混凝土破裂过程渗流-应力-损伤耦合模型
双重介质渗流-应力耦合模型及其在裂隙岩体边坡中的应用
双重介质渗流-应力耦合模型及其在裂隙岩体边坡中的应用1. 走进双重介质渗流的世界说到“渗流”，大家可能会想起水在土壤里慢慢渗透的样子。
没错，渗流就是这样一个充满神秘感的过程。
但当我们说“双重介质渗流”时，事情就有点复杂了。
这里的“双重介质”指的是岩土体中不仅有土壤，还有裂隙，这些裂隙就像土壤中的小小通道一样，水在其中流动时的行为可能与土壤中的水流完全不同。
这就像你在喝一杯混合了大块冰块和水的饮料时，冰块的阻挡让水流变得不那么顺畅了。
1.1 双重介质渗流模型的基本概念双重介质渗流模型的核心就是要搞清楚水在这两种介质中怎么流动。
你可以想象成在一个糖果盒子里，一部分糖果是大的，一部分是小的。
水流通过大糖果和小糖果的速度是不同的，这就好比我们的模型要分开考虑这两种介质的渗透性。
大糖果代表裂隙，流速快；小糖果代表土壤，流速慢。
通过数学公式，我们可以更准确地预测水流的路径和速度。
1.2 应力耦合的有趣之处当我们把“应力”引入到模型中，事情就更加有趣了。
想象一下，你在摔跤时，不只是地面有力量对你施压，你的身体也会对地面施加反作用力。
在岩土体中也是这样，地壳的应力会影响裂隙中的水流，而水流的变化又会改变岩石的应力分布。
这种相互作用就叫做“应力耦合”。
在我们的模型里，把这两个因素结合起来考虑，可以更准确地预测裂隙岩体的行为。
2. 双重介质渗流模型在裂隙岩体边坡中的应用。
裂隙岩体边坡，听起来是不是有点让人打寒战的感觉？这其实就是山坡上那些因为裂隙和应力而变得不稳定的地方。
双重介质渗流模型在这里的作用，就像是给这些山坡上的问题找到了一个有力的解决方案。
2.1 裂隙岩体的复杂性裂隙岩体的复杂性在于它们的结构不是简单的固体，而是充满了各种各样的裂缝。
这些裂缝就像是岩石中的小小秘密通道，水流通过这些通道时，可能会引发边坡的滑坡或崩塌。
模型可以帮助我们分析这些裂隙如何影响水流和应力，从而预测可能的滑坡区域。
简单来说，模型就是我们用来“窥探”这些秘密通道的工具。
碾压混凝土坝渗流场与应力场耦合分析的数学模型
实 例可 以看 出 ， 合作 用使 坝 体渗 流场 发生 变化 ， 耦 并且 使 坝体应 力增 大 ， 坝踵 处 的应 力集 巾加剧 。 使
关 键 词 碾压 混 凝土 坝 ； （ ） 层 缝 面渗 流 ； 渗流 场 ； 力场 ； 合模 型 ； 应 耦 有限元
中 图 分 类 号 ： Ｖ ４ ． Ｔ ６２２
流 模型 来 模拟 碾 压混 凝 土 坝 层 （ ） 渗 流 与 坝 体 应 力 相 互 缝 面 影 响 的耦合 机 理 ， 论 碾压 混 凝 土坝 渗 流 场 与 应力 场 耦 合 分 讨 析 的数 学模 型 及 其有 限元数 值 解法 ， 用 工 程 实 例 检验 该 耦 并 合 模 型 的适 用 性 。
维普资讯
２０ ０ ２年 第 ３期
Ｎ ３， Ｏ ２ ｏ ２Ｏ
黑
龙
江
水
利
科
技
Ｈ ｉ ｎ ｊ ｎ ｃ ｎ ｅ ａ ｄ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ ｆ ｔｒ ｏ ｓｒａ ｃｙ ｌ ｉ ｅ Ｗａ Ｃ
文献 标 识码 ： Ａ
碾 压混 凝 土 筑坝 由于 其施 工 快 速 、 价 经 济 等 优 点 而正 造 在得 到 飞 速的 发展 ， 由于 大体 积 碾压 混凝 土 坝 都 是 分 薄层 但 浇筑 的 ， 以碾压 混 凝土 筑坝 主要存 在 碾 压 展 （ ） 所 缝 面结 合 问
题 。 实 践 证 明 ， 压 混 凝 土 层 （ ） 往 往 是 碾 压 混 凝 土 坝 中 碾 缝 面
表 ３ 不 同 生 育阶 段 的土壤 水 势 范 围 ｐａ ｈ
处 理 分 蘖 中期 分蘖 末 期 拔 节抽 穗期 乳 熟期
亏缺 不仅 不 会 减产 ， 反而 对产 量 产生 积 极影 响 。
混凝土破裂过程细观损伤与渗流耦合模拟
混凝土破裂过程细观损伤与渗流耦合模拟
混凝土结构在使用过程中，很容易发生破裂。
破裂过程是一个渐
进的过程，主要由混凝土内部的微观裂缝发生扩展而引起。
为了更好
地理解混凝土破裂的机理，需要通过细观损伤与渗流耦合模拟，来对
混凝土结构内部的微观层面进行分析。
细观损伤与渗流耦合模拟是一种仿真分析方法，可以模拟出混凝
土结构在破坏前后的变形与渗流过程。
这种方法可以精确地模拟混凝
土结构内部的微观破裂过程，并可以预测结构在破坏前的性能变化。
在细观损伤与渗流耦合模拟中，需要考虑混凝土内部的微观结构
和材料物理力学性质，以及混凝土破裂时的裂缝扩展形态和渗流规律。
这些因素都会对混凝土的破裂机理产生影响。
通过细观损伤与渗流耦合模拟，可以预测混凝土结构受力后的变
形和破裂过程。
分析得出的结果可以为混凝土结构设计和施工提供指导，帮助人们更好地了解混凝土破裂的机理，进而提高混凝土结构的
使用寿命和安全性。
细观损伤与渗流耦合模拟是一种复杂而高效的方法，可以大大提
高混凝土结构设计和施工的效率。
未来，我们可以通过不断完善这种
模拟方法和细节，进一步提高混凝土结构的性能和安全性，更好地服
务于社会和人民的幸福生活。
低温冻融条件下岩体温度-渗流-应力-损伤(thmd)耦合模型研究及其在寒区隧道中的应用
低温冻融条件下岩体温度-渗流-应力-损伤(thmd)耦合模型研究及其在寒区隧道中的应用低温冻融条件下岩体温度-渗流-应力-损伤(thmd)耦合模型的研究，对于寒区隧道的建设和运营具有重要意义。
以下将从模型建立、数值模拟及实例应用等方面对其进行论述。
一、模型建立1.1 温度模型考虑到低温环境下的岩体温度变化，建立了温度耦合方程式，包括岩体内部热平衡方程和表面边界条件等，得到岩体内部温度分布。
1.2 渗流模型在岩体中加入水分后可导致岩体内的渗透性增加，因此需要建立渗流耦合方程式，包括岩体内部水分扩散方程和表面边界条件等，得到岩体内部渗流水压分布。
1.3 应力模型由于冻融环境下温度和水分变化，岩体中的应力状态也会发生变化，考虑到应力涉及到岩体的力学性质，建立了应力耦合方程式，包括岩体内部力学平衡方程和表面边界条件等，得到岩体内部应力分布。
1.4 损伤模型根据岩体断裂的损伤特性，建立了损伤耦合方程式，包括耗能损伤方程和裂纹扩展方程等，得到岩体的损伤特性及破坏状态。
二、数值模拟在建立了岩体的低温冻融条件下的温度-渗流-应力-损伤耦合模型后，进行了数值模拟。
通过数值模拟得到了不同参数情况下的模型响应情况和岩体的损伤状态等，为后面的实例应用提供了重要参考。
三、实例应用本研究将所建立的模型应用于寒区隧道的建设和运营，对隧道的环境适应性、寿命等方面进行了研究。
3.1 隧道建设阶段在隧道建设阶段，岩体的温度、水分等参数的变化会影响到隧道的施工和安全，采用所建立的模型可以对岩体环境进行预测，实现对施工和隧道的安全保障。
3.2 隧道运营阶段在隧道运营阶段，隧道内部的温度、水分等参数的变化也会影响到隧道的运营和安全。
采用所建立的模型，可以对隧道内部的环境进行监测和分析，及时调整运营管理策略，保障隧道的安全和可靠性。
综上所述，低温冻融条件下岩体温度-渗流-应力-损伤(thmd)耦合模型的研究，对于寒区隧道的建设和运营具有重要意义。
混凝土损伤本构模型
混凝土损伤本构模型引言混凝土是一种常见的建筑材料，其在结构工程中的应用广泛。
然而，由于外界环境、荷载作用以及材料本身的缺陷等因素，混凝土结构往往会发生各种损伤。
为了预测和分析混凝土结构的性能，研究人员发展了各种混凝土损伤本构模型。
混凝土损伤本构模型是一种描述混凝土损伤与载荷响应之间关系的数学模型。
通过建立损伤本构模型，可以有效地预测混凝土结构在不同荷载下的应力应变行为，并评估结构的安全性和耐久性。
混凝土损伤机理混凝土的损伤可以表现为裂缝的形成和扩展。
主要的损伤机理包括：拉伸损伤、压缩损伤、剪切损伤和弯曲损伤等。
这些损伤机理导致混凝土的强度和刚度下降，影响结构的整体性能。
混凝土的拉伸损伤是由于应力超过其拉伸强度导致的。
拉伸损伤可分为初始裂缝的形成和裂缝扩展两个阶段。
初始裂缝形成阶段主要受到混凝土的弯曲和压力影响，而裂缝扩展阶段则受到拉伸应力集中作用。
混凝土的压缩损伤是由于应力超过其压缩强度导致的。
压缩损伤通常以体积收缩和裂缝的形式出现。
混凝土的剪切损伤是由于应力超过其剪切强度导致的。
剪切损伤主要通过剪切裂缝的形成和扩展来表现。
混凝土的弯曲损伤是由于应力超过其弯曲强度导致的。
弯曲损伤通常以裂缝的形式出现。
混凝土损伤本构模型的分类根据混凝土损伤本构模型的解析方法，可将其分为经验模型和力学模型两大类。
经验模型是基于实验数据和经验法则建立的模型，是一种常用的损伤本构模型。
经验模型通常通过试验数据拟合得到，具有一定的简化和适用范围，可用于预测混凝土在一定加载条件下的损伤演化。
力学模型是基于物理力学原理建立的模型，具有更高的准确性和适用性。
力学模型通常采用连续介质力学和断裂力学理论，考虑不同损伤机制的相互作用，能够对混凝土结构在复杂荷载下的损伤行为做出较为准确的预测。
混凝土损伤本构模型的建立方法混凝土损伤本构模型的建立方法主要包括试验法、数值模拟和解析法。
试验法是通过对混凝土试件进行拉伸、压缩、剪切、弯曲等不同加载试验，获得试验数据，然后利用数据拟合方法建立本构模型。
10渗流模块-渗流应力耦合分析
Tunnel
在桌面背景中选择 SoilWorks实行图标 1. 2. 3. 4. 5. 选择 Project Manager> Seepage 定义初始参数上，单位系用 kN, m, sec 设定后，点击确认 选择 主菜单> 使用 > CAD文件 点击Section.dwg 文件后，点击打开 按钮 Command窗上，输入 Z(zoom) > e 键，确认模型数据 按钮
节点水头: 输入节点水头( 总水头、压力水头) 节点流量/面流量 : 节点，表面的流出与流入, 以渗流条件为基础 调查再边界: 难以知道正确的侵润线的状况
