与混凝土工程应用繁荣兴旺的背景相比较,关于混凝土科学、尤其是混凝土本构关系研究明显赶不上发展的需要。正确合理的揭示材料损伤破坏机理,已成为混凝土损伤力学能否进一步发展的关键。围绕着我国西部大开发、西电东送及南水北调等战略需求,我国西部地区正在或即将兴建一大批重力坝和拱坝等高坝水电项目。我国西部地区属于地震高发区,同时高坝混凝土结构大部分处于深水高压饱和状态,因此针对孔隙水压对混凝土材料静动态力学性能的研究具有重要的现实意义。本文结合国家自然科学基金重点项目(90510018)和国家自然科学基金面上项目(50679006),针对混凝土材料细观损伤演化机制以及湿态混凝土力学特性进行了系统深入的研究。1.通过对连续损伤力学与细观统计损伤力学的基本理论进行比较,指出现有损伤力学模型的缺陷和不足,将混凝土材料细观损伤对宏观力学性能的影响重新概括为断裂损伤和屈服损伤两种模式。基于平行杆模型PBS,并结合现代非线性科学中协同学、突变论、混沌学的有关原理以及声发射试验的有关成果,确定了细观两种损伤模式演化过程的特征参数,建立了描述混凝土等准脆性材料单轴拉伸变形破坏全过程的细观统计损伤模型。将材料整个拉伸破坏过程分为两个损伤阶段,均匀损伤阶段和局部破坏阶段;区分了峰值名义应力状态和临界状态,解释了两状态对应的物理含义,强调了临界状态在整个拉伸破坏过程中所起的关键性作用。假设了局部破坏阶段断裂过程区内的变形机制,并建议临界状态作为本构模型的最终破坏点。2.固体的破坏过程是力学家与固体物理学家为之奋斗了三个半世纪的跨层次难题,揭示材料的损伤破坏机理,是数十年来众多国内外研究者矢志不渝的目标和方向。基于所建立的细观统计损伤模型描述的混凝土单轴拉伸损伤演化过程,本文提出了新的准脆性材料破坏理论——材料内在力学性能发挥机制理论。结合协同学的观点,将混凝土等准脆性材料看作是能动的、具有自组织行为特性的复杂系统;认为材料变形破坏过程本质上是材料以“损伤”为代价,通过自身潜在的力学性能不断发展和释放以适应外界荷载环境变化的能动的自组织行为过程;而这个自组织行为赖以进行所遵循的内在动力学机制由材料内在力学性能发挥机制控制。采用类比的科学分析方法,通过将材料损伤演化、生物进化、社会发展这三类客观世界中典型的非线性运动形式进行比较,证明本文提出的材料破坏理论的正确性和合理性。3.混凝土材料的动态力学性能和静态相比有显著的不同,一般认为混凝土动态应变率效应包括惯性效应和孔隙水粘性效应两部分。传统唯象的宏观损伤本构模型无法反映材料复杂的细观损伤演化机制,因此更无法描述动态应变率效应对材料细观损伤演化机制的影响。本文针对干燥混凝土建立了考虑惯性效应的单轴拉伸动态统计损伤模型,针对饱和混凝土建立了综合考虑惯性效应和粘性效应的单轴拉伸动态统计损伤模型。材料自身的惯性效应引起材料破坏形态以及细观损伤演化过程的改变,模型中通过调整两种细观损伤模式演化过程的特征参数来模拟;水的粘性效应则调整了混凝土基体的受力状态,模型中通过并联一个阻尼元件来模拟。所建议模型物理意义直观、明确,形象的呈现出了干燥及饱和混凝土动态拉伸破坏过程的物理图景;从宏细观相结合的角度进一步揭示了混凝土等准脆性材料损伤破坏的力学机制。4.混凝土的压缩破坏过程实质上是由于泊松效应在细观产生局部拉应变从而引起微裂纹萌生、扩展、成核的连续损伤演化过程。传统唯象的宏观压缩本构模型无法反映材料的细观损伤演化机制。本文根据混凝土材料单轴压缩破坏过程的细观损伤机理,在单轴拉伸统计损伤模型的基础之上,进一步建立了混凝土单轴压缩统计损伤模型。根据柏松效应引起的横向拉损伤的演化过程,确定受压方向的损伤演化规律并建立相应的压应力-应变本构关系。通过理论预测和试验结果进行比较,初步说明采用本文建议的统计损伤模型描述混凝土材料单轴受压过程损伤破坏机理的可行性和适用性。5.大部分针对湿态或饱和混凝土力学性能的研究均是在试验的基础上给出宏观现象的描述,而很少有从理论层面上探讨影响机理。本文采用复合材料等效夹杂理论,将细观孔隙分为活性孔隙和非活性孔隙,建立了双类孔隙夹杂模型,预测不同饱和度情况下孔隙及孔隙水对混凝土材料弹性模量的影响。将两类孔隙和水泥砂浆作为等效基体,粗骨料作为硬化夹杂,建立了双重夹杂模型,并结合细观断裂力学方法,建立了综合考虑多种因素统一的混凝土单轴压缩强度公式,探讨细观各种组分不同体分比、不同孔隙率以及不同饱和度情况对湿态混凝土抗压强度的影响。将太沙基有效应力原理引入到饱和混凝土力学性质的研究中,建立了符合混凝土材料自身微结构特点的有效应力原理表达式,探讨复杂受力环境中孔隙水压力对混凝土抗压强度的影响机制。根据大量的试验结果研究了湿态混凝土强度、初始弹模与饱和度、加载应变率之间的关系。考虑含水率对混凝土强度和初始弹性模量的影响,结合现有规范建议的混凝土本构模型,建立了湿态混凝土静、动态工况单轴拉伸、压缩应力-应变全过程曲线实用经验表达式。