复杂应力状态下大骨料混凝土力学特性的试验研究和分析

摘要

本文通过试验比较了水工大骨料混凝土和湿筛混凝土在复杂应力状态下的强度和变形特征，并且通过数值模拟，研究了大骨料混凝土的破坏过程及其宏观力学响应特性。具体研究工作如下： (1)进行了三级配混凝土和湿筛二级配混凝土单轴拉、压试验，通过对国内外大量的大坝原级配混凝土单轴受力试验资料的回归分析，得出一系列反映大骨料混凝土单轴拉、压强度、峰值应变、拉压弹性模量之间相互关系的经验公式，可为工程的实际应用提供参考。用超声波测试了不同尺寸试件单轴加载过程中损伤和微裂缝的扩展规律，比较研究了骨料尺寸、骨料体积含量和试件尺寸等因素对混凝土损伤演变规律的影响。 (2)进行了三级配混凝土和湿筛二级配混凝土双轴拉压以及三轴拉压压的试验研究，总结了大骨料混凝土大试件双轴拉压以及三轴拉压压试验的几个技术要点，包括试验设计要点和试验操作要点。对试验结果进行回归分析，给出了主应力空间和八面体应力空间内大骨料混凝土在双轴拉压和三轴拉压压下的破坏准则。 (3)进行了三种骨料级配混凝土的双轴压试验研究，试验采用了两种加载方式，一种为双向比例加载；一种为保持一向恒定侧向压力的非比例加载。分析研究了两种加载方式下不同骨料级配混凝土的变形、破坏和强度特性，分别在主应力空间、主应变空间和八面体应力空间下建立了不同骨料级配混凝土的破坏准则。 (4)利用细观力学分析与试验相结合的方法，将细观上的大骨料混凝土看作三相非匀质复合材料，运用刚体弹簧元数值方法，研究大骨料混凝土单轴及多轴状态下的力学行为，并与实际试验结果进行对比比较。 (5)以Mazars的各向同性损伤模型和Valanis的内时理论模型为基础，考虑尺寸效应和骨料湿筛效应对损伤阈值和损伤演变规律的影响，在大量不同骨料级配混凝土试验数据的基础上，建立了一种全新的适用于不同骨料级配混凝土的内时损伤本构模型。

目录

文摘

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1绪论

1.1引言

1.2复杂应力状态下混凝土的强度与变形研究现状

1.2.1混凝土双轴压压强度与变形的研究

1.2.2混凝土双轴拉压强度与变形的研究

1.2.3混凝土三轴拉压压强度与变形的研究

1.3大骨料混凝土力学性能研究现状

1.4混凝土细观力学模型研究现状

1.5混凝土本构模型研究现状

1.5.1以经典力学理论为基础的本构模型

1.5.2基于不可逆热力学的本构模型

1.5.3以塑性(或内时模型)与损伤耦合理论为基础的本构模型

1.6本文的主要研究工作

2大骨料混凝土单轴受拉与受压试验结果分析

2.1引言

2.2大骨料混凝土单轴受拉试验研究

2.2.1试验方法的研究

2.2.2试验概况

2.2.3试验结果分析

2.3大骨料混凝土单轴受压试验研究

2.3.1试验概况

2.3.2试验结果分析

2.4不同尺寸混凝土试件单轴受力状态下超声波传播特性研究

2.4.1研究内容

2.4.2受压试验中超声波检测方法简介

2.4.2试验结果分析

2.4.3本节小结

2.5本章小结

3双轴拉压及三轴拉压压受力状态下大骨料混凝土力学特性试验研究

3.1引言

3.2试验方法及试件

3.2.1试验装置

3.2.2试件形式

3.2.3试件制作

3.2.4加载过程

3.3试验结果分析

3.3.1试件破坏形态

3.3.2强度性能

3.3.3双轴拉压应力应变分析

3.3.4三轴拉压压应力应变分析

3.4破坏准则

3.4.1主应力空间的破坏准则

3.4.2八面体应力空间的破坏准则

3.5本章小结

4双轴压受力状态下大骨料混凝土力学特性试验研究

4.1引言

4.2试验设备及试验技术

4.2.1试验装置

4.2.2试件制作

4.2.3加载过程

4.3双轴比例加载试验结果及分析

4.3.1试件破坏形态

4.3.2极限强度及峰值应力点的应变

4.3.3应力-应变关系曲线

4.3.4破坏准则

4.4非比例加载试验结果及分析

4.4.1试件破坏形态

4.4.2极限强度及峰值应力点的应变

4.4.3应力-应变关系曲线

4.4.4破坏准则

4.5八面体应力空间统一破坏准则

4.6结论

5用刚体弹簧元法研究大骨料混凝土力学性能

5.1引言

5.2随机骨料模型的建立

5.3网格自动剖分技术的应用

5.4刚体弹簧元模型的建立

5.5细观本构模型的确定

5.6材料参数的选取

5.7全级配混凝土单轴数值试验

5.7.1单轴受压

5.7.2单轴受拉

5.7.3劈裂受拉

5.7.4不同骨料级配的混凝土单轴拉压性能的对比

5.8双轴荷载

5.9本章小结

6大骨料混凝土的本构模型及在大体积混凝土开裂分析中的应用

6.1引言

6.2内时损伤本构模型的建立

6.2.1有效应力～σij的内时弹塑性关系式

6.2.2损伤演变方程

6.2.3增量形式的塑性损伤耦合本构方程

6.2.4考虑尺寸效应的损伤门槛值

6.3对不同骨料级配混凝土试验的模型验证

6.3.1单轴受拉

6.3.2单轴受压

6.3.3双轴拉压

6.3.4双轴压

6.4内时损伤本构模型在大体积混凝土开裂分析中的应用

6.4.1有限元分析模型

6.4.2某重力坝的加载分析

6.5本章小结

7结论和展望

7.1本文的工作总结

7.2展望

参考文献

攻读博士学位期间发表学术论文情况

创新点摘要

致谢