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原文传递高水压山岭隧道衬砌损伤机制研究

论文题名：	高水压山岭隧道衬砌损伤机制研究
关键词：	混凝土损伤;力学特性;隧道衬砌;弹塑性损伤
摘要：	无论是隧道混凝土衬砌，还是其他混凝土结构，其结构损伤主要是由混凝土内损伤引起的。混凝土内部存在着大量的原始微缺陷，包括微裂缝和微孔洞等，这是导致混凝土损伤的主要原因。在外界因素作用下，由于混凝土各组成材料的不同力学性能以及其粘结面之间的微裂纹会扩展、汇聚，同时新的微裂纹也会不断产生，从而导致混凝土发生加速性的非线性破坏。在此期间混凝土的损伤特征以及损伤状态可用损伤变量来表示，并且混凝土材料会表现出一些典型的非线性力学特性:拉压不等性、各向异性损伤、刚度退化性等。通过在混凝土损伤本构关系中引入损伤变量可以在宏观方面考量微缺陷的发展程度，从而定量地评价混凝土结构的劣化程度。目前大部分的混凝土损伤本构模型都是通过实验数据拟合得到的，其应用范围有限，也没有可靠的理论推导。而在理论方面建立的混凝土模型主要有两个分支部分，一个是从宏观的连续介质损伤力学理论出发，以混凝土的宏观变形为依据建立损伤本构模型，另一个为从细观力学理论出发，以混凝土内部的微缺陷发展规律为依据，对混凝土的微观损伤进行统计分析，从而得出损伤本构模型。从混凝土损伤的能量守恒角度讲，无论是高静水压力，还是衬砌应力（尽管水压力及衬砌应力对于混凝土的损伤作用方式不同），其作用下消耗的能量状态均可用混凝土的损伤变量表示，因此，作用于混凝土的一切外部因素均可统一使用外力σ表示。　　本文介绍了国内外混凝土损伤研究现状以及基于热力学框架下的连续介质损伤理论，就其中的若干关键性问题诸如损伤面、能量释放率等内容做了深入讨论。基于热力学原理和已有的试验现象对传统的混凝土损伤本构模型进行了发展和应用。主要研究工作如下: 　　(1)对混凝土的材料组成及各组成成分的不同力学性能进行讨论，通过其内部的细观缺陷对混凝土进行细观角度的分析。混凝土的损伤破坏机理主要是其内部的固有微缺陷在外界因素作用下的产生、发展、积累到出现宏观裂缝以致结构破坏的结果。通过典型的混凝土σ-ε曲线分析混凝土在单轴荷载下的应力应变发展过程中损伤的演化情况，来深入探讨混凝土在损伤过程中的损伤特性。其后，通过对宏观混凝土损伤的研究归纳总结了传统的混凝土损伤本构模型及其损伤演化规律，并借此引入了混凝土损伤发展的能量概念，用能量概念来表征混凝土损伤度的变化规律。　　(2)对损伤理论中损伤变量、损伤准则以及塑性准则等几个关键性问题做了分析和阐述。介绍了不可逆的连续介质损伤热力学基本原理，讨论了选择损伤变量的问题，基于能量极值原理，通过拉格朗日乘数法推导出了混凝土的损伤准则和屈服准则的理论统一模式，对混凝土损伤和塑性两种耗能机制进行了详细分析。并以此讨论了混凝土损伤的演化规律。通过分析给出共性认识和差异理解，拨开损伤理论的多层迷雾，为后文损伤本构模型的建立奠定了基础。　　(3)基于热力学原理，通过将Helmholtz比自由能展开成Taylor级数，使材料系统的内变量能变为可表达的数学函数，建立了各向同性的混凝土弹性本构损伤模型，并通过内变量的正交流动法则，推导出了适用于各向同性的混凝土弹性损伤演化方程，建立了完整的混凝土弹性损伤理论。间接证明了混凝土材料在损伤演化过程中具有一定的非线性性能退化。同时，在建立各向同性弹性本构模型的过程中，引进了与损伤变量ω相关的两个一阶Lame弹性常数，探讨其所建立模型的正确性，然后对Lame弹性常数进行修正，最终得出了二阶损伤张量作用下的两个损伤效应函数。而损伤效应函数的表达取决于混凝土材料的力学性能以及其内部微缺陷的细观几何分布特征。不仅为宏观的连续介质损伤力学与细观损伤力学提供了结合点，也反应了材料内部细观损伤特征与宏观损伤效应之间的联系。　　(4)依据不可逆热力学原理，改进了混凝土弹塑性损伤本构模型。在有效应力空间中，采用一个单面的屈服函数来考虑混凝土的不可恢复变形，修正了塑性Helmholtz自由能势，使之更严格地满足热力学相容条件。通过对混凝土损伤过程中的弹性部分、塑性部分、损伤部分进行损伤分析，建立了率不相关的混凝土损伤本构模型。　　(5)隧道衬砌混凝土结构在运营过程中主要受到地下水的静水水压力以及围岩压力，鉴于本文中建立的混凝土弹性本构模型及混凝土弹塑性本构模型的弹性部分，通过伯努利方程将混凝土的孔隙率ρ用衬砌所受的等效静水水压力p和裂缝宽度d来表示，得出混凝土弹性本构模型中的两个损伤效应函数表达式，最终得到基于静水压力作用下的混凝土弹性损伤本构模型以及损伤能量释放率方程。
作者：	吕童
专业：	土木工程
导师：	翁其能
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文