基于能量耗散的粗粒土本構(gòu)關(guān)系研究

基于熱力學(xué)基本定律，研究粗粒土受力變形過程中的能量耗散，并據(jù)此建立本構(gòu)關(guān)系是本課題的研究目標(biāo)。為此，首先研究粗粒土摩擦、剪脹及顆粒破碎的能量耗散機(jī)制，確定耗散函數(shù)；然后利用最小耗能原理，研究耗散函數(shù)的駐值條件，確定塑性應(yīng)變增量方向；對耗散函數(shù)進(jìn)行Legendre變換，得到耗散應(yīng)力空間中的屈服函數(shù)；結(jié)合試驗(yàn)，比較等內(nèi)參量時真實(shí)與耗散屈服應(yīng)力的差別，研究遷移應(yīng)力，得到真實(shí)應(yīng)力空間中的屈服函數(shù)及其硬化規(guī)律；最后擬合試驗(yàn)結(jié)果，確定模型參數(shù)。本課題的研究，掘棄了以德魯克公設(shè)為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)塑性力學(xué)理論，具有較為嚴(yán)密的理論基礎(chǔ)，對推動巖土工程學(xué)科的發(fā)展，提高高土石壩應(yīng)力變形分析的精度及可靠性，具有重要的學(xué)術(shù)價值和廣闊的工程應(yīng)用前景。

混凝土結(jié)構(gòu)損傷失效機(jī)理是結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域極為關(guān)注的關(guān)鍵科學(xué)問題之一。項(xiàng)目開展了損傷演化規(guī)律試驗(yàn)研究、塑性-損傷模型構(gòu)建和鋼筋混凝土仿真程序開發(fā)三部分研究。（1）通過混凝土加載試驗(yàn)，測量了應(yīng)力-應(yīng)變曲線，獲得了混凝土斷裂能以及各次循環(huán)的累積耗散能密度、剛度模量、殘余應(yīng)變以及卸載終點(diǎn)剛度等物理量?；趽p傷變量、耗散能量比、有效應(yīng)力、塑性應(yīng)變等物理量，提出了基于有效應(yīng)力空間描述的損傷演變與塑性流動法則，建立了損傷演化規(guī)律的數(shù)學(xué)表述。（2）建立了考慮網(wǎng)格尺寸影響的混凝土塑性-損傷耦合模型。包括：提出了高效穩(wěn)定的有效應(yīng)力與塑性應(yīng)變迭代算法，保證了計(jì)算的求解精度和魯棒性；基于Bazant鈍斷裂帶理論，提出了不依賴于網(wǎng)格尺寸的損傷評價指標(biāo)，解決了結(jié)構(gòu)響應(yīng)和損傷指標(biāo)的網(wǎng)格尺寸敏感性問題；創(chuàng)新了滯回行為的模擬方法，構(gòu)造了非線性應(yīng)力路徑上損傷因子的高效迭代算法。采用項(xiàng)目提出的損傷因子等效方法，仿真計(jì)算獲得的荷載-撓度響應(yīng)與試驗(yàn)結(jié)果吻合程度高，并且不同網(wǎng)格尺寸得到的加卸載曲線相互接近，解決了網(wǎng)格敏感性問題。采用等效損傷因子評估模擬切口梁試驗(yàn)，不同離散網(wǎng)格獲得了相近的損傷狀態(tài)評估，表明等效損傷因子可以作為評價混凝土結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)的指標(biāo)。（3）綜合混凝土塑性-損傷模型和鋼材的隨動強(qiáng)化本構(gòu)模型，開發(fā)了鋼筋混凝土、鋼管約束混凝土結(jié)構(gòu)的仿真分析程序。通過模擬鋼管混凝土構(gòu)件實(shí)踐，計(jì)算得到的構(gòu)件響應(yīng)與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好；采用子模型理論建立了分析復(fù)雜混凝土結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理的研究方法，有效模擬了強(qiáng)震作用下帶加強(qiáng)層框架-核心筒結(jié)構(gòu)的非線性損傷過程。項(xiàng)目的研究成果能夠更精準(zhǔn)地模擬混凝土的損傷破壞行為，解決了仿真分析中網(wǎng)格尺寸導(dǎo)致的敏感性問題，并成功應(yīng)用于分析復(fù)雜混凝土結(jié)構(gòu)的地震彈塑性分析。因此，研究成果可為復(fù)雜混凝土結(jié)構(gòu)非線性損傷機(jī)理研究提供有效的數(shù)值計(jì)算方法。 2100433B