(1) 节点水头 节点水头边界条件是指选择节点，以总水头和压力水头输入边界条件。通过总水头输入(与模型的 位置无关的输入)，从基点开始计算的水头值，压力水头输入的情况下，在地下水位面适当的节点 上输入0，就能够模拟地下水位条件。 从模型的内部模拟渗流的侵润面 (phreatic surface)的约束水流(confined flow)和侵润面的自由水 流 (unconfined flow)。每个情况适用的节点水头方式都不相同，需要特别决定侵润面的自由水流 的情况下，要正确考虑排水及边界再调查条件。
挡土墙 堤坝 基坑开挖
固结土层
[ 地基-地下水位的相互作用的例子 ]
隧道
虽然原则上应力 -渗流的问题应该用耦合分析来计算，但耦合分析时，因分析方法非常复杂，一般 情况下，使用有效应力和水压分开进行分析后组合的方法。空隙水压是完全排水问题，在空隙水压 的增量和应力的增量统一的完全非排水状态下，主要使用这个分析方法。但是，与移动地段一起随 着时间应力和空隙水压变化的情况下，必须进行位移和空隙水压耦合分析(Coupled Analysis)，压
应力_损伤_渗流耦合模型及在深部煤层瓦斯卸压实践中的应用
第24卷第16期岩石力学与工程学报V ol.24 No.16 2005年8月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Aug.，2005应力–损伤–渗流耦合模型及在深部煤层瓦斯卸压实践中的应用杨天鸿1，徐涛1，刘建新1，唐世斌1，唐春安1，余启香2，石必明2(1. 东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳 110004；2. 中国矿业大学能源学院，江苏徐州 221008)摘要：根据瓦斯渗流与煤体变形的基本理论，引入煤体变形过程中应力、损伤与透气性演化的耦合作用方程，建立了含瓦斯煤岩破裂过程固气耦合作用模型。
应用该模型模拟分析了深部采动影响下瓦斯抽放过程中煤层透气性的演化和抽放孔周围瓦斯压力的变化规律，认清了开采卸压瓦斯瞬态渗流的力学机制。
模拟结果表明，采动影响使得处于其上部67 m的煤层卸压，透气系数增大了2 000多倍，卸压范围70 m左右，同现场实际观测结果比较吻合。
这对于进一步深入理解开采过程远程卸压瓦斯渗透性的演化、瓦斯抽放渗流的机制具有重要的理论和实践意义。
关键词：采矿工程；含瓦斯煤；透气性；数值模拟；应力–损伤–渗流耦合中图分类号：TU 712+.52；O242 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2005)16–2900–06 COUPLING MODEL OF STRESS-DAMAGE-FLOW AND ITS APPLICATION TO THE INVESTIGATION OF INSTANTANEOUS SEEPAGE MECHANISM FOR GAS DURING UNLOADING IN COAL SEAM WITH DEPTHYANG Tian-hong1，XU Tao1，LIU Jian-xin1，TANG Shi-bin1，TANG Chun-an1，YU Qi-xiang2 ，SHI Bi-ming2(1. School of Resources and Civil Engineering，Northeastern University，Shenyang110004，China；2. School of Energy，Chinese University of Mining and Technology，Xuzhou221008，China)Abstract：On the basis of basic theories of gas flow and coal deformation，the coupled gas-rock model for investigating the failure process of coal-rock is established by introducing the related equations governing the evolution of stress，damage and gas permeability along with the deformation of coal and rock. Implemented with rock failure and process analysis code (RFPA)，this model can be used to capture the evolution of gas permeability in coal seam at great depth and the distribution of gas pressure around the drilling hole，and explore the instantaneous seepage mechanism of gas flow. From the simulated results，it can be found that the coal seam，located around 67 m above the excavated seam，is under unloading state and its gas permeability dramatically increases about 2 000 times as that excavated in underlying coal seam，and the size of the unloading region is around 70 m in diameter. The simulated results are in good accordance with the in-situ results. Therefore，it is safe to say that this numerical tool is of significance in both theory and practice to investigate the evolved mechanisms of gas permeability and gas drainage.Key words：mining engineering；gaseous coal；gas permeability；numerical simulation；coupling of stress- damage-flow收稿日期：2005–03–11；修回日期：2005–04–16基金项目：国家自然科学基金重大项目(50490270)；国家自然科学基金重点项目(50134040)；国家自然科学基金资助项目(50204003，50174013)；中国博士后基金项目(2003034333)作者简介：杨天鸿(1968–)，男，博士，1991年毕业于中国矿业大学地质系水文地质专业，现任教授，主要从事岩石水力学和边坡工程方面的教学与研究工作。
混凝土损伤本构模型
混凝土损伤本构模型混凝土作为一种重要的建筑材料，在建筑结构中具有重要的作用。
然而，由于外界环境和使用条件的不断变化，混凝土在使用过程中可能会受到损伤，这些损伤可能会导致结构的不安全性。
因此，混凝土损伤本构模型的研究对于建筑结构的安全性具有重要的意义。
混凝土损伤本构模型是指用于描述混凝土材料在受到外部荷载作用后产生的损伤行为的数学模型。
通过研究混凝土在受损状态下的力学性能，可以为工程结构的设计和评估提供重要的依据。
本文将对混凝土损伤本构模型的发展历史、基本原理、研究现状及其应用进行综述，并探讨该领域的未来发展方向。
一、混凝土损伤本构模型的发展历史混凝土损伤本构模型的研究始于上世纪60年代。
最早提出的混凝土损伤本构模型是由Scheel和Lubbock于1961年提出的弹塑性损伤理论。
随后，梁奇等学者在1978年提出了一种考虑混凝土受损状态的本构模型，这为混凝土损伤本构模型的研究奠定了基础。
随着研究的不断深入，人们对混凝土损伤本构模型的要求也越来越高，例如考虑温度、湿度等耐久性因素对混凝土材料的影响。
在本构模型的建立方面，人们不仅关注其数学表达形式，更加重视其实际工程应用的可靠性和有效性。
混凝土损伤本构模型的研究发展历程为混凝土损伤本构模型的研究奠定了基础，同时也为今后的研究提供了重要的借鉴。
二、混凝土损伤本构模型的基本原理混凝土损伤本构模型的基本原理是通过描述混凝土在受到外部荷载作用后产生的损伤和变形过程，从而建立相应的数学模型。
其核心是将损伤参数引入材料的本构关系中，以描述材料在损伤过程中的力学性能。
混凝土损伤本构模型一般包括两方面的内容，即损伤模型和本构模型。
损伤模型用于描述混凝土在受到外部荷载作用后产生的损伤行为，通常采用损伤变量或者损伤指标来描述损伤程度。
本构模型则用于描述混凝土在不同损伤状态下的应力-应变关系，通常采用应力-应变关系的修正形式来描述材料的非线性和损伤效应。
混凝土损伤本构模型的基本原理是将损伤参数引入材料的本构关系中，以描述材料在损伤过程中的力学性能。
高水压隧道衬砌渗流-应力-损伤耦合模型研究
于渗流场作用而产生相应的应力场和损伤场的变化 ， 衬砌 损伤和应 力的变化 又对 渗流场产 生反作用 ， 对衬砌 结构的混凝土 的渗流场 、 应力场及 损伤场进 行分析和研究 ； 通过流 固耦合来表达 隧道衬砌损伤及演化过程 ， 以 提高对高水压隧道衬砌损伤表达 的准确性 和鲁棒性 。 研究结论 ： （ １ ） 可将混凝 土损伤 的宏 观表达和细观 变化统 一起来 ， 采用 混凝土 代表体积 单元体 作为承水
ＷＥ ＮＧ Ｑ ｉ —ｎ ｅ ｎ ｇ ， Ｑｔ Ｎ Ｗｅ ｉ
（ Ｃ ｈ ｏ ｎ ｇ ｑ ｉ ｎ ｇ Ｊ ｉ ａ ｏ ｔ ｏ ｎ ｇ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ，Ｃ ｈ ｏ ｎ ｇ ｑ ｉ ｎ ｇ ４ ０ ０ ０ ７ ４ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
Ａｂｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｒｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｐ ｕｒ ｐｏ ｓ ｅ ｓ：Ｔ ｈｅ ｓ ｅ ｅ ｐ ａ ｇ ｅ ｉｅ ｆ ｌ ｄ ｈａ ｓ ｔ ｈ ｅ ｄ ｉ ｓ ｔ ｉ ｎ ｃ ｔ ｉ ｍｐ ａ ｃ ｔ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｆ ａ ｉ ｌ ｕ ｒ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｔ ｕ ｎ ｎ ｅ ｌ ｌ ｉ ｎ ｉ ｎ ｇ ｉ ｎ ｔ ｈｅ ｗａ ｔ ｅ ｒ
关键词 ： 隧道衬 砌混 凝土 ； 高水压 ； 渗流 ； 损伤 ； 应力 ； 耦合模 型
中 图分 类 号 ： Ｔ Ｕ ４ ５ 文 献标 识码 ： Ａ
Ｓ ｔ ｕ ｄ ｙ ｏ ｎ Ｓ ｅ ｅ ｐａ ｇ ｅ— －ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ— —ｆ ａ ｉ ｌ ｕ ｒ ｅ Ｃｏ ｕｐ ｌ ｉ ｎ ｇ Ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｆ ｏ ｒ Ｔｕ ｎ ｎ ｅ ｌ Ｌｉ ｎ ｉ ｎｇ ｗｉ ｔ ｈ Ｈｉ ｇ ｈ Ｗ ａ ｔ ｅ ｒ Ｐｒ ｅ ｓ ｓ ｕｒ ｅ
．＿＿
高孔隙水压作用下混凝土渗流-损伤耦合模型
摘 要 ：混 凝 土 高 坝 、 埋 隧 道 等 工 程 建 筑 承 受 较 高 的 水 头 ， 得 混 凝 土 内 存 在 高 渗 透 力 ， 生 较 显 著 的 渗 流 一 深 使 产
损 伤 耦 合作 用 ． 用 Ｐｃ ｎ ｅ 等 学 者 提 出 的混 凝 土 渗 透 损 伤 演 变 方 程 ， 合 混 凝 土损 伤 塑 性 模 型 ， 立 了孔 隙 水 应 ｉ ｄｔ ａ 结 建
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 定 渗 流 为 例 ， 别 按 耦 合 和非 耦 合 模 型 进 行 渗 流 分
损 伤 分 析 ， 比分 析 不 同方 法 得 到 的孔 隙水 压 力 及 损 伤 值 分 布 规 律 ． 果 表 明 ， 着 孔 隙 水 压 力 的 增 大 ， 伤 值 对 结 随 损
逐 渐 增 大 ， 者 变 化 规 律 基 本 一 致 ． 高 孔 隙 水 压 作 用 下 渗 流 一损 伤 耦 合 效 应 明 显 ， 用 渗 流 一损 伤 耦 合 模 型 两 在 应
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
第 ２期
２１ ０ ０年 程
学
报
ＮＯ ２ ．
ＨＹＤＲ０－ ＳＣＩ ＥＮＣＥ ＡＮＤ ＥＮＧＩ ＮＥＥＲＩ ＮＧ
Ｊ ｎ． ２ ０ ｕ Ｏ１
高 孑 隙水 压 作 用 下 混 凝 土 渗 流 一损 伤 耦 合 模 型 Ｌ
林 凯 生 ，李 宗利
（ 北 农 林 科 技 大 学 水 利 与 建 筑 工 程 学 院 ，陕 西 杨 凌 西 ７ ２０ ） １ １０
混凝土的两种损伤模型及其应用
混凝土的两种损伤模型及其应用混凝土是一种高分子复合材料，具有优良的抗压性和耐久性，广泛应用于工程建设、航空航天以及高新技术领域。
由于复杂的受力条件，混凝土的强度和耐久性受到较大的挑战，结构的损伤评估成为研究的重点。
截至目前，损伤的表达方法主要分为两类：位移矩阵模式和塑性变形模式。
位移矩阵模型以受力前和受力后混凝土材料的位移矩阵作为基本要素，以求解过程中混凝土材料受力的变形程度作为损伤的表述，故其损伤可从受力中统计得到。
该模型用于评价混凝土的失稳性、破坏的临界阈值及安全状况。
这一模型的优点是可以直接量化材料受力的变形，其缺点是受力传递的复杂性和材料变形的不一致性，从而阻碍了模型的应用。
塑性变形模型是基于混凝土材料受力变形的塑性本构模型。
该模型假设在混凝土材料受力变形时，损伤累积在变形范围内，以计算被受力混凝土材料的损伤。
该模型具有较高的准确性和稳定性，可应用于求解混凝土材料受力变形的损伤累积情况，以及混凝土结构的强度和稳定性的评价。
混凝土的损伤模型可以应用于工程实践中，以此评估结构的耐久性能，给予建设单位保障。
例如，混凝土桥体的安全性和结构的耐久性通过建立完善的损伤模型、对桥体的动力特性及分析假设进行反复物理试验，以提高工程安全性和可靠性。
另外，混凝土还可以应用在航空航天等领域，可以建立适用于大气压力下的变形损伤模型，利用模型分析混凝土材料的变形损伤规律，使该材料能够广泛的应用到航空航天领域。
总之，混凝土损伤模型是一个重要的研究内容，通过应用这些模型，可以准确的评价混凝土材料及结构的强度性能，准确的分析混凝土材料及结构的耐久性以及延长结构的使用寿命，为设计者合理利用混凝土材料提供依据，并为提高工程安全性提供有力的技术支持。
裂隙水流与混凝土开裂相互作用的耦合模型
基金项目作者简介安徽广德人博士生裂隙水流与混凝土开裂相互作用的耦合模型峰水沙科学与水利水电工程国家重点实验室北京摘要利用扩展有限元法对裂隙水压作用下混凝土结构的开裂过程进行了模拟裂纹中的流体运动在立方定理的基础上求解混凝土开裂力学行为采用了黏聚裂纹模型来描述采用松散型的耦合方式考虑裂隙水流和开裂结构推导了在基于虚节点法的扩展有限元法框架下的耦合模型控制方程通过双层迭代结构进行总体方程求解不同加载速率条件下的计算结果反映的裂纹水压变化规律均与试验相近结果也说明了扩展有限元法是处理连续非连续问题的一种有效方法关键词扩展有限元黏聚裂纹模型水力劈裂松散耦合数值模拟人们常利用水力致裂的办法来提高产量水利工程中随着筑坝技术的提高人们已经有能力兴建一批奥地利的拱坝在发生坝体开裂时检测到坝基扬压力还有学者在这些有压力水作用的环境中混凝土裂缝或者岩体裂隙的失稳破坏与水在其中的流动有密切的关系国内外许多学者对此进行了一些试验和数值模型在一因而模拟这类问题时需要预先设置裂纹的路径或者采用重划分网格的技术压力常考虑为裂纹张开度的函数使本文在扩展有限元方法的框架下建立裂隙水流与扩展有限元法年以来由该方法是基于单位分解一个常见的例子是在处的近似场函数值为与富集函数相关的附加自由度富集函数的选取完全独立于单元在通用有限元软件上实现了水力劈裂下的混凝土裂纹扩展一方面因此模拟水力劈裂问题必须包含裂隙流体的流动模型和裂纹单裂纹中的流体流动本文假定裂纹中水流沿程满足层流条件水流的流量用立方定理表示式中为裂纹的水力开度裂纹中充满流体的地方还需满足流量守恒方程为简化求裂纹几何条件的变化与裂纹内流体的变化作由于流体在裂纹中的渗流对于外部水压在大可以将计算得到的压力记时刻流体前缘的位置为位置在时该区域内的流量处的流量为项如果流体压力的积分运算应直接从混凝土材料的黏聚裂纹模型采用分离裂纹模型通常也称除了法向黏聚力外因此黏聚力与相对位移的关系可以写成增量的形式与相对位移的关系是相互独立的和本文将继续采用法向黏聚力与张开度的关系图切向黏聚力与张开度的关系裂纹的宽度而在黏聚裂纹模型中虚拟对于裂纹路径上任和间若若另外需要指出的是上述流体方程的推导中包含着裂纹面为光滑平面的假定为了考虑裂纹面粗糙度对裂隙内记和之间有式中可以通过压水试验或者与标准剖面取裂纹等效水力开度示意总体方程式中为常规自由度为非连续位移模式对应的自由度耦合求解流固耦合问题在求解类型上可以分为紧耦散耦本文采用了后一种耦楔块劈拉试验装置示意数值算例与他的合作者们进行了系列试验对试件在外荷载和内水压力共同作用下的反应进行分该试验的试验装置以及结构尺寸分别如图为准静态加载件编号为和本文对该两试件的开裂过程进行了数值模拟并将结果与试验实测资料对比软化曲线采用了如图另外由于试验所示的结构为对称结构图计算中采用的软化曲线图分别给出了两种不同加载工况下的荷载现出结构具有相当的延性这可能是由于目前模型中的本构另外在试验中为了测到裂纹中的流体压力和检测流体前缘的位置荷载裂口张开度曲线图为本文计算得到的两组试件在加载中裂纹尖端和流体前缘随从对比情况看对于裂纹尖端的模拟对于流体前缘随一致从图可能的原因图准静态加载时裂纹面作用的水压较大裂纹扩展长度及流体前缘位置随裂口张开度变化曲线从数值模拟结果同试验值之间的对在前缘区域影响流体压力分布的因素比较复杂准确预测流体前缘部分的压力分布规律还需要图试验与数值模拟获得的裂隙内水压分布随时间变化之比较参数分析临界开度在经典的虚拟裂纹模型描述中通常假定裂纹面黏聚力为零时不同的软化曲线对应的临界开度值差异很大如线形软化曲线双线性软化曲线考虑到断裂过程区作为水力渗透区域的一部分为了考察临界开度的选的情形进行了从图变化曲线对的变化曲线有显著影响取得越小在相当图图临界开度的选取的敏感性分析的选取由于进行了计算分图从图的参数变化对于裂纹中这同上面的分析结论是一致的即位置随取本文计图裂纹粗糙度系数的敏感性分析结论平台的扩展有限元法框架下建立了混凝土开裂与裂隙水流相互作用耦合模但鉴于水力劈裂问题的复杂性要实现对整个开裂过程的精细基于的同时能够显式地给出裂纹的位置和宽度等几何信息这参考文献贾金生李新宇郑璀莹ü方修君金峰。
混凝土损伤本构模型
混凝土损伤本构模型混凝土是一种复杂的材料，受外界力学作用时会产生各种不同的损伤状态。
为了深入了解混凝土的力学行为，需要研究混凝土损伤本构模型。
混凝土损伤本构模型是描述混凝土力学性能的数学模型。
它是基于混凝土的材料特性和损伤特性所建立的模型。
在混凝土力学行为中，应力状态通常被描述为三轴压缩状态。
混凝土在这种状态下的力学性能与单轴压缩状态下不同。
在单轴压缩状态下，混凝土的应变增加速度随应力增加而慢慢减缓，即发生了应变硬化现象。
而在三轴压缩状态下，混凝土往往表现出应变软化现象，随着应力的增加，混凝土的应变增加速度会逐渐变快。
