水泥基材料在宽围压范围的本构模型_本构关系-论文网

图1剪切塑性与孔隙塑性共同作用示意图

Fig.1Illustrationofinteractionofshearingplasticandporecollapseplastic

3参数确定与数值模拟

本模型中共包括22个参数，其中是材料物理特征，,为材料弹性参数，、为材料特征参数，、、、、和是材料损伤相关的参数，、、、、和是材料剪切塑性相关的参数，、、、和是材料孔隙塑性相关的参数。除外的其余21个参数可以通过里尔力学实验室完成的三轴试验与静水压力试验数据得到确定，确定过程可详见文献。表1中给出经过确定的所有材料参数与模型参数。

表1材料参数与模型参数

Table1Materialandmodalparameters

为了检验材料模型参数与试验结果的一致性，对应的静水压力试验和三轴试验数值模拟被实施。图2至图4中实线是在高中低围压下的三轴试验数值模拟，图2是围压为0MPa情况下的力学表现，可以看到，本构模型中损失准则发挥作用使峰后出现应力软化；图3是围压为7.5MPa情况下的力学表现，应当特别说明，对于试验数据本文未作任何人工调整，第三主应变即环向应变随着压力加载的过程由正值转变为负值，分析认为此试验结果的初始段可能受到试验仪器的影响，随着试验的进行，仪器影响减少。在此围压情况，塑性应变成为材料的主要力学特征，在开始阶段剪切应力产生，随着轴向荷载增加达到40MPa快接近材料破坏强度时，触发孔隙塑性屈服条件，孔隙塑性也随之产生，随着应变加载过程，水泥石试件达到破坏强度并保持在此强度，没有出现峰后软化段；图4是围压为17.5MPa情况下的力学表现，在此高围压孔隙塑性机理发挥了很大的作用，随着轴向应变加载进程，轴向应力也不断增加，没有出现应力峰值，水泥石在高围压下的力学特征与其在一般应力状态下差异明显，说明三向高应力状态下孔隙材料孔隙收缩引起的孔隙塑性机理不能忽略。图5中显示的是静水压力试验数值模拟。在本过程中，剪切塑性机理未被激发，仅反映材料在孔隙塑性机理发生下的力学特征。可以看到，在静水压力超过某一值（约30MPa）后，材料出现塑性硬化，本文在采用Gurson塑性准则以及相关联的流动法则的情况下，可以较好的反映水泥石在静水压力作用下的力学表现。通过典型试验下的数值模拟表明，本模型可以较好的反映水泥石在宽围压范围内的主要力学特征。

在一些情况下，如不考虑材料的峰后软化，则模型参数、、、、和可以忽略不做要求；如材料不处于高压应力状态时，孔隙塑性机理不会被激发，则模型参数、、、、和可以忽略不做要求。因此，本文意义在于对于水泥基材料可能处于的复杂荷载条件，提出的多达22个参数本构模型可以精确反映不同情况下水泥基材料体现出来的不同力学表现，通过有限元编程实现模型的数值模拟，图2-图5体现出本文中提出的模型的广泛适用性。随着国家建设的发展和科技的进步，水泥基材料的应用范围必将扩大，所处的应力状况将越来越复杂，从理论上推导并用数值仿真手段能够较真实反映材料在不同荷载条件下的力学特征，理论研究将对结构安全起着重要的作用。

图2围压为0MPa时的三轴试验和数值计算

Fig.2ExperimentaldataandnumericalsimulationintriaxialcompressiontestwithPc=0MPa

图3围压为7.5MPa时的三轴试验和数值计算

Fig.3ExperimentaldataandnumericalsimulationintriaxialcompressiontestwithPc=7.5MPa

图4围压为17.5MPa时的三轴试验和数值计算

Fig.4ExperimentaldataandnumericalsimulationintriaxialcompressiontestwithPc=17.5MPa

图5静水压力试验和数值计算

Fig.5Experimentaldataandnumericalsimulationinhydrostaticcompressiontest

4结论

在水泥石静水压力试验和三轴试验的基础上，本文提出了一种弹塑性损伤的本构模型。

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