随着我国水利水电工程建设规模的日益扩大,大坝的高度不断攀升,混凝土坝体,尤其是高坝的坝踵部位易在高渗透水压作用下发生渗透损伤破坏,渗流与应力、损伤耦合数值分析成为必然。但对混凝土力学性质的认识不够准确,以及对混凝土渗透损伤破坏机理的研究不够完善,至今仍存在许多值得研究的课题。本文以数值分析手段为主,围绕混凝土弹塑性损伤与渗透耦合数值模型中存在的关键问题,主要展开以下工作:(1)针对现有混凝土弹塑性损伤模型中的塑性屈服函数因人而异,不够系统问题,及其在描述混凝土材料的“单边效应”特性以及多轴状态下拉、压损伤变量的相互影响等方面存在的不足。首先基于连续损伤力学和不可逆热力学理论,采用修正的显式本构积分算法,建立了基于统一强度理论的混凝土弹塑性强化模型,然后在此基础上定义混凝土拉、压损伤变量,并基于拉、压弹塑性损伤能释放率建立损伤演化法则,同时通过引入反向加载影响因子来反映混凝土材料的单边效应及其在多轴状态下拉、压损伤变量的相互影响,并最终建立了一套能够较好反映混凝土材料单边效应的双标量弹塑性损伤模型。通过对素混凝土单轴和多轴试验进行数值模拟,初步验证了模型的有效性,而通过对含I型裂缝的三点弯曲简支梁试验和重力坝进行数值模拟,进一步验证了模型在结构非线性分析中的能力,为高渗透水压作用下的混凝土弹塑性损伤数值分析奠定基础。(2)针对已有渗流-应力耦合理论并不能体现损伤、裂缝出现后引起的渗流各向异性,也无法体现裂缝的走向和裂缝的张开宽度等问题。本文分别建立不同应力阶段混凝土渗透系数与应力、损伤和考虑裂缝效应的耦合方程。在损伤前,综合已有的研究成果,直接建立混凝土材料渗透系数与应力的耦合关系,并在此基础上进一步建立混凝土渗流-弹塑性应力耦合模型,并结合算例验证了模型的正确性;在损伤后,对已有的研究成果进行修正,并以损伤变量为桥梁,直接建立混凝土渗透系数与损伤变量的耦合关系,同时通过引入一个敏感系数来控制渗流-损伤的耦合程度;出现宏观裂缝后,引入损伤破坏阈值这一概念,将损伤值大于阈值的区域定义为裂缝,并用损伤张量的主方向来定义裂缝的开裂方向,同时,基于裂缝带模型的思想,利用与损伤(裂缝)走向垂直方向的损伤塑性变形近似定义裂缝宽度,最后基于立方定理建立了裂缝出现后渗透系数与裂缝宽度的耦合关系,进一步完善了渗流-应力耦合理论。(3)针对已有的混凝土渗流-弹塑性损伤耦合模型实现困难且不健全等问题。首先基于文中建立的弹塑性损伤模型、ABAQUS自带的渗流方法以及开发的渗流-应力完全耦合程序,建立了一套可以描述混凝土渗透损伤破坏全过程的渗流-弹塑性损伤耦合模型,然后利用该模型对龙滩碾压混凝土重力坝进行了不同受力阶段下的水力劈裂损伤子模型分析。数值分析结果表明,混凝土重力坝在高渗透水压作用下发生损伤破坏,且高渗透水压作用对坝踵局部损伤区域的渗流场、应力场、塑性变形以及损伤等场变量的影响均较大。另外,随着坝前水位的继续升高,坝踵处的损伤逐渐演化成宏观裂缝,造成坝前全水头孔隙水压沿裂缝继续向前推进,加强了水力劈裂效应,使原来的损伤、裂缝区进一步扩展。
