（岩土工程专业论文）混凝土——岩体两体损伤破坏及变形规律的研究.pdf

西华大学硕士学位论文 混凝土一一岩体两体损伤破坏及变形规律的研究 岩土工程专业 研究生徐珂指导教师刘保县( 副教授) 摘要 在大型土木工程建造和运营过程中，工程体与地质体的相互作用一直是土 木及岩土工程稳定性研究的个基本问题。本文采用实验研究、理论分析相结 合的方法，对混凝士、砂岩、混凝土现浇在砂岩上的一体两介员和混凝土放置 砂岩匕的两体两介质四种模型在单轴压缩和单轴循环荷载作用下的变形、损伤 破坏及声发射等相关问题进行了研究。 文中对四种模型进行了单轴压缩实验，在压缩实验的同时，使用了声发射 仪器实时记录试件破坏过程中的声发射信号。发现一体两介质模型是连续性介 质，两介质协同横向变形，最终_ 起破坏，试件表面出现从混凝土至岩石贯通 连续的宏观裂纹，加载初期有少量声发射，在荷载自1 1 至峰值载荷2 慨左右开始 大量出现声发射活动，继续加载，裂纹扩展缓慢，声发射率较低，在外力达到 峰值载荷7 0 左右，声发射活动显著；两体两介质模型是不均匀非连续介质， 裂纹的扩展被两介质的界面所阻断，在光滑界面的情况下两种介质的环向应变 各自发展、差距非常大，加载初期有少量声发射产生，继续加载，裂纹稳定扩 展，声发射率较低，在载荷达到峰值荷载的7 5 左右，声发射活动显著增加。 由于声发射是裂纹开展时释放出来的弹性波，声发射信号能作为衡量损伤 发展的度量，本文首次提出使用“归化”的声发射c o u n t 累积数作为损伤变 量d ，并在实验分析的基础上，通过对混凝土的理论分析验证了其合理性。 文中进步使用“归化”的声发射c o u n t 累积数作为损伤变量d 来分柝混 凝土、砂岩、一体两介质模型和两体两介质模型，得出其损伤演化曲线与方程； 发现前三者为连续体，其损伤演化分为三个阶段，而后者为不连续体，损伤演 化分为四个阶段；并代入损伤维弹性本构得出四种模型的本构方程，所得应 西华大学硕士学位论文 力一应变曲线与实验应力一应变曲线吻合性较好，即验证了用“归一”化的声发 射c o u n t 累积数作为损伤变量的正确性，从而建立起了声发射参数与损伤变量 之间的关系。 本文对四种模型进行了单轴循环压缩实验，并使用声发射仪器采集实验过 程中的声发射信号，发现四种试件的每次加载曲线与卸载曲线都不重合，形成 个塑性滞回环，随着循环次数的增加，塑性滞回环愈来愈靠近。在相同的加 载条件下，随着循环次数的增加，一体两介质模型和两体两介质的弹性模量都 逐渐减小、泊松比都逐渐增大、残余变形都逐渐增大，而一体两介质模型的弹 模减少量、泊松比增量、残余变形增量、损伤变量增量都比两体两介质模型的 小。一体两介质模型的声发射从第二次循环之后就大量减少，第六次循环后几 乎不产生声发射，直到最后一次循环又产生少量声发射，而两体两介质模型的 声发射虽然也从第二次循环之后就大量减少，但之后每一次循环都在接近上限 应力附近产生少量声发射，说明两体两介质模型的损伤累积的更快。 可见，一体两介贡模型和两体两介贡模型在破坏过程、声发射特性和本构 关系上都存在差异。 关键词：声发射，c o u n t 数，损伤变量，体两介质，两体两介质 h 西华大学硕士学位论文 t h er e s e a r c ho n d a m a g e sa n dd i s t o r t so f r o c k - c o n c r e t e g r a d u a t e s t u d e n t x u k e m e n t o r l i u t m o x i a n ( a s s o c i a t e p r o f e s s o r ) a b s t r a c t i nt h ep r o c e s so f c o n s m 】c t i o na n d o p e r a t i o no f l a r g e - s c a l ec i v i le n # n m 嵫1 1 砖 i n t e r a c t i o nb e “v e e n 既四n r i n gm j e c ta n d g e o l o g i cb o d y i sab a s i cq u e s t i o ni nc i v i l a n dg e o t e c h n i e a le l 培| 唧e e r i 甥s t a b i l i t y ，i nt h i st h e s i s ，t h ed e f o r m a t i o n , d a m a g ea n d a c o u s t i ce m i s s i o n ( a e ) o ft h ec o n c r e t e , t h es a n d s t o n e ，t h eh i - m a t e r i a l , t h eb i - b o d y 印e c i m 黜d u et om i a x i a ic o m p r e s s i o nl o a da n du n i a x i a lc y c l i cc o m p r e s s i o nl o a d h a v eb e e ni n v 鹤石删w i