基于相场方法的岩石弹塑性损伤模型研究及其数值实现

岩石材料损伤破坏的研究对岩体工程的稳定性评价至关重要,基于热力学原理,在经典相场损伤模型框架中引入塑性本构模型和硬化准则,借助塑性耗散能驱动下的塑性硬化阶段和峰后软化阶段损伤演化方程,建立一种岩石弹塑性相场损伤模型,并给出其数值实现。通过对比相场损伤均质响应模拟结果和解析解,验证塑性损伤耦合条件下该模型的正确性和可靠性。采用该模型,模拟岩石二维和三维复杂裂纹扩展,研究含预制裂纹岩石试样的塑性剪切损伤破坏过程,计算结果与已有试验结果吻合较好。该模型能自动、准确地跟踪岩石复杂裂纹扩展路径,有效描述岩石的损伤演化规律以及塑性变形与非局部相场损伤之间的耦合效应,可进一步应用到模拟实际工程岩石损伤破坏及稳定性问题。     

基于相场法的花岗岩弹塑性损伤模型及其细观力学行为研究

花岗岩的细观非均质性对其损伤破坏行为有着重要影响。基于热力学原理和力与能量平衡方程,在经典相场模型框架内引入适合岩石类材料的非关联塑性本构关系,构建弹塑性相场模型,通过与解析解和试验数据对比,验证了其正确性和可靠性。在此基础上,采用数字图像处理建立符合真实细观结构的花岗岩非均质数值模型,并对其三轴压缩试验进行数值模拟,在细观尺度预测其宏观力学行为以及分析岩石裂纹扩展机制。研究结果表明：通过与试验数据和传统弹脆性相场模拟结果对比,建立的基于花岗岩真实细观结构的弹塑性相场模型可以很好地捕捉其宏观非线性力学行为;花岗岩的内部裂纹的起裂、扩展以及局部应力场的分布会受到矿物颗粒的力学性质、几何形状及分布的影响。该研究方法为今后研究岩石多尺度损伤破坏问题提供一种简单有效的途径,对评价地下工程中围岩力学性质有着重要的工程实践意义。     

大理岩破坏过程的三维细观弹塑性损伤模拟研究

为了考虑岩石细观局部塑性变形,基于应变空间理论导出细观弹塑性损伤模型,采用有限元计算方法实现岩石三维破裂过程的数值模拟。提出细观破坏单元网格消去法,利用位移加载来实现岩石逐渐破裂过程;模拟二维、三维大理岩三点弯曲梁弹塑性损伤破坏试验,得到岩石非线性应力–应变曲线和不同载荷阶段弹塑性损伤破裂演化系列图像;分析细观非均匀性对岩石宏观破裂力学行为的影响。试验研究表明,三维破裂比二维破裂更为复杂,本文所建模型可以有效地模拟岩体的三维破坏过程。     

基于能量耗散特征的脆性岩土材料三轴压缩损伤模型

从材料变形破坏过程中能量耗散特征入手,视脆性岩土材料为仅有损伤耗能的脆弹性部分和仅有塑性流动耗能的理想弹塑性部分共同组成,建立了适用于三轴压缩等复杂应力状态的损伤本构模型。对于脆弹性部分,认为体积变形和剪切变形均会引起材料内部结构单元的断裂破坏而产生损伤,但二者损伤耗能机理不同,对材料的力学性能及强度影响也不同,因而从能量耗散的角度出发,分别定义了体积损伤变量和剪切损伤变量,并通过变形过程中的能量守恒原理建立了相应的增量型损伤演化方程,进一步揭示了脆性岩土材料在复杂应力状态下的损伤机理;对于理想弹塑性部分,采用Mohr-Coulomb强度准则反映材料屈服强度。以三峡地下电站典型花岗岩为例,采用提出的损伤模型进行了数值计算。结果表明:该模型能够较好预测材料在三轴压缩过程中峰值强度、峰值应变及残余强度随围压的变化规律,反映材料随围压增大逐渐由脆性向塑性转变的特征,具有广泛的工程应用价值。     