混凝土损伤本构模型的基本假设是混凝土存在破坏史。
这种史包括由初次受力到完全破坏的一系列阶段。
实际上，混凝土在受力过程中会产生多种损伤形式，如微裂纹、毛细裂纹、宏观裂缝等。
而混凝土损伤本构模型的主要任务就是将这些损伤形式数学化，从而形成能够描述混凝土损伤状态的数学表达式。
目前，常见的混凝土损伤本构模型通常包括：微观本构模型、弹塑性本构模型和连续损伤本构模型等。
其中，连续损伤本构模型是最常用的一种。
连续损伤本构模型是一种基于力学守恒原理的损伤本构模型。
它基于连续体力学理论的基础上，将损伤分为两个部分：体积损伤和刚度损伤。
其中，体积损伤是由体积收缩引起的，而刚度损伤是由裂缝形成和扩展引起的。
在连续损伤本构模型中，混凝土受力时，当应力达到一定值时，混凝土会产生微小裂缝，这些微小裂缝会不断扩展。
当这些裂缝扩展到一定程度时，混凝土会发生刚度损失。
通过描述裂缝的扩展过程，可以建立混凝土损伤本构模型。
总之，混凝土损伤本构模型是现代建筑工程领域中不可缺少的一种力学模型。
通过对混凝土损伤的数学表达，可以更准确地描述混凝土的力学行为，提高工程设计的可靠性和安全性。
渗透作用下开裂混凝土的材料损伤模型
摘要
混凝土的渗透性在控制 混凝 土的质量及混凝土结构的行 为上起 着关键 性的作 用， 而开裂混凝土在渗透
作 用 下的 损 伤 则 直 接控 制 了结 构 的长 期 工 作 性 能 。从 开 裂 混凝 土 的渗 透 机 理 、 裂 水 压 条 件 、 裂 应 土中裂缝开度与水压、 拉伸及压剪作用下裂缝开度 与应 力的关 系并给 出计算公 式； 然后 定义 了混凝 土开裂损 伤问题 ， 通过有 效承载 面积损失来表达开裂混凝 土的损伤 ； 最后 通过上述 方式将 混凝土 开裂渗 透作 用与 混凝土的损
伤 结合 起 来 ， 求得 渗 透 作 用 下 开 裂 混凝 土 的损 伤 表 达 。
关 键 词 开裂混凝土 渗透 损伤 模型
Ｄａ ｍａ ｅ Ｍ ｏ ｅ ｆ Ｃｒ ｃ ｅ ｎｃ ｅ ｅ ｕ ｄ ｒ Ｗ ａ ｅ ｒ ｅ ｔｏ ｇ ｄ ｌｏ ａ ｋ ｄ Ｃｏ ｒ ｔ ｎ ｅ ｔ ｒ Ｐｅ ｍ ａ ｉ ｎ
ｄｓ ｌｃ ｍｅ ｔ（ ） ｉｐａ ｅ ｎ Ｃ（Ｄ）ａ ｄｗａ ｅ ｒｓ ｕ ｅ ａ ｄｔ ｅｒ ｌｔ ｎ ｈｐｂ ｔ ｅ ｎ ｔｒｐ ｅｓ ｒ ，ｎ ｈ ｅａｉ ｓ ｉ ｅ ｗｅ ｎＣＯＤ ｎ ｔｅ ｓｓｕ ｄ ｒｔｎ ｉｎｏ ｏ ｒｓ ｎ ｏ ａ ｄｓｒｓｅ ｎ ｅ ｅ ｓ ｒｃ ｍｐ ｅｓａ ｄ ｏ ｓ ｅ ｒａ ｅｄ ｄ ｃ ｄ ｈ ａ ｒ ｅ ｕ ｅ ．Ｔｈ ａ ｇ ｆｔｅ ｃａ ｋ ｄ ｃ ｎ ｒｔ ｓｄ ｆ ｅ ａ ｅ ｎ ｔ ｅｈ ｐ ｔｅ ｉ ｏ ｈ ａ ｇ ｆｅｆｃｉｅ ｅｄ ｍａ ｅｏ ｈ ｒｃ ｅ ｏ ｃｅｅｉ ｅｉ ｄ ｂ ｓ ｄ ｏ ｈ ｙ ｏｈ ｓｓ ｆｔ ｅｄ ｍａ ｅｏ ｆｅ ｔ ｎ ｖ
Ｗ Ｅ Ｇ ｎ ｎ ＹＵＡＮ ｎ Ｎ Ｑｉｅ ｇ ， Ｙｏ ｇ ，ＷＡＮＧ ｅｕ Ｘｕｊ ｎ
混凝土爆破损伤的SPH-FEM耦合法数值模拟
第38卷第6期爆炸与冲击V o l.38,N o.6 2018年11月E X P L O S I O N A N DS HO C K WA V E S N o v.,2018D O I:10.11883/b z y c j-2017-0209文章编号:1001-1455(2018)06-1419-10混凝土爆破损伤的S P H-FE M耦合法数值模拟*王志亮,毕程程,李鸿儒(合肥工业大学土木与水利工程学院,安徽合肥230009)摘要:为了提高计算效率以及更好展现爆炸荷载下混凝土破坏过程,采用S P H-F E M耦合法对混凝土爆破成坑进行模拟㊂首先结合前人给出的C30混凝土H o l m q u i s t-J o h n s o n-C o o k(H J C)部分本构参数,通过理论推导等方法确定出剩余的参数;然后代入模型中计算,将数值解与实测数据进行对比;最后以峰值压力和峰值加速度作为考察对象,对H J C模型中21个参数敏感性进行分析㊂结果表明:S P H-F E M耦合法能直观地模拟爆炸荷载作用下爆坑的发展全过程,且能够较好地处理S P H边界问题;基于所给出的C30混凝土H J C本构参数,采用S P H-F E M耦合法对混凝土爆破破坏进行模拟,计算结果与实测数据吻合度高,表明H J C本构参数的确定具有合理性㊂此外,还发现H J C本构参数对爆破问题结果的敏感度各不相同,指出对峰值压力和峰值加速度均有较大影响的参数在确定的时候需引起足够的重视㊂关键词:混凝土;爆破损伤;S P H-F E M耦合法;H J C本构;参数敏感度中图分类号:O385国标学科代码:13035文献标志码:A爆炸过程涉及炸药爆炸能量的高速释放㊁冲击波在介质中的快速传播㊁混凝土的损伤破裂乃至飞溅等方面的问题,目前的理论研究水平在准确描述爆炸过程方面尚存在不足㊂实验研究由于成本高㊁实施周期长以及很难全面地测定相关参量,最终往往只能得到混凝土在爆炸破坏作用下的终态响应结果以及获取部分监测点的时程信息,而数值模拟可以很好地再现爆炸响应的中间过程,并且能有效地描述混凝土在爆炸作用下的真实动态响应情况㊂相比于传统的F E M数值算法,如L a g r a n g e㊁E u l e r以及A L E 算法,光滑粒子流体动力学(s m o o t h e d p a r t i c l eh y d r o d y n a m i c s,S P H)方法[1]集合了无网格法㊁拉格朗日法和粒子流法的优势,能够避免L a g r a n g e算法中的网格畸变问题㊁E u l e r算法中的重分和输运计算问题以及A L E算法兼具双重网格属性带来的计算耗时较长等问题㊂S P H法所具有的无网格属性可以避免网格扭曲变形造成的精度损失,拉格朗日属性可以得到较为准确的模拟结果,粒子属性能够较好地展现爆炸冲击所产生的成坑㊁物质飞溅等破坏现象㊂但是由于算法差异,S P H法相对于传统的F E M数值算法计算效率较低,且在边界处理上也存在着一定的问题㊂针对S P H法存在的问题,诸多学者提出了S P H-F E M耦合法,即建模时将爆炸近区大变形区域采用S P H建模,而在爆炸远区的小变形区域采用F E M建模㊂这样既能避免大变形区域内的网格畸变,又可以减少S P H的计算域,从而大大提高计算效率㊂胡英国等[2]采用S P H-F E M耦合法对深孔梯段爆破的动力效应进行了数值模拟,模型在爆破近区采用S P H粒子,远区采用有限单元,得出该耦合算法能够较为准确地模拟爆破近区的岩体运动和损伤特征;王维国等[3]模拟了炸药在砂土地基中的触地爆炸,分别比较了纯S P H模型和S P H-F E M耦合模型对计算结果的影响,得出纯S P H模型计算耗费的时间约是S P H-F E M耦合模型的3倍,而计算精度基本保持一致,模拟得到的爆炸成坑效果与经验值相一致;崔溦等[4]采用S P H-F E M耦合数值法,研究了土中钢筋混凝土箱涵的爆炸动力响应问题,其将S P H 法用于模拟爆破近域土体,而F E M法用于模拟远场土体和钢筋混凝土箱涵;L u等[5]研究地下结构在浅埋炸药爆炸作用下的动态响应时,分别针对二维和三维的S P H-F E M模型进行数值比较,得出二维模型计算的结果更为精确且波形稳定;K o n e s h w a r a n等[6]在分析地表炸药爆炸对地下隧道的破坏效应*收稿日期:2017-06-16;修回日期:2017-09-23基金项目:国家自然科学基金项目(51579062,51379147)第一作者:王志亮(1969 ),男,博士,教授,c v e w z L@h f u t.e d u.c n㊂时,对炸药及其附近的土体采用S P H 粒子,并讨论了常见的几种S P H -F E M 耦合方法;V U Y S T 等[7]结合平板对撞的例子,讨论了S P H 法㊁F E M 法以及S P H -F E M 耦合算法在计算效率和精度上的差异,得出S P H -F E M 耦合算法效果最佳,并在刚形体跌落入水以及子弹击穿靶板例子上得到良好验证;杨刚等[8]模拟炸药在混凝中爆炸时,分别采用纯E u l e r 算法㊁纯S P H 算法㊁E u l e r -L a g r a n g e 耦合算法以及S P H -L a g r a n g e 耦合算法,指出用纯E u l e r 算法或纯S P H 算法描述混凝土时,计算得到的压力时程曲线在衰减段会有较大的数值波动㊂相比较而言,E u l e r -L a g r a n g e 耦合算法以及S P H -L a g r a n g e 耦合算法模拟效果较好㊂H o l m q u i s t -J o h n s o n -C o o k (H J C )本构模型[9]是针对混凝土材料提出的一种率相关的损伤本构模型,能有效地计算混凝土在高应变率下的大变形问题㊂由于该模型能够较好地描述混凝土在高速碰撞㊁侵彻以及爆炸作用下的力学行为,适用于拉格朗日和欧拉算法,现已被L S -D Y N A 程序引入,并被广泛运用[10-15],纪冲等[16]㊁梁超[17]还将S P H -F E M 耦合法结合H J C 本构模型运用到弹体侵彻混凝土上,而目前基于S P H -F E M 耦合法模拟混凝土爆破的公开发表的成果很少,结合爆破问题对H J C 本构中各参数敏感度进行分析的研究更少㊂本文中针对C 30混凝土中的爆破成坑等问题,开展较深入的研究,力图得出一些具有参考价值的结论㊂1 算 法1.1 S P H 基本原理S P H 方程可表述[1]如下㊂第一步:使用积分表达式对函数进行近似,任一函数f (x )的积分近似表达式为:f (x )=ʏf (x ᶄ)W (x -x ᶄ,h )d x ᶄ(1)式中:积分域为整个问题域空间,W (x -x ᶄ,h )为光滑核函数,h 为光滑长度㊂图1粒子近似法F i g .1P a r t i c l e