t ht h em e t h o do fac o m b i n a t i o n o f 舒f 痂m e f 妇l i n v e s t i g a t i o n , f l o r a i c a l a n a l y s i s a n d n u m e r i c a l s i m u l a f i o _ n 硷f o u rm o d d so f u n i a x i a lc o m p f c s s i o nt e s tw e r ec a r r i e do u tm e a n w h i l e , t l l e a es i g n a la tt h ep r o c e s so fc o m p t 馏s i n n 、 稻m o n i t o r e db ya eh 咖e n ta sw e l l r e s u l ts h o wt h a tt h eb i 哪a 自e r i a 】s p e c i m e ni sac o n t i n u o u sm e d i u ma n dt w om e d i u m l 蕊既dd e f o r m a f i o mw e r ec u o p e r a 圭e dt h e r ew a sd a m a g e dt o g e t h e r m e a n w h i l e , s u r f a o eo ft h es c i n l f f l la p p e a rl 娅- t - t h r o u g ha n dc o n t i n u o u sm a c r o - c r a c k sw h i c h f r o mc o n c r e t et or o c li nt h ei n i t i a ls m g e so f t h el o a d i n gi th a saf e wa e s i g n sw h i l e a ta b o u t2 0 0 4 础l o a da p p e a rl o t so fs o n i ce m i s s i o na c t i v i t y k e e pl o a d i n g p r o n g o f c r a c k si sm u c hs l o w e ra n da l s oh a sal o we m i s s i o nr a t e ，缸7 t p oo f p e a kl o a da e b e c o m em u c ha c t i v e h l cn l cb i - b o d ys p e c i m e ni sd i s c o n t i n u o u s m e c l i a , p r o p a g a t i o no ft h ec r a c kh a sb e e nb l o c k e db yt w om e d i u m si n t e r f a c ea n d u n d e rs m o o t hi n t e r f a c ec i r e u n f f e r e n t i a ls w a i no ft h et w om e d i u mp r o p a g a m d r e s p e c t i v e l ya n dh a v ee x t r e m ed i s p a r i t y , i ni n i t i a ls t a g e so f t h el o a d i n gt h e r ew a sa f e wa e s i g n s , k e e pl o a d i n g , p r o p a g a t i n go f c r o c k s 、 稻m u c hs l o w e ra n da l s oh a sa l o w e m i s s i o n r a t e a t 7 5 o f p e a k l o a d a e i n c r e a s e d m o r e s i g n i f i c a n t l y b e c a u s ea ei st h ee l a s t i cw a v et h a tt h ec r a c kd e v e l o p m e n tr e l e a s e s , t h ea e i 西华大学硕士学位论文 m 璐s a g ec a nt a k et h e 脚鞠s mo f t h ed 血v 1 3 9 ed e v e l o p m e n t t h ea r t i c l ep r o p o s e df o r t h ef i r s tt i m eu s et h e n o r m a l i z a t i o n o f t h ea eo o u n ta sd a m a g e ：v a r i a b l ed b a s e d o nt h ea n a l y s i so f t h ee 筠x a - i m c m t s , 0 m , u # t h ec o n c r e t et h e o r e t i c a la n a l y s i s c x m f i m x s i t sr a t i o n a l i t y i nt h e 盯l i c l cf - t 1 1 既m m l y s i so ft h ec o r l c e t e , t h es a j s t o l l e , n 】eb i - m a t c r i a l m o d e la n dt h eb i - b o d ym o d e ls p e d m 懿w i l ht h e n o r m a l i z a t i o n o f t h ea ec o u n t 笛 d 矗r l l a g ev a r i a b l e , o b t a i n st h ec o r r e s p o n d i n gd a m a g ee v o l u t i o nc l l r v a n dt h e c q u a t i o r l ，f i n dt h a tt h r e ei st h ec o n t i n u a lb o d y , i t sd a l l l a g ce v o l u t i o nd i v i d e si n t ot h r e e s t a g e s , b u tl a t t e rf o rd i s c o n t i n u o u sb 0 电t h ed “l a g ee v o l u t i o nd i v i d e si n t of o u r s t a g e s s u l ：i s i i t u t i o nd a n l a g e , m i d i m e n s i o m ld a s l j 嘶t h i sc o n s t r u c t i o no b t a i l x st h e t h e o r ys t r e s s - s t r a i na m f o u n dt oc o i n c i d ew i f l 】t h e 懿d 既i i n e n l a ls i r e s - s t r a i nc i 矾，e w a sg o o d , v e r i f i c a t i o nt h a tt h e n o l m a l i z a f i o t l o ft h ea ec o u n tc o i lc h 缸a c t 池 d m l a g ev a r i a b l e t h u st h er e l a t i o nb i g w e 1t h ea ep a r a m e t e ra n d 船d 锄r l , 9 g o v a r i a b l ei se s t a b l i s l x x t m 麟p e 勘】e n lo ff o u rm o d e l sw e l e c a r r i e do u tu n d e rl m i a x i a lc y c l i c c o m p r e s s i o nl o a da n d 址t h em e a nt i m et h ea es i g m aa tt h ep r o c e s so f c o m p r e s s i o n h 稻m o n i t o r e db ya ei n s l r t m l e n t 嚣w e l l r e s u l ts h o wt h a tf o u rs a m p l e so fe a c h l o a d i n ga n du n l o a d i n gc u l v 留d on o tc o i n c i d ew i t ht h ec u r v e , f o r m sap l a s t i c - l o o p w i t ht h en u m b e ro fc y c l e s , t l 】cp l a s t i c - l o o pb e c o m e si n c r e a s i n g l yd o s e u n d e rt h e s a l l l el o a d i n ge n v i r o n m e n t , t h ee l a s t i cm o d u l u s , p o i s s o f f sr a t i o , t h ed a m a g ev a r i a b l e o fh i - m a t e r i a ls p e c i m e nd e c r e a s e ds l o w l yt h a nt h eb i - b o d y 印e c i n l c na eo ft h e b i - m , a t e f i a ls d l 痂n l e na l t e rs e c o n dc i r c u l a t i o nm a s s i v d yr e d u c e s ，a n da f t