基于水力梯度的混凝土率型本构模型研究

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在进行结构计算时,水环境是一些混凝土结构(如地下结构、滨海防护结构、海洋平台、水工大坝等)必需考虑的重要环境因素之一,实际工程中水对混凝土的作用主要表现为与结构表面接触的水压力和渗入结构体内部的孔隙水压力两种作用形式。孔隙水压力对混凝土的工作性能有着明显的影响,在进行工程计算过程中,选取合适混凝土本构模型直接影响着计算结果的正确性。  目前,对混凝土材料的内部结构、混凝土的渗透性能有了一定的研究,浸泡在水中的混凝土工作性能也开始受到一些学者的关注,但对存在一定的压力水头作用下考虑了流体渗透作用的混凝土动态性能的试验研究相对较少,结合现有的试验数据还无法建立确切的考虑了渗透作用的混凝土动态本构模型。为此,本文结合混凝土材料结构特性、低孔隙率多孔介质的渗透规律、有效应力原理,在经典弹塑性理论的基础上研究了考虑渗流梯度影响的混凝土率相关弹塑性本构模型,具体研究工作分以下几个方面:  (1)介绍了经典率无关弹塑性本构理论及其四大组成部分。  (2)结合混凝土材料内部构造特性,分析了一定水力梯度下材料内部构造的变化对混凝土材料内部流体渗透的影响;根据混凝土结构所处的外部水环境因素和材料自身多孔性质,分析了引起流体在混凝土内部渗透的力学机理;介绍了多孔介质的渗流规律,结合低渗多孔介质的渗流规律确定了混凝土材料的渗流规律;分析了水在渗透过程中对混凝土内部孔道产生的力学效应,结合广义有效应力原理,推导了水的渗透作用下混凝土内部表征单元体的力学模型。  (3)结合 Wang在经典弹塑性理论基础上推导的率相关弹塑性本构模型,推导了考虑混合硬化规律的混凝土骨架率相关弹塑性本构模型。  (4)推导了混凝土的孔隙率与混凝土体积应变之间的关系式。  (5)在 Kozeny-Carmen提出的渗透率表达式的基础上,推导了渗透率随材料体积应变之间的关系式。  (6)提出了有效应力系数随渗透率之间的关系式。  (7)通过对渗流过程流体质量变化的分析,提出了基于渗流连续方程的孔隙水压力变化规律表达式,依据该式得到的孔隙水压力大小可以判别孔隙水压力的大小及其对混凝土的不同作用效应。
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