含裂纹夹杂多孔材料的渗透性理论与数值分析

多孔材料的裂纹网络对宏观渗透性的影响显著,正确描述裂纹网络对材料渗透率的影响具有重要的工程意义。该文将开裂多孔材料视作由多孔基体和裂纹夹杂二相组成的复合材料,基于细观力学理论模型中的相互作用直推法(IDD)给出了渗透率张量的IDD理论解。为分析裂纹长度、密度、取向、间距和连通度等裂纹网络细观形貌参数对宏观渗透率的影响,该文使用具有周期结构的重复单元模型建立了二维数值分析模型,采用有限单元法进行数值求解并与IDD理论解进行了对比验证。理论研究表明,IDD理论模型采用单一的开裂密度指标来表征多孔介质的裂纹网络,在开裂密度不大时能够统一地描述裂纹长度、取向、平均横向间距和纵向间距等多个细观形貌指标对材料整体渗透性能的影响,具有良好的适用性和精度;数值分析表明,在裂纹网络的密度不断增大、裂纹相互趋近并最终连通的过程中,IDD理论解逐渐偏离数值解并低估裂纹间相互作用,此时材料渗透率与裂纹密度呈对数关系;网络裂纹一旦连通,整体渗透率则发生突变,此时渗透率的确定需要特别考虑连通裂纹之间的强烈近场相互作用。

含裂纹混凝土的三维渗透性分析

该文假设含裂纹的混凝土材料是由孔隙基体和裂纹组成的二相复合材料,基于相互作用直推法(IDD)给出了三维周期裂纹渗透性的表达式。基于单元嵌入技术和弹性比拟的数值模拟新方法,解决了三维细观连续有限元实体模型的建模和网格划分问题,实现了含混凝土裂纹的三维渗透模拟。假设裂纹为圆盘状,引入周期性的概念并提出三维周期裂纹结构模型,分析裂纹直径、裂纹周期、裂纹倾角和裂纹间距等因素对整体等效渗透性能的影响。将得到的数值解和IDD理论解进行对比分析,结果表明:在裂纹密度较低时,数值解和理论解吻合得很好,但随着裂纹密度的增大,二者之间的误差逐渐增大;当裂纹趋于连通时,IDD解低估了裂纹之间的近场相互作用而偏离数值解;裂纹接近连通时,整体等效渗透率与裂纹密度呈对数关系,可用渐进对数表达式准确描述。