混凝土結(jié)構(gòu)損傷失效機(jī)理是結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題之一。項(xiàng)目擬從能量耗散觀點(diǎn)分析混凝土結(jié)構(gòu)的失效機(jī)理，綜合應(yīng)用試驗(yàn)方法與仿真技術(shù)，進(jìn)行損傷規(guī)律試驗(yàn)研究、塑性-損傷模型開發(fā)和結(jié)構(gòu)仿真分析三項(xiàng)研究工作。首先，開展混凝土試驗(yàn)測量應(yīng)力-應(yīng)變曲線，探索基于能量耗散機(jī)制并反映多軸應(yīng)力狀態(tài)影響的損傷演化規(guī)律。然后，開發(fā)模擬滯回行為的塑性-損傷模型，分析網(wǎng)格尺寸對損傷因子定義的影響，探尋不依賴網(wǎng)格尺寸的損傷評價指標(biāo)，研究基于特征循環(huán)的高周疲勞加速算法，建立低周、高周疲勞通用本構(gòu)模型。最后，應(yīng)用用戶自定義子程序在ABAQUS程序嵌入塑性-損傷模型，并結(jié)合嵌入式鋼筋有限元方法，構(gòu)建鋼筋混凝土仿真分析程序。運(yùn)用子模型理論，探討復(fù)雜混凝土結(jié)構(gòu)損傷失效機(jī)理的快速分析方法，為完善混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論提供有益的建議。

隨著我國西部水電開發(fā)進(jìn)程的發(fā)展，在金沙江、怒江、瀾滄江、雅礱江、雅魯藏布江、大渡河和黃河上游正在興建一批高土石壩工程。隨著壩高的發(fā)展，作為主要筑壩材料的粗粒土承受的荷載不斷增大。并且，由于具有較低的成本，顆粒強(qiáng)度較低的軟巖料和次堆石料在土石壩工程應(yīng)用廣泛。因此，高土石壩粗粒土的顆粒破碎現(xiàn)象十分顯著，這直接導(dǎo)致了粗粒土的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，使粗粒土的本構(gòu)關(guān)系更加復(fù)雜。顆粒破碎影響土體的剪脹、內(nèi)摩擦角、峰值強(qiáng)度、滲透系數(shù)和流變變形。但是，目前對于粗粒土在剪切過程中的級配演化規(guī)律尚不明確。本項(xiàng)目采用古水玄武巖筑壩粗粒土堆石料進(jìn)行了系統(tǒng)地顆粒破碎試驗(yàn)，研究了制樣、固結(jié)和排水剪切過程中的顆粒級配變化。試樣的顆粒級配采用筑壩堆石料的設(shè)計(jì)試驗(yàn)級配，排水剪切試驗(yàn)的固結(jié)應(yīng)力最大達(dá)到2000kPa，符合實(shí)際工程中高土石壩內(nèi)筑壩粗粒土堆石料的實(shí)際狀態(tài)。研究結(jié)果表明，粗粒土堆石料在制樣過程中會產(chǎn)生較為顯著的顆粒破碎現(xiàn)象；在等向固結(jié)過程不產(chǎn)生顆粒破碎；低圍壓下（100kPa），顆粒間的翻越和滑移不受約束，土體在剪切過程中不發(fā)生明顯的顆粒破碎；髙圍壓下（500kPa以上），顆粒間的翻越和滑移受到限制，顆粒間的咬合力顯著提高，隨著剪切應(yīng)變的增大，土體顆粒不斷發(fā)生破碎；在顆粒破碎過程，大粒徑顆粒首先破碎，隨著圍壓的增大，破碎的顆粒從大粒徑逐漸向小粒徑擴(kuò)展，粒徑在0.5mm以下顆粒含量始終隨著剪應(yīng)變的增大而增大，并且增長幅度隨著圍壓的增大而增大。高圍壓下，土體應(yīng)力和剪切變形均對顆粒破碎產(chǎn)生影響。相同圍壓下相對破碎參量Br和剪應(yīng)變直接的關(guān)系可以采用雙曲線公式描述。 本項(xiàng)目研究了在制樣、固結(jié)和剪切過程中的粗粒土顆粒級配，揭示了粗粒土受力變形過程中粗粒土顆粒級配的演化規(guī)律，修正了破碎參量與剪應(yīng)變的關(guān)系式。為研究粗粒土受力變形過程中的結(jié)構(gòu)變化機(jī)理和能量轉(zhuǎn)化機(jī)制，建立能夠準(zhǔn)確描述粗粒土本構(gòu)關(guān)系的數(shù)學(xué)模型奠定了基礎(chǔ)。 2100433B