e rt h e ! i l x t h c y c l eh a r d l yp r o a u c e , u n t i ll a s tc y c l ep r o a u c eas m a l la m o u n ta eo f t h eh i - b o d y 印c c 曲e na l t h o u g ha f t e rs e c o n dc i r x f l a f i o nm a s s i v e l yr e d u c e s , b u te v e r yc i r c l ei nt h e c e i t i l l gn e a rt h es m a l ls t r e s sh a v e 甘世f e wa m o u n t , v e r i f i c a t i o nt t m tu n d e r 出es 垃m 4 5 l o a d i n ge n v i r o n m e n t , t h eb i - b o d ys p e c i m e nd a m a g ea c c t n n u l a t e si sq u i c k e r o b v i o u s y , t h eb i - n 暂啦剃s p e c h n a e na n dt h eb i - b o d ys p e c i m e nh a v et h e d i f f e r e n c ei n t h ed e s m a c t i o np r o c e s s ，t h es o u n de m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i ca n dt h i s c o n s r t 碰o nr e l a t i o n k e y w o r d s ：a c o u s t i c e m i s s i o n , c o m a s , d a m a g e v a r i a b l e , t h e b i m a t e r i a l s p e c h - 1 1 e i l t h eb i - b o d ys p e c i m e n 西华大学硕士学位论文 申明 本人申明所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方以外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西 华大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得 的。论文成果归西华大学所有，特此申明。 作者签名：绍表哥互2 0 0 1 年占月1 日 导师签名：封每朱墨知t 尹月1 日 8 1 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 研究的意义 在大型土木工程建造和营运过程中，工程体与地质体两体的研究一直是土 木工程和岩土工程稳定性研究的个基本问题。高层建筑与地基基础的相互作 用，大型重力坝与坝基，拱坝与坝肩的相互作用，深埋长隧道衬砌结构与围岩 的相互作用等无不是各领l 或研究的热点和难点“1 。地基与结构物相互作用的研 究己有7 0 多年的历史，1 9 3 6 年黜i s s r 关于在竖向荷载作用下弹性半空间表面刚 性圆形基础板的振动问题的研究( 即通称的基础振动问题鼬i s s i 埘理论) 奠定了 地基一结构物动力相互作用问题研究的理论基础2 ，这一理论至今还发挥着重 大的作用。早期的研究多将地质体视为弹性介质，地质体与工程体之间不会脱 开，这是典型的线性问题，随着地震工程研究的深入和计算机数值计算技术的 发展，在高烈度地震环境下，工程体与地质体动力相互作用呈现明显的非线性 现象，研究的重点放酬非线性、几何非线性、接触面、局部不连续和渐进 破坏过程b 从而由线性发展到非线性由维分析发展到三维分析“。 工程体与地质体相互作用的关键在t - y - a 者2 _ 间的接触面或接触部位的力学 行为，二者的相互作用，特别是动态相互作用主要依靠接触面传递应力和位移， 如果相互接触状态不好，极易造成地质体和工程体系的不稳定，甚至造成失稳 破坏豳。由于工程体与地质体两体作用时，接触界面的力学行为十分复杂，目 前常用的分析法仍然是把两体视为体即两介质完全接触，接触面附近应力连 续、变形协调，通常不考虑接触面效应在相互作用过程中的影响，视为个完 整的实体，这种界面分析方法在力学上称之为一体两介质模型f r h eb i - m a t e r i a l m o d e l ：o n t h e i n t e l f a c e ，t w o m a t e r i a l s p o s s e s s t h es a m e l a t e m l d e f o r m a t i o n l ，这种模 型对两体之间刚度和强度相接近、完全粘结的两体是适用的，但有时两体之间 接触面摩擦力比较小或接触面的剪应力非常大，容易造成两体之间的滑动，在 此情况下一体两介质的模型不一定合适脚。