巖石的損傷力學(xué)及斷裂力學(xué)綜述

巖石的斷裂力學(xué)及損傷力學(xué)綜述摘要：論述了國(guó)內(nèi)外斷裂力學(xué)及損傷力學(xué)的學(xué)科發(fā)展歷程，總結(jié)了巖體斷裂力學(xué)損傷力學(xué)的研究?jī)?nèi)容、研究特點(diǎn)以及巖石力學(xué)專家們一些年來(lái)所取得的主要成果，并簡(jiǎn)單介紹了斷裂力學(xué)損傷力學(xué)在巖土工程中的實(shí)際應(yīng)用。最后，通過(guò)對(duì)巖石破壞的斷裂-損傷理論的闡述，指出了綜合考慮損傷與斷裂的破壞理論是能更好地反映巖石實(shí)際破壞過(guò)程的一種新的理論,可在以后的理論研究和實(shí)際工程中得以更為廣泛的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：巖石斷裂力學(xué)損傷力學(xué)應(yīng)用1引言巖石的破壞過(guò)程總是伴隨著損傷(分布缺陷)和裂紋(集中缺陷)的交互擴(kuò)展,這種耦合效應(yīng)使得裂紋尖端附近區(qū)域材料必然具有更嚴(yán)重的分布缺陷。巖石的破壞,如脆性斷裂和塑性失穩(wěn),雖然有突然發(fā)生的表面現(xiàn)象,但是,從材料損傷的發(fā)生、發(fā)展和演化直到出現(xiàn)宏觀的裂紋型缺陷,伴隨著裂紋的穩(wěn)定擴(kuò)展或失穩(wěn)擴(kuò)展,是作為過(guò)程而展開(kāi)的。經(jīng)典的斷裂力學(xué)廣泛研究的是裂紋及其擴(kuò)展規(guī)律問(wèn)題。物體中的裂紋被理想化為一光滑的零厚度間斷面。在裂紋的前緣存在著應(yīng)力應(yīng)變的奇異場(chǎng),而裂紋尖端附近的材料假定同尖端遠(yuǎn)處的材料性質(zhì)并無(wú)區(qū)別。象裂紋這樣的缺陷可稱它為奇異缺陷,因此經(jīng)典斷裂力學(xué)中物體的缺陷僅僅表現(xiàn)為有奇異缺陷的存在。而損傷力學(xué)所研究的是連續(xù)分布的缺陷,物體中存在著位錯(cuò)、微裂紋與微孔洞等形形色色的缺陷,這些統(tǒng)稱為損傷。從宏觀來(lái)看,它們遍布于整個(gè)物體。這些缺陷的發(fā)生與發(fā)展表現(xiàn)為材料的變形與破壞。損傷力學(xué)就是研究在各種加載條件下,物體中的損傷隨變形而發(fā)展并導(dǎo)致破壞的過(guò)程和規(guī)律。事實(shí)上,物體中往往同時(shí)存在著奇異缺陷和分布缺陷。在裂紋(奇異缺陷)附近區(qū)域中的材料必然具有更嚴(yán)重的分布缺陷,它的力學(xué)性質(zhì)必然不同于距離裂紋尖端遠(yuǎn)處的材料。因此,為了更切合實(shí)際,就必須把損傷力學(xué)和斷裂力學(xué)結(jié)合起來(lái),用于研究物體更真實(shí)的破壞過(guò)程。2斷裂力學(xué)2.1斷裂力學(xué)學(xué)科發(fā)展“斷裂力學(xué)”指的是固體力學(xué)的一個(gè)重要分支，該學(xué)科要在假定裂紋存在的條件下，尋求裂紋長(zhǎng)度、材料抗裂紋增長(zhǎng)的固有阻力、以及能使裂紋高速擴(kuò)展從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效的應(yīng)力之間的定量關(guān)系。斷裂力學(xué)最早是在1920年提出的。當(dāng)時(shí)格里菲斯為了研究玻璃、陶瓷等脆性材料的實(shí)際強(qiáng)度比理論強(qiáng)度低的原因，提出了在固體材料中或在材料的運(yùn)行過(guò)程中存在或產(chǎn)生裂紋的設(shè)想，計(jì)算了當(dāng)裂紋存在時(shí)，板狀構(gòu)件中應(yīng)變能變化進(jìn)而得出了一個(gè)十分重要的結(jié)果：。