凌712100)摘要：混凝土高壩、深埋隧道等工程建筑承受較高的水頭，使得混凝土內(nèi)存在高滲透力，產(chǎn)生較顯著的滲流一損傷耦合作用．應(yīng)用Picandet等學(xué)者提出的混凝土滲透損傷演變方程，結(jié)合混凝土損傷塑性模型，建立了孔隙水壓作用下混凝土滲流一損傷耦合模型．以混凝土壩內(nèi)小孔非恒

2、定滲流為例，分別按耦合和非耦合模型進(jìn)行滲流損傷分析，對比分析不同方法得到的孔隙水壓力及損傷值分布規(guī)律．結(jié)果表明，隨著孔隙水壓力的增大，損傷值逐漸增大，兩者變化規(guī)律基本一致．在高孔隙水壓作用下滲流一損傷耦合效應(yīng)明顯，應(yīng)用滲流一損傷耦合模型能夠更好地反映混凝土在高孔隙水壓作用下的受力變形特性．關(guān)鍵詞：混凝土；高孔隙壓力；耦合；損傷塑性模型中圖分類號：TV431：TV32．2文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009—640X(2010}02—0051—05混凝土是由骨料、水泥漿、摻合料等組成的多相復(fù)合材料，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，并

3、存在微裂紋、微孔隙等缺陷．高壓水會從結(jié)構(gòu)表面的微觀裂紋、孑L隙逐漸滲入到混凝土內(nèi)部，并導(dǎo)致混凝土的材料性能發(fā)生劣化，劣化又會引起滲透性的增大，如奧地利Kolnbrein拱壩的開裂破壞就是由上述原因?qū)е碌模壳埃瑖鴥?nèi)外學(xué)者提出了許多分析研究因材料劣化引發(fā)滲透系數(shù)變化的耦合方法，包括孔隙率、應(yīng)變水平、塑性應(yīng)變、溫度、裂縫尺寸及損傷變量等與滲透系數(shù)之間的耦合方法。．描述混凝土材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)缺陷分布和力學(xué)性能劣化程度的場變量就是損傷變量，混凝土材料的劣化損傷對滲透系數(shù)的變化起著控制作用．損傷值的增大帶來滲透系數(shù)的變化，滲

4、透系數(shù)的變化又會影響滲透力的大小，影響應(yīng)力場和位移場，位移場的變化又引起滲透系數(shù)的變化，這種耦合作用最終體現(xiàn)在損傷場的變化上．文獻(xiàn)[5]通過對多組混凝土進(jìn)行試驗，提出了計算低損傷程度下滲透系數(shù)與損傷值的耦合方程．許多學(xué)者。也針對實驗結(jié)果提出了滲透系數(shù)關(guān)于損傷值的函數(shù)．文獻(xiàn)[8—9]分別利用均一化分析方法和離散模型論證了滲透系數(shù)與損傷值的耦合關(guān)系．文獻(xiàn)[10]基于Biot固結(jié)孔隙水壓理論，研究了重力壩的混凝土材料損傷斷裂對孔隙水壓力影響，為多孔介質(zhì)材料的滲流與損傷斷裂的耦合研究提供了方法．文獻(xiàn)[11]采用彈塑性損傷模

5、型，考慮滲透系數(shù)和損傷值的耦合作用，對混凝土高壓容器進(jìn)行了數(shù)值分析，并取得了較好的效果．本文基于ABAQUS有限元軟件，應(yīng)用Picandet等學(xué)者提出的混凝土在氣體作用下滲透系數(shù)的損傷演變方程，采用混凝土損傷塑性模型，并以簡單試件為模擬對象，在考慮與不考慮滲流一損傷耦合效應(yīng)兩種情況下，分析滲流穩(wěn)定過程中孔隙水壓力、損傷值的變化情況．通過對比分析，闡述了高壓水作用下混凝土結(jié)構(gòu)中的滲流一損傷耦合效應(yīng)，為進(jìn)一步研究高壩等混凝土建筑物的滲透破壞奠定基礎(chǔ)．1數(shù)值分析模型1．1滲流與應(yīng)力耦合數(shù)學(xué)模型基于Biot固結(jié)理論的多孔介

6、質(zhì)材料滲流理論，在混凝土材料的非線性力學(xué)特性與滲透系數(shù)的耦合研究收稿日期：2009—08—20基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(50779057)；國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)資助項目(2007CB714104)作者簡介：林凱生(1985一)，男，廣西南寧人，碩士研究生，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與材料研究．E—mail：linkaisheng1985@163．tom學(xué)兔兔www.xuetutu.com52水利水運工程學(xué)報2010年6月中已得到了很好的應(yīng)用Ⅲ．ABAQUS有限元軟件提供的滲流應(yīng)力耦合分析理論基

7、于經(jīng)典滲流理論，能求解多孔介質(zhì)的飽和滲流、非飽和滲流及二者的混合問題．本文直接采用該模型，下面對該模型做簡要介紹．1．1．1滲流連續(xù)方程流經(jīng)微單元體的流體滿足連續(xù)性，其表達(dá)式為，1，

8、七Jf÷(JI口Sn)dV=一fPw-．，dA(1)式中：J=IdV／dVoI為混凝土材料的當(dāng)前體積與初始體積的比值；p為流體密度；s為飽和度；n為孔隙率；m為流體所流經(jīng)的微元面的外法向矢量；為從面流人流體的平均流速矢量．孔隙介質(zhì)滲流遵循Darey定律或者Forchheimer定律．前者適用于低滲透流速，是線性關(guān)系；而后者適用于較高滲

9、流流速，是非線性關(guān)系，具有更廣泛的適用性，其表達(dá)式為Lsn(1+盧_)：一·(2)’Pgd式中：／3為與材料孔隙比相關(guān)的速率系數(shù)，當(dāng)其值趨近于0時，F(xiàn)orchheimer定律將轉(zhuǎn)化為Darcy定律；k(s)為飽和度s的函數(shù)，且k(1)=1；為飽和滲透系數(shù)矩陣；為總水頭．1．1．2有效應(yīng)力原理基于有效應(yīng)力原理，多相材料的總應(yīng)力由有效應(yīng)力，孔隙水應(yīng)力u和孔隙氣應(yīng)