非饱和黏性土水–力耦合弹塑性组合双面模型

非饱和黏性土在外荷载作用下呈现出复杂的水–力耦合特性。为描述水–力耦合对非饱和土应力–应变特性的影响，基于弹塑性理论，采用提出的循环塑性硬化法则，考虑(p’-q-s)空间内的任意应力路径变化，建立能够描述非饱和黏性土水–力耦合特性的弹塑性组合双面模型。该模型通过平均骨架应力和修正吸力反映应力和吸力的耦合作用，采用2组加载面和边界面组合，分别描述加载、干湿过程中水–力耦合引起的塑性屈服，实现非饱和黏性土水–力特性的全耦合分析和求解。与非饱和黏性土的常规静力三轴剪切试验结果的比较表明，所建模型能较好地模拟非饱和黏性土水–力耦合下的应力–应变特性。     

广义塑性梯度模型的数值模型和数值算法

广义塑性梯度模型在双屈服函数中分别考虑塑性剪切应变和塑性体积应变的拉普拉斯项,用虚功方程和屈服函数的一致性条件建立控制微分方程。它有望在较全面地反映岩土介质基本力学性质的同时,也合理解释岩土介质的应变局部化现象。为得到上述控制方程的数值解答,同时对位移和塑性乘子进行离散,得到以节点位移和节点塑性乘子为基本未知量的非线性方程组,建立塑性乘子的边界条件,给出求解上述方程组的增量算法。数值算例表明：（1）发生应变局部化时,塑性剪切应变和塑性体积应变主要集中在应变局部化带中;（2）网格密度变化时,网格敏感性问题不再出现;（3）当模型的局部化参数增大时,应变局部化带的带宽也明显增宽。     

岩土介质应变局部化问题的广义塑性梯度理论研究

进一步探索岩土介质的强度与变形机制，就必然要深入分析其细观变形和破坏性态。大量试验表明，由于试样的微细观层面上的不均匀性的影响，试样在破坏时常常出现狭窄带状高应变梯度区的应变局部化现象。研究应变局部化问题实质上是研究岩土工程的基本科学问题——岩土介质的一种真实破坏过程。基于传统连续介质力学的应变梯度理论难以反映岩土介质最基本的力学性质，如果能将广义塑性力学同应变梯度理论结合志来，应该能够得到一些新的启迪。 通过对宏观试验结果和CT试验结果的分析，提出一种可包含局部化变形的相当小而非无穷小的研究基元——塑性梯度体元，基于塑性梯度体元分析了应变局部化启动机制；建立起塑性应变的微分表达式后，随着硬（软）化模量从正值变为负值，变形模式将由均匀变形模式变为局部化变形模式。 进而，基于广义塑性力学的双屈服面模型和对塑性梯度体元的分析，构造由梯度依赖的双屈服面得到的塑性剪切应变和塑性体积应变的微分方程表达式，从而建立广义塑性梯度模型的理论框架，使其在反映岩土介质的基本力学性质的同时，也能反映介质的应变局部化特征，给出一种可能的梯度依赖的双屈服面的形式。阐述广义塑性梯度模型模拟局部化变形模式的机制。提出模型各个参数，尤其是其中局部化参数的物理意义和通过宏观可测量的物理量结合数值分析反推材料局部化参数的途径。 然后，在将位移进行离散的同时，也通过构造的C连续性的插值函数将塑性乘子在空间离散，得到一组以节点位移向量和节点塑性乘子向量为基本未知量的非线性方程组，从而建立广义塑性梯度模型的数值模型，给出了相应的边界条件处理方法和数值算法。 最后，编制二维FORTRAN90数值分析程序和VB后处理程序，并给出数值算例。算例显示塑性应变局限于局部处发生和急剧发展的过程；塑性剪切应变和塑性体积应变进入局部化变形模式后都主要集中在局部化带内，反映出岩土在一定条件下的剪胀机制；避免了病态的网格敏感性；且局部化带宽度受局部化参数影响。     