1949年，奧羅萬(wàn)在分析了金屬構(gòu)件的斷裂現(xiàn)象后對(duì)格里菲斯的公式提出了修正，他認(rèn)為產(chǎn)生裂紋所釋放的應(yīng)變能不僅能轉(zhuǎn)化為表面能，也應(yīng)轉(zhuǎn)化為裂紋前沿的塑性應(yīng)變功，而且由于塑性應(yīng)變功比表面能大得多以至于可以不考慮表面能的影響，其提出了以下公式：該公式雖然有所進(jìn)步，但仍未超出經(jīng)典的格里菲斯公式范圍，而且同表面能一樣，應(yīng)變功U是難以測(cè)量的，因而該公式仍難以應(yīng)用在工程中。斷裂力學(xué)的重大突破應(yīng)歸功于歐文應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子概念的提出，以及以后斷裂韌性概念的形成。1957年，歐文應(yīng)用Westergaard·H·M在1939年提出的解平面問(wèn)題的一個(gè)應(yīng)力函數(shù)求解了帶穿透性裂紋的空間大平板兩向拉伸的應(yīng)力問(wèn)題，并引入應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子K的概念，隨后又在此基礎(chǔ)上形成了斷裂韌性的概念，并建立起測(cè)量材料斷裂韌性的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，從而奠定了線彈性斷裂力學(xué)的基礎(chǔ)。斷裂力學(xué)的研究?jī)?nèi)容：=1\*GB3①裂紋的起裂條件。=2\*GB3②裂紋在外部載荷和（或）其他因素作用下的擴(kuò)展過(guò)程。=3\*GB3③裂紋擴(kuò)展到什么程度物體會(huì)發(fā)生斷裂。另外，為了工程方面的需要，還研究含裂紋的結(jié)構(gòu)在什么條件下破壞；在一定荷載下，可允許結(jié)構(gòu)含有多大裂紋；在結(jié)構(gòu)裂紋和結(jié)構(gòu)工作條件一定的情況下，結(jié)構(gòu)還有多長(zhǎng)的壽命等。2.2巖石斷裂力學(xué)的研究特點(diǎn)巖石斷裂力學(xué)是巖石力學(xué)的新的分支學(xué)科，是研究巖石斷裂韌性和斷裂力學(xué)在巖體中應(yīng)用的科學(xué)。它也包括兩個(gè)內(nèi)容：分析裂縫端部的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)；確定巖石斷裂韌度。由于斷裂力學(xué)逐漸被許多巖石力學(xué)工作者所接受，近年來(lái)這方面的研究成果顯著增加。當(dāng)前巖石斷裂力學(xué)的主要問(wèn)題也是合理地確定巖石斷裂韌度。近幾年來(lái)，在金屬斷裂研究與應(yīng)用方面，開(kāi)展了許多工作。對(duì)于裂紋巖石斷裂的研究和應(yīng)用，國(guó)外也已引起高度重視，但國(guó)內(nèi)尚處于初始階段。許多采礦工程中的實(shí)際問(wèn)題，如礦山地壓，井巷破壞，采場(chǎng)頂板的下沉與管理，巖層移動(dòng)，露天礦邊坡的穩(wěn)定性，巖石斷裂機(jī)理等等，都將提到巖石斷裂力學(xué)研究的日程上來(lái)。可以預(yù)料，斷裂力學(xué)將在礦山工程實(shí)際應(yīng)用方面表現(xiàn)出強(qiáng)大的生命力。2.3巖石斷裂力學(xué)的工程應(yīng)用（1）巖石斷裂力學(xué)在地震研究中的應(yīng)用由于淺源地震過(guò)程，本質(zhì)上是地殼巖石大規(guī)模的斷裂過(guò)程，所以引用斷裂力學(xué)來(lái)研究地震，便成為人們所注意的向題。在這方面，國(guó)內(nèi)已經(jīng)做過(guò)不少工作。例如把斷裂力學(xué)中的應(yīng)變能釋放率公式和位移公式與震級(jí)一能量公式用來(lái)求得震源參數(shù)與地殼巖石應(yīng)力狀態(tài)之間的關(guān)系，以服務(wù)于地震預(yù)報(bào)的目的；又如采用流變一斷裂模型，來(lái)解釋余震序列的時(shí)間滯后特性；再如用斷裂力學(xué)理論分析圓盤(pán)裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展條件，進(jìn)而討論斷層參數(shù)、應(yīng)力場(chǎng)參數(shù)和巖石物理力學(xué)特性參數(shù)與膨脹現(xiàn)象間的關(guān)系，以解釋有的地區(qū)震前沒(méi)有膨脹現(xiàn)象而有的地區(qū)震前卻有強(qiáng)烈的膨脹現(xiàn)象。