谢和平等针对大坝和坝基、坝肩和 库岸相互作用的工程实际，提出了具有接触面效应的两体力学模型的基本概念， 并建立了重力坝和坝基相互作用的两体力学模型( 1 1 1 eh i - b o d ym o d e l ：d a l i v e l a t e r a ld e f o r m a t i o nc o n s i d e r e d ) 。 西华大学硕士学位论文 众所周知，大多数材料与结构，在宏观裂纹出现之前，已经产生了微裂纹 和微观孔洞，人们将材料和结构中的这些微观缺陷的出现和扩展称为损伤蝴。 材料与结构的变形与破坏过程是非均匀非连续的，材料存在初始损伤，随着外 载与环境的作用，构件与材料中的微裂纹、微孔洞萌生、汇合和扩展，形成损 伤的动态演化过程。损伤力学是研究材料和结构在外载与环境作用下，其力学 性能不可逆的劣化过程，它与断裂力学构成描述材利硒环的力学过程的破坏力 学理论。损伤力学的研究是以把变形和破坏作为们立程来展开研究的，目前 主要以材料损伤研究为主，而对结构损伤研究偏少。 岩石、混凝等瞻性材料的破坏是其内部微裂纹和微孔洞萌生、扩展、演 化到宏观裂纹形成、断裂、破坏的过程，研究其破坏过程就是研究其微破裂的 演化过程。岩石破坏过程的研究是岩石力学研究的基础，无论是岩石工程稳定 性研究，还是岩石破碎工程或岩土工程的灾害性失稳，都要研究岩石的破坏过 程。近年来损伤力学越来越多地应用于岩体领域，逐步形成了岩体损伤力学分 支学科，并成功地应用于岩体稳定性数值模拟和岩体强度地估算。工程应用表 明，岩体损伤力学较传统岩体力学具有简洁有效的特点，它将损伤理论、岩体 结构面网络模拟、数磨计算和分形有机地结为一体，显示了广阔地发展前景”。 同样对于工程体与地质体两体的力学模型而言，重要的是了解其破坏过程，才 能真正地探索其破坏机制，为工程体与地质体两体的稳定性研究奠定基础。然 而，现在对于由工程体与地质体组合而成的两体两介质力学模型进行损伤力学 研究还是个空白。因此本文试图就工程体与地质体组合成的一体两介质模型 和两体两介质模型的损伤破坏及变形规律进行初步探索，观察两种模型在力学 性能和声发射特性上的差异。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 砼一一岩体两体的国内外研究现状 目前，对工程体与地质体两体的研究手段主要有：原型观测、模型实验和 数学力学方法。由于工程体与地质体两体系统的复杂性，仅用一种研究手段难 2 西华大学硕士学位论文 以全面真实的解释和漠拟，只有将这些手段有机结合起来，才能铰深入地揭示 其机理，通过模型实验和原型观测结果定性地再现物理过程、推断演化过程以 及总结变化规律，并在此基础匕建立合理地相互作用规律数理分析模型，发展 相应地解析和数值分析方法“1 。 目前国内外对工程体与地质体两体相互作用的研究大部分是以断裂力学为 基础，重点研究界面的断裂准则、裂纹的应力场分布等删。国外有学者进行模 拟坝体的压剪试验，得到了两体材料( 混凝和岩石) 的表面粗糙程度与抗剪能 力的关系曲线睡岫，总结了坝体中裂缝发展的规律，分析了压剪荷载作用下影 响裂缝发展的主要因素，例如界面轮廓、压剪应力比等对试件破坏的影响。在 国内，文献 1 1 提出了双材料基本解弹塑性边界元法，文献 1 2 解出了两阳材 料倾斜裂纹的界面应力场。总的看来，国内学者的研究以有限元分析计算居多， 在这方面进行的试验研究较少m 。 王建华、殷宗泽、王卫中叫基于邓肯- 9 长本4 q 模型及z i e n k i e w i c z - - z h u 误 差估计方法提出种适应于土与结构物相互作用有限元分析的非线性自适 应策略，自适应分析方法在岩士工程预l 目溟有广阔的应用前景。关于针对土的 复杂性提出适用的误差估计方法及自适应策略、荷载时间离散的自适应策略等 方面还需进步研究。 谢和平等“1 针对大坝和坝基相互作用的实际提出具有接触面效应的两体 两介质模型。但如两体力学模型的破坏准则、不规则接触面的力学效应、接触 面单元数值方法的建立等还需要进步研究。 不同材料接触面的力学特性及其数值模拟是岩土工程长期研究的重要课 题。g o o c h l a n o ”对岩石节理裂隙的特性进行了研究，认为可以用4 节点无厚度 节理单元来模拟节理的滑移和张裂等变形特性。c l o u g h 和d u n c a n 提出非线性 弹性模型描述应力与相对位移之间的关系n 司。g h a b o u s s i “。提出了基于弹性理论 分析岩石节理相互作用面的单元，但由于采用相对自由度作为基本未知量，实 际应用不方便不适合推广使用。d e s a i o ”认为两种材料接触面剪应力传递和剪 切带的形成均发生在接触面附近的一薄层土体中，从而提出薄层单元的概念， 用于模拟土与结构物接触面及岩石节理的粘接、滑动、张开和闭合等各种接触 状态。殷宗泽n 町提出接触面单元的变形由两个部分组成，部分是土体的基本 3 西华大学硕士学位论文 变形，其变形特性与周围土体单元相同；另部分是接触面上的破坏变形，包 括滑动破坏和拉裂破坏，总的变形是两者的叠加。胡黎明等“4 进行了系统的土 与结构物接触面的直剪试验，研究了接触面力学性质和变形机理，根据试验结 果，建立了描述接触面应变软化和剪胀现象的损伤力学模型和个能眵反映接 触面变形机理和力学挣i 生的接触面损伤模型，验证和分析了土与结构相互作用 问题的合理性和有效性。