岩石材料变形的稳定性分析及破坏形式的分叉分析

材料的非稳定性分析及局部化剪切带分叉分析是当前固体力学研究的前沿课题.本文试图将二者引入到岩石力学研究中,从理论上解决两个问题第一是岩石材料在峰值点后的变形稳定性问题;第二是岩石材料在单轴压缩及常规三轴压缩应力状态下的破坏形式问题.为此,首先建立了岩石材料的应变软化损伤模型,用于这两个问题的分析;其次运用经典稳定性问题的能量准则分析了获得岩石材料应力-应变全过程曲线的条件及岩石材料在峰值点后的损伤变形稳定性问题;最后,采用弹塑性材料的不连续分叉准则分析了岩石材料在单轴压缩及常规三轴压缩应力状态下的破坏形式.根据上述内容,全文分为3个部分,各个部分的主要工作及成果如下第一部分分析了岩石的基本变形性质,引用Frantziskonis和Desai损伤模型的概念,建立了能够反映岩石材料基本变形性质尤其是应变软化特征的损伤本构模型,并与实验结果进行了对比,证明该模型是适用的.第二部分介绍了结构及材料的稳定性问题的基本概念及基本理论和岩石力学中的稳定性问题及其研究现状.运用稳定性的能量准则,分析了获得岩石材料应力-应变全过程曲线的条件.除了在刚性压力机上,采用位移控制的加载方式,获得岩石材料的应力-应变全过程曲线外,在普通压力机上,如果采取适当的措施,无论是何种加载方式,均能获得岩石材料的应力-应变全过程曲线.运用稳定性的能量准则,分析了岩石材料在峰值点后的变形稳定性问题.证明了岩石材料的峰值点仅是一个分叉点而非失稳点,并提出了分叉点和失稳点的判别方法.模拟计算结果说明上述结论是正确的.第三部分介绍了岩石材料脆性破坏的基本特征及在单轴压缩和三轴压缩应力状态下的破坏形式和弹塑性材料分叉研究的基本理论以及岩土材料分叉研究的现状.采用不连续分叉理论,对岩石材料轴对称问题进行了局部化剪切带分叉分析.结果表明,单轴压缩应力状态下的岩石材料的脆性破坏形式是张破裂的;而常规三轴应力状态下岩石材料的脆性破坏形式是剪切破裂的,不存在张破裂的形式,剪切带方位角随围压的增加而降低.模拟计算结果表明在单轴压缩及低围压三轴压缩状态下,岩石材料的局部化剪切带发生于峰值应力之后,峰值应力点附近.但随着围压的增加,局部化剪切带分叉点将逐步远离峰值点,岩石材料的破坏逐步呈现塑性破坏的特征;当围压增加到一定值时,局部化剪切带将不会发生,此时岩石材料的破坏为塑性破坏形式.     

加筋砂土挡墙承载力及渐进性变形破坏的有限元分析方法

 为开发一种可以合理模拟加筋砂土挡墙承载力及渐进性变性破坏特征的数值分析方法,利用可考虑应变局部化的非线性弹塑性有限元法对一系列的加筋砂土挡墙模型试验结果进行从小变形到破坏的全过程数值分析。有限元分析中,砂土的本构关系采用基于修正塑性功的硬化–软化弹塑性模型,该模型引入应变局部化参数S用以描述砂土单元峰值以后的局部剪切破坏效果。模型试验结果与有限元计算结果比较表明：建议的非线性弹塑性有限元分析不仅可以较好地模拟分析加筋砂土挡墙基础底面的平均压力与沉降之间的关系,而且也能合理地模拟加筋砂土挡墙基础的剪切破坏的发生与发展状况、筋材的拉力以及挡墙面板的水平土压力分布等,它可以定量化地分析加筋砂土挡墙的渐进性变形破坏特征以及条带加筋材料的加固机制。     

