论文题目：多相孔隙材料多场耦合热力学本构模型研究及有限元模拟
摘要：土木工程中常用的工程材料,例如土体类材料,岩石类材料和混凝土类材料,其在微观结构层面上,通常存在大量孔隙或裂隙特征。这些孔隙或裂隙均处在饱和或非饱和状态,属于典型的多相孔隙材料研究范畴。多年来,孔隙材料在土木工程设计、结构分析中要么被忽视,要么被不恰当的简化至土力学理论体系来处理。这些忽视或简化,在实际工程将会带来计算误差或安全性隐患。本文采用热力学方法,建立了等温饱和条件下、变温饱和条件下以及等温非饱和条件下的孔隙弹性材料本构模型。在此基础上,借助数值模拟手段,以变温饱和条件下本构模型为基础开发平面应变有限元计算程序,针对温度应力等问题展开研究。具体研究内容如下:首先,多相孔隙材料最简单的物理模型为固、液两相材料所构成的饱和孔隙材料。对于饱和孔隙材料而言,已有较为完善的理论框架,但此框架下的模型大多仍为宏观唯象模型。本文基于热力学框架,建立饱和孔隙材料本构模型,并与既有的饱和孔隙材料本构模型进行比较,分析由于各相压缩性和孔隙率变化而产生的新的材料参数的物理意义。其次,在恒温条件下饱和孔隙材料本构模型的基础上,进一步建立变温条件下饱和孔隙材料本构模型。之后,在理论工作基础上,编制平面应变程序,计算能源隧道相关工程算例,与通用有限元程序对比分析计算结果,用以分析解决实际工程中与能源桩或能源隧道相关工程问题。最后,针对非饱和孔隙材料的特性,总结出非饱和孔隙材料的三种典型变形机制。对应每一种变形机制,分别引入与其关联的细观自由能、弹性势能和孔隙水势能,并建立非饱和孔隙材料的总体自由能模型。通过计算热力学压强和弹性骨架应力得到非饱和孔隙材料的总应力构成,并结合应变协调方程,得到描述非饱和孔隙材料的本构模型。此本构模型充分考虑了各相在均匀压力作用下的体积变形、骨架的弹性变形以及由毛细作用和吸附作用引发的变形,具有较强的普适性和通用性。类比于非饱和土的土水特征曲线,得到非饱和孔隙材料的饱和度与吸力的关系。结合松砂和玻璃珠的既有试验数据,验证模型的有效性。
关键词：孔隙弹性力学;热力学;热力耦合;有限元;非饱和
学科专业：土木工程
摘要
Abstract
符号和缩略语说明
第1章 绪论
1.1 选题背景和研究意义
1.1.1 选题背景
1.1.2 关键议题和研究意义
1.2 饱和孔隙材料本构理论
1.2.1 经典饱和孔隙材料本构理论
1.2.2 热-力耦合饱和孔隙材料本构理论
1.3 非饱和孔隙材料本构理论
1.3.1 非饱和土力学本构理论
1.3.2 非饱和孔隙材料本构模型
1.4 本文研究工作
第2章 饱和孔隙弹性固体热力学本构模型
2.1 BIOT孔隙弹性力学理论简介
2.2 基于流体动力学的孔隙弹性理论
2.2.1 应变组成方程
2.2.2 热力学全微分方程
2.2.3 孔隙固体材料本构方程
2.3 孔隙固体材料特征试验模量
2.4 孔隙固体材料特征试验分析
2.4.1 石灰石材料试验分析
2.4.2 水泥石孔隙固体材料特征试验分析
2.5 本章小结
第3章 饱和孔隙弹性固体热-力耦合本构模型和有限元模拟
3.1 饱和孔隙弹性固体热-力耦合本构模型建立
3.2 模型热弹参数物理意义及标定方法
3.2.1 恒温条件相关参数
3.2.2 变温条件相关参数
3.3 参数标定特征试验
3.4 COMSOL孔隙介质模型对比分析
3.4.1 恒温条件对比分析
3.4.2 变温条件对比分析
3.5 孔隙弹性固体热力耦合平面应变有限元程序
3.5.1 清华岩土热力学模型平面应变有限元程序
3.5.2 热-力耦合孔隙弹性平面应变有限元程序
3.5.3 项目算例
3.6 本章小结
第4章 非饱和孔隙弹性固体热力学本构模型
4.1 基本假定
4.2 自由能模型
4.2.1 细观自由能密度
4.2.2 弹性势能密度
4.2.3 孔隙水势能密度
4.2.4 由孔隙水势能变化引起的吸力
4.3 应力构成
4.4 本构方程
4.5 饱和度与吸力
4.6 应用实例
4.7 本章小结
第5章 研究结论和工作展望
5.1 研究结论
5.2 工作展望
参考文献
致谢
指导教师学术评语
答辩委员会决议书