a p p r o x i m a t i o nm e t h o d 第二步:粒子近似法,即用粒子函数对式(1)的积分表达式离散化,通过对离散化的粒子插值得到函数值,也就是使用光滑核函数W 影响范围内的临近粒子j 的运动信息求和平均代替参考粒子i 的运动状态,则粒子i 处的函数近似式为:f (x i )=ðNj =1m j ρj f (x j )W x i -x j ,()h (2)式中:m j ㊁ρj 分别为粒子j 的质量和密度(j =1,2, ,N ),N 为在粒子i 的支持域内粒子数的总量㊂对粒子i 的求解可通过使用光滑核函数W 支持域内的粒子j 求和得到(见图1)㊂图中h 为光滑长度,W 为光滑核函数,κ是与x 处光滑函数相关的常数,Ω表示支持域,S 为粒子作用边界㊂图2节点与面之间接触F i g .2C o n t a c t b e t w e e nn o d e s a n d s u r f a c e s 1.2 S P H -F E M 耦合方式S P H -F E M 耦合法的关键是在最靠近有限元网格的一排S P H 粒子如何顺利地将各物理力学信息传递给有限单元㊂目前比较常见的有三种方法[6]:第一种是将靠近S P H 粒子的有限单元上的节点赋予粒子属性,S P H 粒子将各信息传递给有限单元上的节点,再通过节点传递给单元;第二种是在S P H 粒子与有限单元之间建立混合区,该区域粒子与单元相互重合,将粒子携带的信息过渡到单元上;第三种是通过定义节点与面之间的接触来传递信息(见图2),常见的包括滑动接触和固连接触[3]㊂本文中采用固连接触的方式将S P H 粒子与有限单元联系起0241爆 炸 与 冲 击 第38卷来,最靠近有限元网格的S P H 粒子将从其他粒子传递过来的能量㊁动量以及运动方程等物理力学信息传递给有限单元,同时以点-面固结的方式保证两者间位移与变形的协调㊂接触通过在L S -D Y N A 中建立模型后生成的k 文件中添加关键字C O N T A C T _T I E D _N O D E S _T O _S U R F A C E 来定义[18],并通过关键字C O N T R O L _C O N T A C T 调节接触刚度等参量㊂2 本构模型2.1 混凝土材料模型H J C 损伤本构模型考虑了高静水压力㊁高应变率和材料的损伤效应,主要包括三个部分:强度模型㊁状态方程和损伤模型[9,18]㊂强度模型是以特征化等效应力进行描述,可表示为:σ*=[A (1-D )+B P *N ][1+C l n (ε㊃*)](3)式中:σ*=σ/f c 为特征化等效应力;σ为实际等效应力;fc 为静态单轴抗压强度;S m a x 为最大特征化等效应力,且满足σ*ɤS m a x ;D 为损伤变量;P *=P /fc 为特征化压力,其中P 为静水压力;ε㊃*=ε㊃/ε㊃0为特征化应变率,ε㊃为实际应变率,ε㊃0=1.0s -1为参考应变率;C 为应变率影响参数;A 为特征化黏性强度系数;B 为特征化压力硬化系数;N 为压力硬化指数;A ㊁B ㊁N 和S m a x 统称为极限面参数㊂状态方程如图3所示,用于描述静水压力和体积应变之间的关系,整个过程可分为弹性阶段㊁塑性阶段和密实阶段[10]㊂图3中P 为静水压力;μ为体积应变;μc r u s h 为达到材料弹性极限时的体积应变;P c r u s h 为材料达到弹性极限时的静水压力;μp l o c k 为与压实静水压力P l o c k 对应的体积变形;μl o c k 为达到压实极限时的体积应变;μ-=(μ-μl o c k )/(1+μl o c k )为修正后的体积应变;K 1㊁K 2和K 3为压力常数㊂损伤模型如图4所示,由等效塑性应变和体积应变累积而成,其演化方程为:D =ðΔεp +Δμp εf p +μf p (4)D 1(P *+T *)D 2ȡE F m i n (5)式中:Δεp ㊁Δμp 为等效塑性应变增量和塑性体积应变增量;εf p +μf p 表示当前积分步下的塑性应变;T *=T /f c 为特征化拉力,T 为材料拉伸强度;D 1㊁D 2为损伤常数;E F m i n 为材料断裂时的最小塑性应变㊂图3状态方程F i g .3E e q u a t i o no f s t a t e 图4损伤模型F i g .4D a m a g em o d e l 本文中涉及到的C 30混凝土[19-20]基本力学参数为:密度ρ0=2400k g /m 3,抗压强度f c =39.2M P a ,抗拉强度T =3.162M P a ,弹性模量E =33.4G P a ,泊松比ν=0.202㊂混凝土剪切模量G 和体积模量K 根据下式确定:G =E /[2(1+ν)](6)K =E /[3(1-2ν)](7)求得G =13.89G P a ,K =18.68G P a ㊂混凝土达到弹性极限时的静水压力P c r u s h 和体积应变μc r u s h 可由下式确定:P c r u s h =f c /3(8)1241 第6期 王志亮,等:混凝土爆破损伤的S P H -F E M 耦合法数值模拟μc r u s h =P c r u s h /K (9)求得P c r u s h =13.07M P a ,μc r u s h =0.0007㊂损伤参数D 1可按照公式D 1=0.01/(1/6+T *)确定,其中T *=T /fc ,求得D 1=0.04㊂参数D 2和S m a x 对模拟结果的影响很小[10,14],因此D 2按文献[9]取为1,S m a x 取为7㊂文献[19]针对C 30混凝土在考虑率型微损伤演化的条件下改进了J o h n s o n -C o o k 模型,并基于相关实验给出了极限面参数A ㊁B ㊁N 及应变率影响参数C 的值,所提出的模型在混凝土动态实验中得到了良好的应用㊂本文中基本力学参数大多取自文献[19],考虑到H J C 各参数之间耦合紧密,故参数A ㊁B ㊁N 和C 仍取自文献[19]㊂状态方程参数P l o c k ㊁μl o c k ㊁K 1㊁K 2和K 3在缺乏实验数据的情况下,大多取自文献[9]㊂根据文献[11]对F S 的假设,认为混凝土达到极限密度ρm a x 时,体积应变达到最大值μm a x ,即:F S =f (P )m a x =D 1(P *m a x +T *)D 2(10)式中:F S 是在混凝土单元在最大静水压力P m a x 作用下发生断裂的塑性应变;D 1,D 2为损伤常数;T *=T /f c 为材料所能承受的最大特征化拉力;P *m a x =P m a x /f c 为材料最大特征化静水压力㊂本次研究的混凝土性质与文献[11]差别不大,故F S 参照取1.34,则最终确定的C 30混凝土H J C 参数如表1所示㊂表1C 30混凝土H J C 参数T a b l e 1H J C p a r a m e t e r s o fC 30c o n c r e t eρ0/(k g ㊃m -3)f c /M P a A B C S m a x G /G P a T /M P a D 1D 2240039.21.051.650.007713.893.1620.041P c r u s h/M P a μc r u s h P l o c k /G P a μl o c k K 1/G P a K 2/G P a K 3/G P a E F m i n N F S 13.070.00070.80.185-1712080.010.761.342.2 炸药材料模型炸药按均匀连续介质考虑,采用MA T _H I G H _E X P L O S I V E _B U R N 材料模型和J W L 状态方程精确描述爆炸过程中爆炸产物的体积㊁压力以及能量特性,表达式为[18]:P =A 1-ωR 1æèçöø÷V e -R 1V +B 1-ωR 2æèçöø÷V e -R 2V +ωE 0V (11)式中:P 为爆轰压力,V 为相对体积,E 0表示初始体积内能,A ㊁B ㊁R 1㊁R 2和ω为炸药常数㊂炸药各参数取值分别为[21]:ρ=1630k g /m 3,D v =6930m /s ,P c j =27.0G P a ,A =374G P a ,B =7.33G P a ,R 1=4.15,R 2=0.95,ω=0.3,E 0=7.0G J /m 3,V 0=1.0㊂2.3 土体材料模型 土体采用MA T _S O I L _A N D _F O AM 材料模型,其理想塑性屈服函数为[18]:ϕ=J 2-(a 0+a 1σ+a 2σ2)(12)式中:J 2=σi j σi j /2,σi j 为偏应力分量;σ为平均应力;常数α0㊁α1和α2为无量纲曲线J 2-σ二次拟合曲线常数项㊂土体主要计算参数为[22]:密度为1.80g /c m 3,剪切模量为16.01M P a ,体积卸载模量为1.26G P a,剪切屈服面参数α0=2.4ˑ106P a 2,α1=1.360ˑ104P a 和α2=0.1232㊂3 模拟分析3.1 模型建立穆朝民等[20]㊁李重情等[23]为研究变埋深条件下混凝土中爆炸压力和加速度的传播规律,进行了多组实验㊂实验设计在室外空旷地区,在地上开挖一个边长为3m 的立方体爆坑,沿深度方向布设6个测点,用于安装压力传感器和加速度传感器,然后现场浇筑混凝土直至填满实验坑,并在浇筑时预留装药孔,填装1k g T N T ,最后进行爆炸实验㊂本文以此实验为基础,对其进行数值模拟㊂文献[20,23]给出了炸药在不同埋深条件下包括装药比例距离为-0.25m /k g 1/3的空爆(炸药悬置空中距混凝土表面2241爆 炸 与 冲 击 第38卷0.25m )㊁-0.053m /k g 1/3的触地爆(炸药置于混凝土表面)㊁0m /k g 1/3的半埋爆(炸药半埋于混凝土中,且炸药中心处于混凝土顶面中心处)以及0.8m /k g 1/3的全埋爆(炸药全部埋于混凝土内且距混凝土表面0.8m )等爆炸实验结果,而其中只给出了装药比例埋深为0和0.8m /k g 1/3时相应的压力和加速度时程数据㊂因此,为方便将模拟结果与实验结果进行对比,同时更好地展现爆炸破坏的效果,本文中选择模拟装药比例埋深为0m /k g 1/3的半埋爆情况㊂图5物理模型(单位:c m )F i g .5P h y s i c a lm o d e l (u n i t :c m )物理模型如图5所示,立方体混凝土边长为300c m ,炸药选用1k g T N T ,按照等体积原则将炸药简化成尺寸为8.5c mˑ8.5c mˑ8.5c m 的立方体㊂混凝土的四周及底部与土体接触,土体厚度均取10c m ㊂测点1~6距炸药中心的距离依次为25.5㊁51.5㊁81.0㊁125.6㊁187.9和250.4c m ㊂计算模型如图6所示,由于模型具有对称性,为节省计算时间只建了1/4模型㊂考虑到混凝土采用的是H J C 本构模型,该模型无法模拟混凝土在爆炸荷载作用下的裂纹扩展㊁破碎等过程,因此通常情况下需要添加单元失效准则MA T _A D D _E R O S I O N ,使处于破坏区的单元失效以形成破坏效果㊂然而,单元失效准则对粒子并不起作用,粒子只会产生运动而不会凭空消失,此时如果混凝土粒子区域选择得过小,爆炸荷载传递到混凝土近区的有限单元上导致该处的单元删除,则粒子与单元之间的接触算法会失效,影图6计算模型F i g.6C a l c u l a t i o nm o d e l 响压力波的传播和单元与粒子之间位移变形的协调性㊂如果不添加单元失效准则,爆炸近区混凝土有限单元会发生变形,形成 杯口状 的凸起,跟实际的爆破形态并不一致;若将粒子区域取得过大,这样不仅会造成计算时间的增加,对应的存储空间也会急剧增加,一般的计算机很难满足要求㊂经过多次尝试,最终将该部分混凝土(近区)的尺寸设定为30c mˑ30c mˑ30c m ㊂由于粒子能够很好地展现混凝土破碎与抛掷等过程,因此本模型中无需添加单元失效准则㊂模型主要在L S -D Y N A 软件中建立,结合关键字的添加与修改,大体可分为三步:(1)在L S -D Y N A 中建立F E M 模型;(2)采用s o l i d c e n t e r 建立S P H 模型;(3)在L S -D Y N A 中求解,用L S -P R E P O S T 处理计算结果,详见图7㊂在边界处理上,土体外侧及底面设定透射边界,用来模拟该方向的无限区域;土体内侧与混凝图7建模过程F i g .7M o d e l i n gp r o c e s s 3241 第6期 王志亮,等:混凝土爆破损伤的S P H -F E M 耦合法数值模拟土相接触的部分定义面面接触,并考虑摩擦力的影响;对称面处设置S P H 对称边界和F E M 对称边界,用以约束单元和粒子在对称面处的法向运动;混凝土(近区)粒子与混凝土(远区)有限单元之间采用固连接触的方式定义耦合算法,即通过添加关键字C O N T A C T _T I E D _N O D E S _T O _S U R F A C E 来定义㊂3.2 结果分析图8展示了1k g T N T 炸药半埋爆炸时爆坑的形成过程㊂在爆炸初期,随炸药能量的释放,由于冲击波压力远大于混凝土的动态抗压强度,炸药爆炸产生的高压气体迅速破碎了炮孔周围的混凝土㊂同时,应力波在混凝土中引起了径向和环向拉应力,导致大量裂隙出现,并向自由面方向扩展㊂自由面处的混凝土在反射拉应力作用下被拉裂㊁发生片落,并在爆生气体的作用下产生抛掷㊂随着爆生气体膨胀和楔入,径向和环向裂隙进一步扩大,抛掷现象加剧,爆破漏斗逐步形成㊂最后,炸药能量耗散殆尽,其中一部分通过自由面直接扩散到空气中,另一部分能量则被用于破碎㊁抛掷混凝土以及形成爆炸震动波,爆破漏斗形态渐趋稳定㊂图8爆坑形成过程F i g .8P r o c e s s o f b l a s t c r a t e r f o r m a t i o n 为研究爆炸波在混凝土中的传播特性,同时与实测数据作对比,采用1k g T N T 炸药,则测点1~6距炸药中心的比例距离Z 依次为0.255㊁0.515㊁0.810㊁1.256㊁1.879和2.504m /k g 1/3㊂考虑到各测点曲线峰值相差较大,图9~10仅显示了中间4个测点相关的压力时程曲线和加速度时程曲线㊂图9各测点压力时程曲线F i g .9P r e s s u r e -t i m e c u r v e s a t d i f f e r e n t m e a s u r i n gp o i n ts 图10各测点加速度时程曲线F i g .10A c c e l e r a t i o n -t i m e c u r v e s a t d i f f e r e n t m e a s u r i n gp o i n t s 由图9~10可以看出,炸药起爆后应力波迅速传播,当达到测点后,压力和加速度在很短的时间内迅速达到峰值,然后逐渐衰减,最后趋近于零㊂不同测点处的压力和加速度有所差异,即随着测点与药包比例距离的增加,测点处的峰值压力和峰值加速度逐渐减小,正压作用时间有所延长㊂图9中各测点的压力在经历过正压段后出现持续时间较长且峰值较小的负压段,这可能是由于混凝土试样较小,爆炸波传播到四周边界后经多次反射作用造成的[24];图10中各测点加速度呈现单峰且峰后出现连续的小幅度数值振荡,这也与实际结果较为吻合[20]㊂表2为不同测点处实测数据[20,23]与计算结果的对比,可以看出计算得到的峰值压力与对应的实测数据吻合度较高,误差基本在ʃ12%以内,而峰值加速度相对而言误差偏大,但大多也都在ʃ20%以内㊂4241爆 炸 与 冲 击 第38卷表2不同测点处计算结果与实测结果对比T a b l e 2C o m pa r i s o nb e t w e e nc a l c u l a t ed re s u l t s a n dm e a s u r e d r e s u l t s a t d if f e r e n t t e s t p o i n t s 测点比例距离Z /(m ㊃k g -1/3)峰值压力P m /M P a 实测计算误差/%峰值加速度a m /(m ㊃s -2)实测计算误差/%10.25595.2993.81-1.5563.85ˑ10459.13ˑ104-7.3920.51526.8124.43-8.8812.20ˑ10411.04ˑ104-9.5130.81011.7713.1611.814.01ˑ1045.32ˑ10432.8341.2564.824.901.661.53ˑ1041.75ˑ10414.4951.8792.562.580.780.74ˑ1040.84ˑ10413.8262.5041.591.632.520.32ˑ1040.38ˑ10417.833.3 H J C 参数敏感度分析模型参数的敏感度分析是指研究一个或多个不确定性参数的变化对计算结果产生的影响,即模型对某个参数或某组参数变化反应的敏感程度㊂通过敏感度分析,既可以识别对模型计算结果起决定性作用的参数,又可较好地评价参数偏差对计算结果产生的影响,这在本构参数确定与反演等方面有着广泛的应用㊂考虑到混凝土采用的H J C 本构参数涉及到21个之多,加上状态方程参数大多沿用文献[9],因此想要进一步提高模拟的精度,还需对各参数的敏感度进一步分析㊂依照每次分析所涉及到的参数个数,可将敏感度分析分为全局敏感度分析和局部敏感度分析,全局敏感度分析需要检验多个参数的变化对计算结果总的影响,同时评价每个参数及各参数之间对计算结果的影响;局部敏感度分析只需每次检验单个参数对计算结果的影响㊂考虑到H J C 本构模型各参数之间耦合紧密,若采用全局敏感度分析,一方面难以确定参数变化所遵循的标准和范围,另一方面要考虑到每个参数及各参数之间对计算结果的影响,计算量太大㊂因此,本文中采用局部敏感度分析法[10,13-14],即研究H J C 模型中单个参数变化对计算结果的影响㊂以0.515m /k g 1/3处的测点作为研究对象,采用控制变量法,将21个参数在表1的基础上分别单独作ʃ40%和ʃ20%的变化,将每次计算的结果(包括峰值压力和峰值加速度)与表1中初始参数计算结果的比值作为研究参数敏感度的指标[10,13]㊂通过大量的数值计算,得到C 30混凝土H J C 模型不同参数变化率下引起的峰值压力和峰值加速度的变化率,如图11~12所示㊂图11峰值压力对H J C 参数敏感性分析F i g .11S e n s i t i v i t y a n a l y s i s o f p e a k p r e s s u r e f o rH J C p a r a m e t e r s 图12峰值加速度对H J C 参数敏感性分析F i g .12S e n s i t i v i t y a n a l y s i s o f p e a ka c c e l e r a t i o n f o rH J C p a r a m e t e r s 可以看出,对峰值压力(P m )影响比较大的参数有9个:ρ㊁f c ㊁A ㊁B ㊁G ㊁P c r u s h ㊁μc r u s h ㊁P l o c k 和μl o c k ;对峰值加速度(a m )影响比较大的参数有7个:ρ㊁f c ㊁A ㊁B ㊁μc r u s h ㊁P l o c k 和μl o c k ㊂他们在参数变化区间内峰值变化率绝对值均ȡ10%,最高可达50%,而其他参数对结果的影响较小(ɤ5%)㊂为定量评价各参数对计算结果稳定性影响的敏感度,以0.515m /k g 1/3处的测点峰值的变化率5241 第6期 王志亮,等:混凝土爆破损伤的S P H -F E M 耦合法数值模拟6241爆炸与冲击第38卷M(x)作为目标函数,在某个参数变化率x=x i(i=1,2,3,4,5,对应的x i=-0.4,-0.2,0,0.2,0.4)处,目标函数M(x)对该参数变化率x