张冬霁、卢廷浩提出了接触面薄层单元耦合本构模 型，来反映剪切错动带的应力应变特征，更恰当地模拟土与结构的相互作用。 国内也进行了粗粒土与结构接触面的单调和往返剪切试验，研究了接触面的剪 胀特性，利用改进的直剪仪进行了砂土与结构物的接触面剪切试验，研究了不 同接触面相对粗糙度对接触面物理力学性质的影响；并通过数字照相技术记录 了接触面附近砂土颗粒的位移情况，分析了土与结构物接触面剪切破坏的变形 机理。对于土与结构间接触面，将非线性弹性理论与弹塑性理论相结合，提出 了一种非线性弹性一理想塑性模型，用于模拟土与结构相互作用体系的变形与 破坏机理。 1 2 2 声发射激术的国内，卜研究现状 1 9 4 1 年o b c t t 和h o d g s o n 为了对岩石开挖过程中发生的岩体失稳进行预 测，开始了最早在工程材料方面对声发射的研究。1 。 1 9 5 3 年，被誉为“声发射之父”的德国金属物理学家j i 溘涮完成了常 用工程材料声发射现象的首创性研究。他观察到铜、锌、铝、铅、锡、黄铜、 铸铁和钢等金属和合金在形变过程中都有声发射现象。他最有意义的发现是材 料形变声发射的不可逆效应即：“材料被重新加载期间，在应力值达到上次加 载最大应力之前不产生声发射信号”。现在人们称材料的这种不可逆现象为 “k a i s e r ”效应。k a i s e r 同时提出了连续型和突发型声发射信号的概念。自此， 声发射技术的到了长足的发展。 1 9 5 9 年，r u s c h 脚应用声发射信号对混凝土受力情况进行了研究，并证实 了凯塞效应的存在范围。 1 9 6 2 年，m o g i 伽首次把岩石样品和模拟样品破裂的声发射序列和天然地 4 西华大学硕士学位论文 震的序列特征加以对比研究，指出两者存在极其相似的序歹u 特征，并指出这种 序列特征是由介质物性的均匀程度所决定。 1 9 6 3 年，g - o o d m a n 3 1 通过实验证实岩石也具有k a i s e r 效应，岩石k a i s 日 效应的个重要应用就是测量岩石的原岩应力。k d d l e r 嘲指出，对于所有的 岩石，k a i s e r 效应并不总是会出现，特别是在单轴压缩实验及应力大于岩石峰 值强度的7 0 9 6 时。 f e 拄d t y 在研究复合材料的声发射性能时发现f e i i c i t y 效应伽。f e l i c i t y 效应 是指在往复加载过程中，但载荷小于前期所受过的最高应力水平时声发射就开 始显著增多。并且发现声发射过程的不可逆程度与材料的损伤程度有关。 茂木清夫嘲通过对各种脆性岩石材料地破裂实验，发现了其声发射模式地 三种基本类型：主震一后震型、前震一主震一后震和群震型。 秦四清、李造鼎嘧圳等对岩石的声发射进行了大量的研究，其中包括岩石 的k a i s e r 效应、岩石声发射的空间分形特征以及岩石断裂过程中的声发射特 征。从理论上导出了岩石声发射的力学模型，以及岩石声发射振铃数与应力强 度因子的关系。 纪洪广叫等 、对混凝士的声发射进行了大量研究，其中包括混凝土材料自 身结构特征对声发射性能的影响、在不同受力条件下混凝土材料声发射基本特 征、声发射过程中非线性特征等。验证了声发射过程具有突变性，并建立了声 发射参数的灰色尖点突变模型。 唐春安”等人根据统计细观损伤力学原理和声发射原理，提出了岩石声 发射与岩石损伤具有致性的假设，即n d ，其中n 是岩石声发射，d 是岩石 损伤参量。运用统计细观损伤力学，提出了用解析解模拟岩石声发射，并在此 基础匕用有限元研究了岩石声发射规律，根据这一原理开发出的模拟程序r f p a 在模拟岩石声发射方面取得了很好的效果。 1 2 3 损伤力学的国内外研究现状 1 9 5 8 年，k a c h a 脚v 啕在研究金属蠕变的过程中引入了连续性因子和有效 应力的概念，1 9 6 3 年r a b o l n o v 跚同样在研究金属的蠕变本构时，引入了损伤 西华大学硕士学位论文 因子的概念，两者的意义在于通过引入个简单的连续介质内变量( 损伤变量) 来表征材料中的复杂的损伤演化过程，并建立本构关系，从而奠定了损伤力学 的基础。 在其后的二十年中，以k 扭疵鸭c h a b o c h e , h u l t , l e c l d e ，k r a j c i n o v i c ， r o u s s e l i e 等为代表的批学者，针对损伤力学的基本概念、方法等做了大量开 创性的工作，这不仅使损伤理论日渐完善，而且还把它的适用范围从最初的蠕 变损伤，推广到对于弹性、塑性、粘弹性、脆性及疲劳等损伤现象的分析，对 其所描述自q 材料，也从金属扩展到复合材料、陶瓷、混凝土等非金属材料，并 相继建立了各向同性或各向异性的连续损伤模型，为连续损伤力学的发展做出 了重要贡献。 2 0 世纪7 0 - 8 0 年代，k a c h a n o v 等人提出了两类损伤机制，类是微裂纹 的形成、扩展和汇合，最后形成宏观裂纹，这类损伤不引起明显的塑性变形， 因而称为脆性损伤机制：另类是微孔洞的形核、长大和汇合，由于这类损伤 往往伴随着显著的塑性变形，因此称为韧性损伤机制。