考虑弹塑性损伤耦合的绿泥石片岩力学模型研究

深埋绿泥石片岩现场工程和室内试验揭示绿泥石片岩在外荷载作用下存在弹塑性损伤耦合行为,考虑弹塑性损伤耦合建立力学模型是进行工程稳定性分析的基础。通过三轴试验对锦屏二级水电站绿泥石片岩的力学特性进行了研究,重点分析了围压对强度、变形、剪胀等非线性特征的影响;基于试验结果,根据绿泥石片岩在受压条件下表现出的塑性剪切和损伤弱化机制,提出了可以反映损伤弱化的损伤演化方程和反映塑性强化作用的加载方程和势函数,并提出适用的本构方程。室内三轴试验的模拟结果表明本文提出的力学模型与试验结果有较好的一致性,对类似深埋软岩地下工程的稳定性分析具有借鉴意义。     

Effizienzsteigerung von Textilbeton durch Einsatz textiler Bewehrungen nach dem erweiterten Nähwirkverfahren

Textilbeton ist ein neuer, effektiver und sehr innovativer Baustoff zur Verstärkung von Tragwerken. Im Rahmen der laufenden Forschung stehen die weitere Verbesserung des Verstärkungsverfahrens und die stetige Weiterentwicklung der Faser‐Matrix Kombination im Mittelpunkt der Untersuchungen. Aufgrund der hohen Garnzugfestigkeiten sind bei Verwendung textiler Bewehrungen aus Carbon sehr effektive Verstärkungen herstellbar. Bei ungünstiger Konfiguration der textilen Bewehrungen können jedoch verbund‐ und festigkeitsschädigende Rissbildungen innerhalb zugbeanspruchter Textilbetonbauteile auftreten. Diese Rissbildungseffekte werden in Abhängigkeit von der Belastung maßgeblich durch die wirkenden Verbundkräfte und die verarbeitungsbedingte Garnwelligkeit beeinflusst. Dabei ist die Gefahr eines Verbundversagens durch Delamination besonders in den Bereichen der Lasteinleitung in die textile Bewehrung, wie z. B. Endverankerungen und Übergreifungsstößen, kritisch. Dies führt zu einer Reduzierung der nutzbaren Zugtragfähigkeit der textilen Bewehrung im Gesamtbauteil. Um die Effizienz der textilen Bewehrung zu erhöhen, wurde daher ein verbessertes Textilherstellungsverfahren auf Basis der Nähwirktechnik entwickelt. Dadurch wird die ungünstig wirkende Garnwelligkeit deutlich reduziert. Der vorliegende Aufsatz beschreibt vergleichende Untersuchungen der Verbund‐ und Festigkeitseigenschaften zugbeanspruchter Textilbetonbauteile. Die Ergebnisse zeigen, dass mit der Entwicklung des erweiterten Nähwirkprozesses ein maßgeblicher Schritt im Hinblick auf eine weitere Verbesserung der Eigenschaften des Textilbetons erreicht werden konnte. Efficiency Increase of Textile Reinforced Concrete by Use of Textile Reinforcements from the Extended Warp Knitting Process The composite material textile reinforced concrete (TRC) is a new, effective and very innovative method for the strengthening of load bearing structures. Apart from further improvements to the strengthening methods, a continual further development of the fibre‐matrix combination is at the centre of ongoing research. Due to the high tensile strengths of textile reinforcements made of carbon, it enables very effective strengthening of concrete constructions. However, if the textile fabrics are unfavourably configured, bond and strength damaging crack formations within TRC members can occur. Depending on the load, these crack formation effects are substantially influenced by the bond and the size of yarn undulation, which depends on the processing of the fabric. The danger of bond failure by delamination, which particularly occurs in areas of concentrated load introduction into the textile reinforcement, such as final anchorages and overlaps, is especially critical. It results in a reduction of the usable tensile load bearing capacity in the entire member. For this reason, an improved textile manufacturing method based on warp knitting technology was developed. By means of this method, yarn undulation can be reduced considerably. The article on hand describes comparative examinations of the bond and strength properties of tensile loaded TRC elements. The results show that the development of the extended warp knitting process was a substantial step toward a further improvement of the properties of TRC.     

