高孔隙水压作用下混凝土渗流-损伤耦合模型

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1、学兔兔www.xuetutu.com第2期水利水运程学报NO．22010年6月HYDR0-SCIENCEANDENGINEERINGJun．2O10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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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收稿日期：2009—08—20基金项目：国家自然科学基金资助项目(50779057)；国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2007CB714104)作者简介：林凯生(1985一)，男，广西南宁人，硕士研究生，主要从事结构设计理论与材料研究．E—mail：linkaisheng1985@163．tom学兔兔www.xuetutu.com52水利水运工程学报2010年6月中已得到了很好的应用Ⅲ．ABAQUS有限元软件提供的渗流应力耦合分析理论基

7、于经典渗流理论，能求解多孔介质的饱和渗流、非饱和渗流及二者的混合问题．本文直接采用该模型，下面对该模型做简要介绍．1．1．1渗流连续方程流经微单元体的流体满足连续性，其表达式为，1，

8、七Jf÷(JI口Sn)dV=一fPw-．，dA(1)式中：J=IdV／dVoI为混凝土材料的当前体积与初始体积的比值；p为流体密度；s为饱和度；n为孔隙率；m为流体所流经的微元面的外法向矢量；为从面流人流体的平均流速矢量．孔隙介质渗流遵循Darey定律或者Forchheimer定律．前者适用于低渗透流速，是线性关系；而后者适用于较高渗

9、流流速，是非线性关系，具有更广泛的适用性，其表达式为Lsn(1+卢_)：一·(2)’Pgd式中：／3为与材料孔隙比相关的速率系数，当其值趋近于0时，Forchheimer定律将转化为Darcy定律；k(s)为饱和度s的函数，且k(1)=1；为饱和渗透系数矩阵；为总水头．1．1．2有效应力原理基于有效应力原理，多相材料的总应力由有效应力，孔隙水应力u和孔隙气应