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| 混凝土及岩土材料破坏过程的弹塑性各向异性损伤数值模型及其应用 |
| 刘庭金 |
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| NUMERICAL MODEL OF ELASTPLASTIC ANISOTROPIC DAMAGE FOR FAILURE PROCESS OF CONCRETE AND GEO-MATERIALS AND ITS APPLICATIONS |
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摘要 混凝土及岩土材料的破坏过程，是一个极其复杂和极富挑战的研究课题，是力学、材料和工程等学科的研究热点和难点之一。研究混凝土及岩土材料的破坏过程，对于实现从传统的状态(强度)设计理念向现代的过程设计理念转变。揭示混凝土及岩土材料破坏过程的非线性力学行为本质及其破坏机理，提高岩土工程设计水平，评价地下工程安全性能，合理进行地基、边坡工程维修和加固等，均具有重要的理论意义和工程实用价值。
试验作为研究混凝土及岩土材料破坏过程最为直接的手段，为促进其破坏过程的研究发展起了决定性作用。然而，由于受人力、物力和财力等制约，材料的破坏过程试验往往受到限制。理论解析通过对材料进行简化，运用力学和随机分析等研究方法，对其破坏过程的应力与应变关系进行解析，为研究材料的破坏过程提供了重要途径。然而，限于目前数学、力学等的发展水平，解析方法还难以解析材料内部微破裂之间的相互作用问题。数值试验为研究混凝土及岩土材料的破坏过程提供了重要手段。基于材料的细观结构特征和细观单元的本构关系，将随机分布理论和计算力学相结合，可实现混凝土及岩土材料渐进性破坏的全过程分析。细观测试技术的发展和应用，为获取材料的细观结构特征提供了实验手段。对自然界中众多不确定性量的进一步理解，使随机分布理论在材料的破坏过程研究领域得到了广泛应用。细观损伤力学由于对材料的“损伤”赋予了真实的几何形象和具有力学意义的损伤演化方程，为研究材料的破坏过程提供了力学理论基础。计算机硬件及计算力学的飞速发展，为从细观结构层次研究材料的破坏过程提供了数值计算工具。
为此，首先从混凝土材料的细观结构特征出发，提出了细观单元的弹塑性各向异性损伤本构关系；并假定混凝土为砂浆基质和骨料组成的二相复合材料，采用Weibull随机分布理论引入材料的非均匀性，建立了混凝土材料破坏过程的数值试验模型。
其次，采用Bathe提出的接触问题约束函数法处理试件与加载板之间的相互作用，以反映试验时加载边界条件的差异，如试件的端部约束；并运用建立的混凝土材料破坏过程数值试验模型，对拉伸、压缩和剪切载荷作用下混凝土的破坏过程进行了系统性的数值试验，揭示了混凝土的破坏机理及其非线性力学行为规律；并基于单轴压缩、试件细长比和劈裂抗拉系列数值试验结果，对普通混凝土力学性能试验方法标准中的抗压、劈裂抗拉强度试验等方法提出了相应的修改建议。
最后，采用弹塑性各向异性损伤本构关系，对含空洞粘土地基和地下工程，如地下采场、隧道等的动态损伤演化过程进行了数值试验，为含空洞地基的承载力设计、稳定性分析以及地下工程的修建提供了指导依据。
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| 关键词 ：
地下工程,
混凝土,
岩土材料,
破坏过程,
数值模型,
各向异性,
弹塑性损伤本构,
含空洞地基
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收稿日期: 2004-05-11
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