i的敏感度S i可表示为[13]:S i=∂M(x)/∂x i(13)式中:敏感度S i表示M(x)在x=x i处的导数值,S i的绝对值越大,表示M(x)对x i越敏感㊂图11~12中各曲线大多呈线性或者抛物线变化,因此目标函数M(x)可按照多项式进行拟合,则不同参数的目标函数M(x)与参数变化率x的关系可表示为:M(x)=a0+a1x+a2x2+ +a n x n(14)将式(14)代入式(13),可得:S i=∂M(x)∂x i=a1+2a2x i+ +n a n x n-1i(15)参数变化率x区间内包含5个参数,即x=-0.4,-0.2,0,0.2,0.4,可取式(15)中绝对值的最大值来表示该参数的敏感度S:S=S i m a x(16)式中:S i为不同参数变化率x i处的敏感度,i=1,2,3,4,5㊂根据式(14)~(16),将图11~12中各曲线数据利用M a t l a b软件按照多项式进行拟合,拟合精度设在95%以上,之后求导并代入参数变化率x i,最终得到本模型各参数的敏感度S,见表3㊂表3参数敏感度T a b l e3P a r a m e t e r s e n s i t i v i t y敏感度ρf c A B C S m a x G T D1D2对P m的敏感度S0.55800.61200.46240.49930.16180.04921.29880.00620.00620.3144对a m的敏感度S0.34420.63370.26330.29330.13220.08580.35460.03580.00590.2095敏感度P c r u s hμc r u s h P l o c kμl o c k K1K2K3E F m i n N F S 对P m的敏感度S1.00010.62340.52150.79970.20950.23600.21840.01030.76550.0000对a m的敏感度S0.18290.76880.51461.45900.19430.07560.06750.01210.05040.0000表3定量给出了本模型对计算结果(峰值压力P m和峰值加速度a m)的敏感度,可见在H J C本构所有参数中,敏感度S>0.4的参数有:ρ㊁f c㊁A㊁B㊁G㊁P c r u s h㊁μc r u s h㊁P l o c k㊁μl o c k和N,这同图11~12中峰值变化率大于或等于10%所对应的参数基本上能保持一致㊂相比于侵彻类与碰撞类问题的模拟[10,12-14],对爆炸类模拟结果影响较大的H J C参数有很多,且对于不同的研究对象影响的程度也不同,其中除了极限面参数A和B之外,还涉及到状态方程中的三个参数μc r u s h㊁P l o c k和μl o c k,为此在模拟爆破类问题时,这些敏感度较大的参数需要结合实验结果来确定,而对于敏感度较小的参数可采用本文中所给的值,以减少重复实验确定参数的繁琐过程㊂4结论(1)采用S P H-F E M耦合法模拟炸药在混凝土中爆炸,能直观地展示了混凝土爆坑形态发展的全过程,固连接触的方式很好地解决了S P H法在处理边界问题上的缺陷,同时S P H-F E M耦合法计算的效率也较高㊂(2)给出了C30混凝土H J C模型各参数的确定过程,并基于确定的参数使用S P H-F E M耦合法对混凝土爆破成坑现象进行了模拟,计算结果与实测数据比较吻合,故所提出的H J C本构参数比较合理㊂(3)H J C本构参数对峰值压力和峰值加速度均有较大影响的参数主要有ρ㊁f c㊁A㊁B㊁μc r u s h㊁P l o c k 和μl o c k,故在模拟爆破类问题时,这些敏感度较大的参数需要结合专门实验加以确定,而对于敏感度较小的参数可采用本文建议值㊂参考文献:[1]韩旭,杨刚,强洪夫.光滑粒子流体动力学一种无网格粒子法[M].长沙:湖南大学出版社,2005.[2]胡英国,卢文波,陈明,等.S P H-F E M耦合爆破损伤分析方法的实现与验证[J].岩石力学与工程学报,2015,34(增刊1):2740-2748.HU Y i n g g u o ,L U W e n b o ,C H E N M i n g ,e ta l .I m p l e m e n t a t i o na n dv e r i f i c a t i o no fS P H -F E M c o u p l i n g b l a s t i n gd a m a ge a n a l y t i c a lm e t h o d [J ].C h i n e s e J o u r n a l o fR o c k M e c h a n i c s a n dE n g i n e e r i n g ,2015,34(s u p p l 1):2740-2748.[3] 王维国,陈育民,刘汉龙,等.基于S P H -F E M 耦合法的土体爆炸效应数值研究[J ].岩土力学,2013,34(7):2104-2110.WA N G W e i g u o ,C H E N Y u m i n ,L I U H a n l o n g ,e t a l .N u m e r i c a l s i m u l a t i o nof e x p l o s i o n i n s o i l b a s e do n a c o u p l e d S P H -F E Ma lg o r i th m [J ].R o c ka n dS 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d r a u l i cE n g i n e e r i n g,H e f e i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y,H e f e i230009,A n h u i,C h i n a)A b s t r a c t:T o i m p r o v e t h e c a l c u l a t i o n e f f i c i e n c y a n dd e s c r i b e t h e f a i l u r e p r o c e s s o f c o n c r e t e u n d e r b l a s t l o a d i n g,a c o u p l e dS P H-F E M a l g o r i t h m w a su s e dt os i m u l a t eb l a s t c r a t e ro f c o n c r e t e i nt h i ss t u d y.F i r s t,b a s e do n t h e p a r t i a lH o l m q u i s t-J o h n s o n-C o o k(H J C)c o n s t i t u t i v e p a r a m e t e r so fC30c o n c r e t e, a n d t h e r e m a i n i n g p a r a m e t e r s d e t e r m i n e d v i a t h e o r e t i c a l d e r i v a t i o n,t h e n u m e r i c a l c a l c u l a t i o nw a s p e r-f o r m e d a n d t h e r e s u l t sw e r e t h e n c o m p a r e dw i t h t h em e a s u r e dd a t ab y t a k i n g t h e p a r a m e t e r s i n t o t h e n u m e r i c a lm o d e l.T h es e n s i t i v i t i e so f21p a r a m e t e r s f o r t h e H J C m o d e lw e r ef i n a l l y a n a l y z e d w i t h p e a k p r e s s u r e a n d p e a k a c c e l e r a t i o n.T h e r e s u l t s s h o wt h a t t h e c o u p l e dS P H-F E Ma l g o r i t h mc a n s i m-u l a t e t h ew h o l e p r o c e s so fb l a s t c r a t e ru n d e r t h eb l a s t l o a d i n g,a n d i tm a y a c c u r a t e l y d e a lw i t ht h e S P Hb o u n d a r yp r o b l e m.B a s e do n t h e p a r a m e t e r s o fC30c o n c r e t eH J C m o d e l,t h e c a l c u l a t e d r e s u l t s o f t h e c o u p l e da l g o r i t h ma g r e ew e l l w i t h t h e e x p e r i m e n t a l o n e s,w h i c hd e m o n s t r a t e s t h e r a t i o n a l i t y o f t h e d e t e r m i n i n g m e t h o d f o rH J Cc o n s t i t u t i v e p a r a m e t e r s.I na d d i t i o n,t h e p a r a m e t e r sh a v ed i f f e r e n t s e n s i t i v i t i e s t o t h er e s u l t so fb l a s t p r o b l e m,a n dt h e s e p a r a m e t e r ss i g n i f i c a n t l y i n f l u e n c i n g t h e p e a k p r e s s u r e a n d p e a ka c c e l e r a t i o n s h o u l db e p a i d e n o u g ha t t e n t i o n i n t h e p r o c e s s o f i t s d e t e r m i n a t i o n. K e y w o r d s:c o n c r e t e;b l a s t i n g d a m a g e;c o u p l e dS P H-F E M a l g o r i t h m;H J Cc o n s t i t u t i v e m o d e l;p a-r a m e t e r s e n s i t i v i t y(责任编辑曾月蓉)。
