混凝土类脆性材料破损演化规律的定量化研究及数值模拟
CT扫描可以无损地检测混凝土承载过程中裂纹的演化过程，是当前基于细观层面研究混凝土力学特性的有效手段。然而，当前岩石及混凝土CT试验研究中，利用观察及统计方法研究材料破坏后果的文献较多，定量地分析材料损伤演化过程的文献则相对较少，严重浪费了宝贵的CT试验资源。混凝土随机骨料模型较好地模拟了混凝土中骨料的随机分布，为基于有限元对混凝土细观结构进行模拟提供了较适用的方法。但是，该模型将混凝土分解成由骨料、砂浆、和界面组成，忽略了混凝土材料的初始缺陷及骨料和砂浆的非均质性，且所建模型的界面较厚，不能真实地模拟混凝土的真实结构组成。 为了充分发挥CT试验资源的价值，真实地模拟混凝土的组成结构，本文以岩石及混凝土CT试验为基础，利用分形理论及破损演化理论，定量地研究了岩石及混凝土加载过程中试样的损伤演化过程，建立了基于孔隙率的损伤演化方程；基于CT图像分别建立了“结构随机型数值混凝土模型”和“材料随机型数值混凝土模型”，为基于CT试验研究岩石及混凝土的力学特性提供了一套有效的方法。本文研究的主要工作和成果总结为以下几点： （1）以岩石材料的静力单轴压缩、静力三轴压缩CT扫描试验和混凝土材料的静力单轴压缩、静力单轴拉伸、动力单轴压缩、动力单轴拉伸CT扫描试验为对象，利用应力应变关系、CT图像、CT数均值等分析方法，分析了岩石及混凝土试样的损伤过程，得到了不同应力状态下岩石及混凝土试样的损伤演化特点。 （2）基于差分盒维数方法，定量地分析了混凝土静力压缩、静力拉伸、动力压缩、动力拉伸CT试验过程，得到了混凝土试样在不同应力条件下分维数随加载的变化规律。 （3）以细砂岩静力三轴压缩CT试验、混凝土单轴静力压缩CT试验、以及混凝土单轴动力压缩试验为研究对象，基于损伤演化理论，提出了分区阈值的确定方法，定量地将细砂岩CT扫描图分为孔洞裂纹区、损伤区、和完整区，将混凝土CT扫描图分为骨料区、硬化水泥石区、和孔洞裂纹区，并基于测度定义了完整率、损伤率、骨料率、硬化水泥石率、孔隙率，定量地研究了各应力状态下岩石及混凝土试样损伤随加载的变化过程。并以孔隙率为参数，建立了混凝土的损伤变演化方程。 （4）以混凝土静力单轴压缩CT试验的初始CT扫描图为基础，基于CT扫描图中每个分辨单元的坐标，编制Fortran源程序，建立了“结构随机型数值混凝土模型”，结合基于孔隙率的损伤演化方程，分别进行了单轴静力压缩和单轴静力拉伸数值模拟试验。结果表明，本文所建的“结构随机型数值混凝土模型”即可以反映混凝土的细观组成，又可以反映骨料与砂浆的粘结界面，与真实混凝土试样非常接近，具有很强的适用性。 （5）基于CT扫描图像各分辨单元的CT数，建立了材料参数与完整度的关系式，以此为基础，编制Fortran源程序，在“结构随机型数值混凝土模型”的基础上建立了“材料随机型数值混凝土模型”，研究了材料非均质性对混凝土数值试验强度特性及裂纹形态的影响。结果表明，材料随机性对数值模拟试验结果具有较明显的影响，它不仅影响着数值模型试样的强度和塑性特性，它还影响着试样裂纹的扩展形态。数值试验结果与单轴压缩荷载作用下的物理CT试验结果存在高度的相似性，说明本文对材料非均质性的研究方法是合理必要的。
混凝土类脆性材料;破损演化;数值模拟;力学特性;扩展形态
西安理工大学
博士
岩土工程
党发宁;丁卫华
2016
中文
TU528
170
2017-04-14（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）