Feuchtesensoren in der Bauwerksüberwachung

Die Bestimmung des Wassergehalts und insbesondere der orts‐ und zeitabhängigen Feuchteverteilung in Baustoffen hat in der Forschung, Baustoffentwicklung, Bauwerksdiagnose und Bauwerksüberwachung einen besonderen Stellenwert. Bei der Untersuchung von Schadensursachen muss an Bauwerken in der Regel die Baustofffeuchte mit bewertet werden, da sowohl wesentliche Baustoffeigenschaften als auch die Dauerhaftigkeit von Bauwerken in entscheidendem Maße von deren Wassergehalt abhängig sind. In jüngster Zeit werden Feuchtesensoren eingesetzt, um die Funktionsfähigkeit und Dauerhaftigkeit von Instandsetzungs‐ bzw. Schutzmaßnahmen zu kontrollieren. Dies soll es dem Bauherrn ermöglichen, rechtzeitig Maßnahmen einleiten zu können, bevor Schäden infolge von Wasser‐ bzw. Chloridzutritt auftreten können. Condition Assessment with Moisture Sensors The determination of the water content in construction materials and in particular with regard to its depth and time dependent distribution is of high interest in the area of research, material development and condition assessment of structures. The assessment of the reason of damages mostly require to regard the moisture content of structures, because the moisture content basically affects material properties and the durability of structures. Recently moisture sensors have been used to control the functionality and durability of repair and protection measures. This enables the owner to carry out accurately timed measures to prevent damages due to the ingress of water and chlorides.     

Umlagerungsverhalten von Plattentragwerken aus Stahlfaserbeton

Das Tragverhalten von Platten aus Stahlfaserbeton ist von starker Nichtlinearität durch Rissbildung und großen traglaststeigernden Umlagerungen geprägt. Für ihre Berechnung und Bemessung wird ein nichtlineares Verfahren vorgestellt. Es basiert auf einer elasto‐plastischen Schädigungsbeschreibung des Faserbetons mit eingebetteter Betonstahlbewehrung und einer Finite Elemente Diskretisierung des Stabstahls und der Platte mit regularisierter Verschmierung der Rissbildung im Elementnetz. Das Verfahren wird an einer punktgestützen Stahlfaserbetonplatte eines Großversuchs angewendet und verglichen mit anderen gängigen Methoden, nämlich einer linear‐elastischen Schnittgrößenermittlung bzw. der Bruchlinientheorie. Zur Bemessung erweist es sich als sehr geeignet, allerdings – ähnlich den beiden anderen Verfahren – abhängig von der angenommen Rissbildung, der Nachrisszugfestigkeit und geometrischen Größen. Redistribution Effects of Steel Fibre Reinforced Concrete Slabs Numerical Computation and Design The bearing behaviour of steel fibre reinforced concrete (SFRC) slabs is mainly affected by nonlinearity due to cracking and redistribution effects leading to an increased bearing capacity. A nonlinear approach for structural analysis and design of such structures is presented. It is based on an elasto‐plastic damage theory to model material behaviour of SFRC and allows for additional embedded rebars. By adopting a finite element discretisation of the slab structure a regulated smeared modelling of cracking is achieved. Further the nonlinear model is applied to a full scale test of a SFRC flat slab structure and results are compared to alternative already well established methods, namely a linear elastic analysis and the yield line theory. The proposed method is proven to be very suitable for design but – alike the alternatives – depends on assumed crack patterns, residual tensile strength of the SFRC and geometrical parameters.