k a c h a n o v 等人的研究 表明，这两类机制在不同的材料细观结构及不同的加载条件下所表现出的性质 会有很大差别，因此从载荷模式和材料的宏观响应来讲，损伤又可以分为弹脆 性损伤、弹塑性损伤、疲劳损伤、蠕变损伤、冲击损伤等。针对各种各样的损 伤，力学家们提出了维、三维各向同性损伤理论、各向异性损伤理论、基于 细观力学的损伤理论、考虑断裂的损伤耦合理论等。 8 0 年代日本的村上澄男等从微裂纹的尺度和几何分布方面研究了损伤的 各向异性及其对材料的力学性能的影响。1 9 8 1 年欧洲力学协会在法国c a c h a n 举行了首次损伤力学国际讨论会。 国内损伤力学的研究起步较晚，但发展迅速。 李灏咖等人提出含有各向异性损伤的内时损伤理论。该理论以v a l a n i s 理 论为基础将材料里任意一点的即时应力状态当作该点近旁形变和温度整个历 史的泛函，由此克服了 e m a i f f e 等人基于不可逆热力学理论建立各向异性理论 的困难。 冯西桥和余寿文咖提出了脆性材料的微裂纹扩展区损伤模型。该模型认 为在诸如岩石、混凝土等脆性材料中弥散的微裂纹及其形成、扩展和汇合将对 6 西华大学硕士学位论文 材料的力学性质发生显著的影响，可以导致材料的逐渐劣化直至最后断裂。从 而更准确的描述微裂纹的损伤状态，并且能解决任意复杂加载路径下的损伤与 本构响应问题，建立了套比较完整的脆性材料的细观损伤模型。 在国内，谢和平嗍最早从事岩石损伤力学方面的研究，近年来他首次在联 系岩石微损伤与宏观断裂方面运用分形几何理论定量描述损伤，提出了分形损 伤力学理论。 1 3 本文的研究内容和技术路线 根据前面地综述可以看出，尽管很多学者对工程体和地质体两体进行了很 多探索研究，但仍然存在一些不足，比如舡程体和地质体组合而成地两体力 学模型进行损伤研究还是空白，本文对混凝、砂岩、一体两介质和两体两介 质四种模型的损伤破坏及变形进行研究，主要研究内容和技术路线为： 1 通过对四种模型试件进行单轴压缩实验，并在实验的过程中运用声发射仪 器监测试件破坏过程中的声发射现象，分析四种模型试件的变形、损伤破 坏及声发射特性，比较出一体两介质模型和两体两介质模型的差异，根据 实验结果分析出四种模型的损伤演化曲线，得出损伤演化方程和维弹性 损伤本构方程，推出两者的简单损伤模型。研究中基于如下假设：a 假定 损伤是各向同性的。b 认为在试件发生宏观破坏后达到损伤极限值o u ( d u 1 ) 。 2 对四种模型试件进行单轴循环压缩实验，同时运用声发射仪器实时监测试 件破坏的全过程，分析四种模型试件的损伤破坏及变形规律，根据实验结 果得出四种模型的损伤演化曲线，比较出一体两介质模型和两体两介质模 型的弹性模量、位移变化量、泊松比、损伤变量等的不同。 7 西华大学硕士学位论文 2 单轴压缩载荷作用下两体的变形损伤实验研究 2 1 损伤的基本理论 在外部因素( 包括力、温度、辐射等) 作用下，材料内部将形成大量的微 观缺陷( 如微裂纹和微孔洞) ，这些微缺陷的形核、扩展、汇合将造成材料的 逐渐劣化直至破坏。从本质上讲，这些微缺陷是离散的，但作为种简单的近 似，在连续损伤力学中，所有的微缺陷被连续化，它们对材料的影响用个或 几个连续的内部场变量来表示，这种变量称为损伤变量。 损伤概念的出现，最初是由预计高温蠕变、构件的寿命而发展起来的。1 9 5 8 年，k a c h a n o v t ”l 在研究金属蠕变的过程中，第个引入损伤的概念。k a c h a n o v 认为微缺陷的扩展是导致金属蠕变损伤的主要原因。 他定义连续性变量： 。 d = 砒( 2 - 1 ) 其中彳为实际承载面积即损伤后的有效承载面积。a 为无损状态的横截 面积。中= 1 表示完全没有缺陷的理想材料，= o 表示完全破坏的没有任何 承载能力。 1 9 6 3 年拉博诺夫( r a b o t n o v ) 同样在研究金属的蠕变本构时，引入了损 伤因子的概念： d - - - - - l - 中( 2 2 ) d = o 表示完全无损，d = i 表示完全丧失承载力。 由式( 2 _ 1 ) 和( 2 - 2 ) 可得： d = 叫一4 ) a ( 2 - 3 ) 于是，有效应力孑与损伤因子的关系为： 孑= a ( 1 一d 、 ( 2 q ) 七十年代，英国学者勒基( l e c k i e ) 和瑞典学者赫尔特( h u l t ) 等各国学者 相继采用连续介质力学的方法。把损伤因子作为种场变量，即损伤变量，逐 渐形成了连续损伤力学的框架和基础 8 西华大学硕士学位论文 2 1 1 损伤力学的研究方法 损伤力学的研究对象是含有连续分布缺陷的变形固体，其研究的主要目的 是确定损伤连续变量的演化规律。由此就决定了损伤力学的研究方法是连续系 统力学体系下的手段和方法，如连续介质力学和研究耗散过程的不可逆热力 学。但是，由于损伤场的形成实质匕是材料微细观结构的变异，要了解损伤的 成因及其微结构形态和特征，又必须用细观的和材料学的方法。因此，损伤力 学的研究方法大致可分为3 种：金属物理学方法、唯象方法和统计方法。随着 损伤力学和其他相关学科如细观力学、实验力学和计算机图像学的不断进步， 又发展了宏、细、微观结合的研究方法。 ( 1 ) 金属物理学方法( 细观方法) 金属物理学方法主要从细观或微观的角度研究材料微结构( 微裂纹和微孔 洞) 的形态和变化及其对材料宏观力学性能的影响。研究损伤演变的物理机制 对于建立宏观唯象的力学模型是十分必要的。透镜、扫描电境的发明和近代实 验力学方法、手段的发展使 、们可以从分子或原子的微观尺度去观察损伤的物 理现象。但目前微观结构的变异和宏观的力学响应之间的互相关系和解释仍是 个难题，因此仅仅使用微观方法很难解释宏观的现象并用于宏观现象的计算 和分析。我们用微观观察的结果来帮助阐明损伤演变过程和对宏观力学行为的 影响。 ( 2 ) 唯象学方法( 宏观方法) 唯象学方法是从宏观的现象出发并模拟宏观的力学行为，其研究的目的是 在材料的本构关系中掺入损伤变量，使得含损伤变量的本构关系能真实描述受 损材料的宏观力学行为。此法的基础是连续介质力学和不可逆热力学。由于是 从宏观的现象出发并模拟宏观的力学行为参数，所以得到的方程往往是半理论 半经验的，其研究结果也较微观方法更容易用于实际问题的分析。其不足之处 是不能从细、微观结构层次上弄清损伤的形态和变化，因此，其研究难以深入 本质而且切合损伤在微、细观层次上的实际。 ( 3 ) 统计学方法 此法是用统计方法研究材料和结构中的损伤。在损伤的初期，微裂纹、微 孔洞等缺陷是随机的。损伤变量场可以抽象为个具有随机性特征的场变量。 9 西华大学硕士学位论文 用细观方法研究个体微缺陷，再用统计学方法归纳出损伤场变量。 ( 4 ) 宏细微观相结合的研究方法 损伤的形态及其演化过程，是发生于细观层次上的物觋象，必须用细观 观测手段和细观力学方法加以研究：而损伤对材料力学性能的影响则是细观的 成因在宏观上的结果或表现，故必须运用宏、细观相结合的方法研究。应先开 展宏、细、微观并重的实验研究并在实验研究中实现宏、细观观测相互同步以 探求细观损伤状态与宏观力学之间联系并建立损伤本构理论。 本文采用宏细观相结合的研究方法，用声发射仪器对试件的微裂纹从扩展 到宏观跛环的全程进行实时监测，从宏观现象出发并模拟宏观的力学行为，在 材料的本构关系中掺入损伤变量，使得含损伤变量的本构关系能真实描述受损 材料的宏观力学行为。 2 1 2 损伤的观测和测量 损伤的观测方法有直接测量( 直接观测裂纹) 和间接测量( 通过损伤和宏 观量的关系间接测量) 两类。其中直接观测方法主要有嗍： ( 1 ) 声发射法 根据试件在加载过程中发出的噪音与载荷水平的关系曲线监测裂纹的扩 展，裂纹扩展时会发出噪音，并在不同的扩展状态下发出的噪音有明显差异。 因而从噪音载荷图上可以看出裂纹扩展的各个阶段和不稳定扩展的起点等。 ( 2 ) 超声波探测 超声波探测原理为不同“密度”的材料中，超声波的传播速度不同，裂纹 扩展时，密度发生变化，据此可探测由于裂纹扩展引起的材料结构变化。 ( 3 ) 电测法 当电阻应变片与裂纹扩展相交时可以测出裂纹的扩展。此法的困难在于： 在实验前，很难预测裂纹发生的部位，电阻应变片的贴片位置难以确定。 ( 4 ) 激光散斑法 散斑是由物体粗糙表面对激光照明时发生漫发射而形成的。当物体变形 时，这些散斑将发生变化，通过这种变化可测试物体表面的位移，进而分析裂 1 0 西华大学硕士学位论文 纹的发展情况。 ( 5 ) 切片观察 当试件处于不同载荷下裂纹扩展状态时，采用切开试件的途径观察裂纹的 发展情况。由于“切开”很容易改变试件局部原有的状态，所以很难得到损伤 得真实情况。 ( 6 ) 扫描电镜法 在扫描电镜下即时观察并记录试件表面微破裂的发育及演化过程，研究裂 纹密度分布和几何形状及其与材料本身颗粒大小和应力水平的关系。 ( 7 ) c t 检测法 研究介质在各种应力状态下内部各种断面裂纹萌生、分叉、发展、断裂、 卸载全过程的图像变化，从细观尺度研究介质的破坏机理。 本文采用声发射技术实时监测实验损伤全过程。 2 1 3 损伤变量及兵检测 损伤变量是种内部状态变量，是根据所研究材料内部存在的微细观缺陷 的特征引入的，以便建立较合适的损伤模型来描述受损材料的力学效应。损伤 交量的选取是损伤研究中最基本的问题，理想的损伤变量应具有对损伤的描述 具有较高的精度，能够反应损伤最主要的特征，目所含参数少便于确定的特点。 根据研究对象的复杂性与力学描述的繁简程度，可以把各种损伤变量分为标 量、矢量、张量损伤变量。本文假定所研究对象的损伤是各向同性的，故选用 标量损伤变量。 损伤变量的基准量也可分为宏观和微观两类嘲： ( 1 ) 微观基准量：空隙的数目、长度、面积、体积；空隙的形状、排列 方式、取向；裂隙的张开、滑移、闭合或摩擦等缺陷的性质。 ( 2 ) 宏观基准量：弹性常数；屈服应力；拉伸强度：延伸率；密度；电 阻；超声波速；声发射等。 相应于这些度量损伤的基准，各种检测技术也蓬勃发展起来。 ( 1 ) 质量密度变化检测法： 西华大学硕士学位论文 密度和容重的变化可以从某种程度e 反映材料的损伤，所以可从材料质量 密度的变化寻求损伤材料密度变化和损伤变量的关系： d = o - p ，力2 ”( 2 - 5 ) 式中：d 为损伤变量，为无损状态时材料的质量密度，p 为无损状态时 材料的质量密度。为损伤状态时材料的质量密度。 质量密度变化检测法的原理比较简单，但主要的技术困难在于密度变化 p