高孔隙水压作用下混凝土渗流-损伤耦合模型

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发布时间：2021-09-14

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高孑L隙水压作用下混凝土渗流一损伤耦合模型
林凯生，李宗利
(西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌712100)
摘要：混凝土高坝、深埋隧道等工程建筑承受较高的水头，使得混凝土内存在高渗透力，产生较显著的渗流一
损伤耦合作用．应用Picandet等学者提出的混凝土渗透损伤演变方程，结合混凝土损伤塑性模型，建立了孔隙水
压作用下混凝土渗流一损伤耦合模型．以混凝土坝内小孔非恒定渗流为例，分别按耦合和非耦合模型进行渗流
损伤分析，对比分析不同方法得到的孔隙水压力及损伤值分布规律．结果表明，随着孔隙水压力的增大，损伤值
逐渐增大，两者变化规律基本一致．在高孔隙水压作用下渗流一损伤耦合效应明显，应用渗流一损伤耦合模型
能够更好地反映混凝土在高孔隙水压作用下的受力变形特性．
关键词：混凝土；高孔隙压力；耦合；损伤塑性模型
中图分类号：TV431：TV32．2 文献标识码：A 文章编号：1009—640X(2010}02—0051—05
混凝土是由骨料、水泥浆、掺合料等组成的多相复合材料，其内部结构十分复杂，并存在微裂纹、微孔隙
等缺陷．高压水会从结构表面的微观裂纹、孑L隙逐渐渗入到混凝土内部，并导致混凝土的材料性能发生劣化，
劣化又会引起渗透性的增大，如奥地利Kolnbrein拱坝的开裂破坏就是由上述原因导致的．目前，国内外学
者提出了许多分析研究因材料劣化引发渗透系数变化的耦合方法，包括孔隙率、应变水平、塑性应变、温度、
裂缝尺寸及损伤变量等与渗透系数之间的耦合方法。．描述混凝土材料内部微观结构缺陷分布和力学性
能劣化程度的场变量就是损伤变量，混凝土材料的劣化损伤对渗透系数的变化起着控制作用．损伤值
的增大带来渗透系数的变化，渗透系数的变化又会影响渗透力的大小，影响应力场和位移场，位移场的变化
又引起渗透系数的变化，这种耦合作用最终体现在损伤场的变化上．文献[5]通过对多组混凝土进行试验，
提出了计算低损伤程度下渗透系数与损伤值的耦合方程．许多学者。也针对实验结果提出了渗透系数关
于损伤值的函数．文献[8—9]分别利用均一化分析方法和离散模型论证了渗透系数与损伤值的耦合关系．
文献[10]基于Biot固结孔隙水压理论，研究了重力坝的混凝土材料损伤断裂对孔隙水压力影响，为多孔介
质材料的渗流与损伤断裂的耦合研究提供了方法．文献[11]采用弹塑性损伤模型，考虑渗透系数和损伤值
的耦合作用，对混凝土高压容器进行了数值分析，并取得了较好的效果．本文基于ABAQUS有限元软件，应
用Picandet等学者提出的混凝土在气体作用下渗透系数的损伤演变方程，采用混凝土损伤塑性模型，并以
简单试件为模拟对象，在考虑与不考虑渗流一损伤耦合效应两种情况下，分析渗流稳定过程中孔隙水压力、
损伤值的变化情况．通过对比分析，阐述了高压水作用下混凝土结构中的渗流一损伤耦合效应，为进一步研
究高坝等混凝土建筑物的渗透破坏奠定基础．
1 数值分析模型
1．1 渗流与应力耦合数学模型
基于Biot固结理论的多孔介质材料渗流理论，在混凝土材料的非线性力学特性与渗透系数的耦合研究