渗流—应力耦合作用下岩石损伤破裂演化模型与煤层底板突水机理研究
结论
本次演示对带压开采下底板渗流与应力耦合破坏突水机理进行了深入研究， 建立了底板渗流与应力耦合数学模型，并利用数值模拟和物理模型试验验证了其 可靠性。研究结果表明，底板岩层在渗流作用下的变形、破裂和失稳是带压开采 下底板渗流与应力耦合破坏突水的主要原因。为保障矿山安全生产，建议在采矿 过程中采取以下措施：
1、研究对象多为单一的渗流模型或应力模型，缺乏对底板渗流与应力耦合 作用的深入研究；
2、研究方法多以数值模拟为主，缺乏足够的物理模型试验验证；
3、对底板渗流与应力耦合破坏突水机理的认识尚不充分，缺乏统一的科学 描述。
研究方法
本次演示采用理论分析、数值模拟与物理模型试验相结合的方法，对带压开 采下底板渗流与应力耦合破坏突水机理进行研究。首先，基于渗流理论和应力分 析，建立底板渗流与应力耦合数学模型；其次，利用数值模拟软件对模型进行模 拟分析，探讨底板渗流与应力的相互作用机制；最后，通过物理模型试验验证数 值模拟结果的可靠性。
文献综述
针对岩石损伤破裂演化模型的研究，已有学者开展了大量工作。其中，基于 应力和渗流的多物理场耦合模型在岩石损伤破裂演化分析中具有重要意义。然而， 在研究煤层底板突水机理时，该模型的适用性和准确性有待进一步验证。此外， 岩石损伤破裂演化模型在复杂应力条件下的变形破裂行为研究仍然不足，因此， 本次演示将重点探讨这一方面的内容。
在岩石损伤破裂演化模型方面，本次演示采用基于应力场和渗流场的耦合模 型进行模拟分析。通过将实验结果与模型模拟进行对比，发现该模型能够较好地 描述岩石和煤层底板在渗流-应力耦合作用下的损伤破裂演化过程。此外，本次 演示还分析了不同应力条件下岩石和底板的破裂模式和临界条件，发现应力分布、 材料强度和孔隙率等因素对损伤破裂演化具有重要影响。
混凝土断裂过程区考虑应力—应变全曲线损伤的损伤模型
混凝土断裂过程区考虑应力—应变全曲线损伤的损伤模型摘要：由于微裂缝不断形成和扩展，在混凝土结构宏观裂缝前缘存在一定范围断裂过程区。
混凝土曲线中，应力达到峰值之前损伤较少，但也有一定影响，考虑全曲线损伤有一定的实际意义，基于虚拟裂缝模型，结合损伤力学，建立损伤模型，计算断裂过程区等效裂缝长度值及其相应的临界损伤度。
关键词:断裂过程区，损伤模型，损伤度，等效缝长。
Abstract: due to the constantly forming tiny cracks and expand, in the concrete structure crack front range, there are certain macro fracture process area. Concrete curve, the peak stress before less damage, but also have certain effects, considering all the curve is of certain practical significance damage, based on virtual crack model, combined with the damage mechanics, establish damage model, the calculation of fracture process area equivalent crack length value and corresponding critical degree Dl.Keywords: fracture process area, damage model, degree, equivalent seam long1引言本文以初始缝长的混凝土单轴拉伸构件为研究对象，考虑混凝土全曲线损伤的影响，基于虚拟裂缝模型[1]，分析该情况下形式的损伤演变方程和损伤模型，运用损伤力学理论推导断裂过程区[1[2]的等效裂缝长度及其相应的临界损伤度的计算公式。
混凝土塑性损伤耦合本构数值模拟
混凝土塑性损伤耦合本构数值模拟摘要：以滚石冲击棚洞结构为原型，对在滚石冲击作用下棚洞的接触力、位移、损伤、能量进行了研究。
通过ABAQUS有限元软件对滚石冲击过程进行数值模拟可知：滚石以不同速度和入射角对棚洞冲击对混凝土防护结构的接触力、位移都有很大的影响；混凝土防护结构损伤最严重的地方发生在与滚石接触的区域，其次是在斜腿柱上端和同柱子连接的横梁处损伤也很严重，在实际工程中首先应注意加强柱子上端与横梁连接处强度防止损坏。
关键词：混凝土，滚石冲击，损伤，数值分析1 棚洞结构滚石灾害综述棚洞是指明挖路堑后，构筑简支的顶棚架，并回填而成的洞身，属于明洞范畴的隧道。
棚洞不仅对公路边坡具有支挡作用，而且同时还对公路有充当隧道的功能。
棚洞结构本身比较轻巧能与周围环境较好融合，其结构在斜柱间存在大面积的开孔空隙，增加了棚洞结构的采光度，减少了通风、照明的运营成本。
在山区或丘陵地区崩塌和落石是常见的地质灾害，因此棚洞作为一种环保经济的结构必须保证具有良好的安全性[1]。
混凝土类材料结构通过引入“损伤变量”的内部状态变量来描述含微观缺陷材料的力学效应-受损材料的力学行为，以便更好地预测工程材料的变形、破坏和使用寿命等[2]。
目前，国内对滚石灾害的基础研究比较薄弱，国家还没有可供参考的滚石防护结构设计方面的技术规范和技术标准，广大工程技术人员对滚石灾害的防护设计无据可依，因而存在很大的盲目性。
例如：在汶川大地震中，宝成铁路109隧道洞口棚洞因地震引起崩石严重砸坏钢筋混凝土防护结构，导致在隧道中行驶的火车受损并着火，带来巨大的人员伤亡和经济损失。
因此，开展滚石作用下棚洞的数值模拟研究，探索在滚石冲击荷载作用下棚洞上的位移和作用力，进而提出安全合理的棚洞设计理论，对于保证这些生命工程的安全具有重要的科学意义和现实意义[3-5]。
如图1实际工程当中的棚洞2 基于ABAQUS下的滚石冲击棚洞的模型设计分析2.1模型建立由于棚洞是对称结构，因此完全可由棚洞的一段来代替整个棚洞，本文只取棚洞的一段来建立模拟模型。
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引 言
在混凝 土大 坝和 水工混 凝土 结构 中，裂缝 是主 要病 害 隐患之 一 。裂 缝 的存在 ，轻 则影 响水工 混凝 土 结构 的美观 和完整 性 ，重则 降低 水工混 凝土 结构 的寿 命 ，危害 水工混 凝 土结构 的安 全运行 ，造 成水 工混 凝土 结构 的渗水 漏 水 ，降低 使用 的稳定 安全 系数 。 因此 ，对 于水 工混 凝土 结构 中 出现 的裂缝 ，
ＺＨＡＮＧ ｎ Ｍ ＥＮＧ ｎ Ｙｏ ｇ ， Ｄａ ２
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要： 从基础理论方面研究混凝土材料渗流和应力的耦合作 用机 理， 首先叙述了混凝 土材 料细观和 宏观 的联系 ， 分析 了混凝土的渗透特性 以及 耦合 的基本概念 。在经典 Ｂ ｏ 渗流 力学基本方程 的基础上 ，增加一个反映渗流系 ｉｔ 数和孔 隙变化关系 的耦合方程 ，并结合 混凝 土的弹性损伤 本构方程，引入渗流突跳系数 这一概念 ，提 出了复
杂应力作用下混凝土损伤演化过程 渗流 一应力耦合方程 。 本模型通过渗流 、 应力和损伤的相互作用反映 出材料的
宏观复杂破坏现象和非线性行 为。
关键词 ：混凝土破裂 ；渗流；应力；损伤；耦合模型
中图分类号 ：Ｏ ３６５ ５ ． ４ ．：Ｏ３ ７３ 文献标识码 ：Ｂ
Ｃｏ ｐ ｉ ｇｏ ｅ ａ ｅａ ｄ ｓ ｅ ｓａ ｄｄ ｍ ａ ｅｏ ｏ ｃ ｅｅｂ ｅ ｋ ｕ ｌ ｆｓ ｐ ｇ ｎ ｔ ｓ ｎ ａ ｇ ｆ ｎ ｒ ｔ ｒ ａ ｎ ｅ ｒ ｃ
第 ２ 卷第 ５ ７ 期
、０ ． ，１ ２７ Ｎｏ ５ ．
辽宁工程技术大学学报 （ 然科 学版 ） 自
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆ ｉｏ ｉｇＴ ｃ ｎｃ ｌ ｉｅｓｔ （ ｔｒｌ ｃｅ ｃ ｏ ｒａ ａ ｎｎ ｅ ｈ ｉａ ｖ ｒｉ ｏＬ Ｕｎ ｙ Ｎａｕ ａ ｉｎ ｅ） Ｓ
２０ ｏ ８年 １ ０月
０ｃ ． ｔ ２ ８ ００
文章编 号 ： １０ —５２２０ ）５０ ８－３ ０ ８０ ６（０ ８０ —６００
混凝土破裂过程渗流 一应力 孟
丹
（． １ 青岛理工大学 基建处 ，山东 青 岛 ２ ６ ３ ；２青 岛理工大学 土木工程学 院，山东 青 岛 ２ ６ ３ ） ６０３ ． ６０３