高寒冻融环境中的水工混凝土动态特性及本构理论研究

Our country belongs to the high latitude and high altitude alpine region accounted for more than half the land area, and a large part of which area is still in the high earthquake intensity area, freeze-thaw deterioration is the main disease of concrete of hydraulic structures in these areas, bring the double threat complex geological environment and bad weather conditions to those regions of the hydraulic structures seismic safety. In order to strengthen hydraulic structures in alpine region of freeze thaw deterioration evaluation and seismic risk assessment techniques, the dynamic performance of hydraulic concrete has become the key scientific problems. To this end, the project plans through physical experiments and theoretical research, study on the performance of periodic freezing and thawing loads analysis theory of hydraulic concrete. To "freeze thaw deterioration of hydraulic concrete dynamic rate effect and its law of change, the dynamic mechanism of freeze-thaw damage of concrete deterioration of hydraulic and failure mechanism of freezing and thawing, the dynamic deterioration of hydraulic concrete constitutive theory" three big contents; try to solve the "freeze thaw deterioration of hydraulic concrete dynamic characteristics, freezing rate effect thaw deterioration of hydraulic concrete dynamic damage mechanism, freeze thaw deterioration of hydraulic concrete dynamic constitutive theory" three key scientific problems; efforts to achieve the "accurately grasp the freeze-thaw dynamic deterioration of hydraulic concrete rate effect characteristics and performance evolution; clearly proved its dynamic damage mechanism and failure mechanism of the dynamic of the careful construction; the constitutive theory" target.

我国属于高纬度与高海拔的高寒地区占了大半国土面积，而且其中很大一部分地区还处在高烈度地震地区，冻融劣化是这些地区混凝土水工建筑物的主要病害，复杂地质环境与恶劣气候条件给这些地区的水工结构抗震安全带来了双重威胁。为提高该地区水工结构冻融劣化评价与抗震风险评估的技术水平，水工混凝土的动态性能成了关键科学问题。为此，项目拟通过物理试验与理论研究，对周期性冻融荷载作用下水工混凝土的各项性能与分析理论展开研究。着力“冻融劣化水工混凝土动态率效应及其变化规律、冻融劣化水工混凝土动态损伤机理与破坏机制、冻融劣化水工混凝土动态本构理论”三大内容的研究；力图解决“冻融劣化水工混凝土动态率效应特性、冻融劣化水工混凝土动态损伤机理、冻融劣化水工混凝土动态本构理论”三个关键科学问题；努力达到“准确把握冻融劣化水工混凝土动态率效应特性及性能演化规律；清晰探明其动态损伤机理与破坏机制；缜密构建其动态本构理论”的目标。

根据项目研究计划，在我校自主研发的“10 MN大型多功能电液伺服静动力三轴仪”上开展了一系列的试验研究。.（1）开展了不同冻融循环次数混凝土在不同侧压大小作用下的双轴静态受压试验，分析了不同冻融循环次数后混凝土的质量损失规律，研究了冻融循环次数和侧压大小对应力-应变曲线、峰值应力、峰值应变、弹性模量的影响，探讨了冻融损伤机理，比较分析了不同冻融程度混凝土的单轴受压破坏形态和不同侧压大小下冻融混凝土的双轴破坏形态，基于经典的破坏准则建立了考虑冻融影响的混凝土双轴受压破坏准则。.（2）进行了不同冻融循环次数后混凝土在不同法向应力下的压剪强度试验，分析了冻融循环次数和法向应力对混凝土剪切强度、峰值应变、粘聚力与摩擦系数的影响；基于八面体应力空间二次抛物线形式的压剪破坏准则，构建了平面应力状态下考虑冻融循环次数的混凝土压剪破坏准则。.（3）对历经不同冻融循环次数的混凝土进行了不同应变速率的单轴循环加卸载试验，分析了冻融劣化混凝土应力-应变曲线外包络线的特征，定义了单轴循环加卸载的耗散能、弹性应变能和塑性应变能，研究了这3种能量与冻融循环次数和循环加卸载次数之间的关系。.（4）对不同冻融劣化程度的冰冻状态混凝土进行了不同应变速率下的单轴抗压试验和单轴劈拉试验，分析了冰冻状态混凝土的力学特性、破坏形态及脆性特征与应变速率和冻融劣化程度的变化规律；构建了基于应变速率与冻融劣化程度的力学参数计算模型；研究了各力学特性对应变速率及冻融劣化程度的敏感性特征。.（5）研究了不同冻融循环次数混凝土在地震应变速率作用下的动态劈拉强度，同步进行了声发射（AE）数据的采集，分析了冻融循环次数和应变速率对混凝土力学性能的影响，在对比分析AE参数与应力应变关系的基础上，进行了不同加载速率下的冻融劣化混凝土损伤机理与破坏机制研究；基于Mazars本构模型，构建了冻融劣化混凝土的劈拉动态本构模型。