目前金屬斷裂力學(xué)多注意拉應(yīng)力的作用，但用到多裂隙介質(zhì)的巖石中來(lái)時(shí)，則多是斷裂面處在壓應(yīng)力下的斷裂力學(xué)問(wèn)題，會(huì)具有自己的特點(diǎn)，這方面似需作許多進(jìn)一步的工作。巖石在宏觀的裂紋出現(xiàn)以前，就已經(jīng)產(chǎn)生了微觀裂紋和微觀孔洞，可以把這些微觀缺陷的出現(xiàn)和擴(kuò)展稱為損傷。斷裂力學(xué)則只研究固體中裂紋型缺陷擴(kuò)展的規(guī)律，卻無(wú)法研究分析宏觀裂紋出現(xiàn)以前材料中的微缺陷或微裂紋的形成及其發(fā)展對(duì)材料力學(xué)性能的影響，而且許多微裂紋的存在并不能簡(jiǎn)化為宏觀裂紋，這是斷裂力學(xué)理論本身的局限性。損傷力學(xué)的產(chǎn)生從某種程度上彌補(bǔ)了斷裂力學(xué)的這種不足，它主要是在連續(xù)介質(zhì)力學(xué)和熱力學(xué)的基礎(chǔ)上，采用固體力學(xué)方法，研究材料宏觀力學(xué)性能的演化直至破壞的全過(guò)程。事實(shí)上，在物體的破壞過(guò)程中，往往同時(shí)存在損傷(分布缺陷)和裂紋(奇異缺陷)，而且在裂紋尖端附近的材料必然具有更嚴(yán)重的分布缺陷，其力學(xué)性質(zhì)必然與距裂紋尖端遠(yuǎn)處不同，因此，為了更切合實(shí)際，就必須把損傷力學(xué)與斷裂力學(xué)結(jié)合起來(lái)研究物體的破壞過(guò)程。通過(guò)上面的討論，可以看出在對(duì)巖石等材料的破壞過(guò)程進(jìn)行研究時(shí)，僅僅利用斷裂力學(xué)或損傷力學(xué)的理論是不夠的，它們中的任何一個(gè)都不能很好地反應(yīng)出巖石在外載荷作用下的實(shí)際破壞過(guò)程，而只有更好地把兩者統(tǒng)一地結(jié)合起來(lái)才能對(duì)巖石的實(shí)際破壞過(guò)程有一個(gè)更加切合實(shí)際的描述。然而巖石在外載荷作用下的破壞過(guò)程，是一個(gè)復(fù)雜的、包含損傷與斷裂共同作用的力學(xué)過(guò)程，這兩種狀態(tài)通常是相互包含、相互作用。所以，在實(shí)際分析問(wèn)題時(shí)，不應(yīng)該強(qiáng)調(diào)二者的具體分工，而應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，更好地把兩者結(jié)合起來(lái)。目前也有很多文獻(xiàn)，把損傷與斷裂結(jié)合起來(lái)考慮問(wèn)題，提出了綜合考慮材料損傷與斷裂的破壞力學(xué)理論，該理論也已在實(shí)踐中得到了一定的應(yīng)用?？梢韵嘈?，在不久的將來(lái)，將損傷理論與斷裂理論結(jié)合起來(lái)的破壞理論一定會(huì)在工程實(shí)踐和理論研究中得到更為廣泛的應(yīng)用和更大的發(fā)展。5結(jié)語(yǔ)1)巖石可視為一種非均質(zhì)的多相復(fù)合結(jié)構(gòu),而且天然存在各種大量的缺陷,且這些缺陷的分布具有一定的隨機(jī)性。巖石在受到外界作用以后,彌散在巖石內(nèi)部的微缺陷不斷變化,在部分區(qū)域出現(xiàn)貫通,進(jìn)而形成宏觀裂縫,導(dǎo)致巖石失穩(wěn)破壞。2)巖石的破壞過(guò)程是非常復(fù)雜的,如果只是單純用經(jīng)典彈塑性力學(xué)或斷裂力學(xué)的方法來(lái)描述,將難以獲得理想結(jié)果,因此在巖石強(qiáng)度理論研究中引入了損傷力學(xué)的方法,以便最終建立宏、細(xì)、微觀多層次耦合的巖石強(qiáng)度理論。3)巖石力學(xué)特性的復(fù)雜性在于其組織結(jié)構(gòu)的各向異性導(dǎo)致的非線性特點(diǎn),只有擺脫傳統(tǒng)線性分析的束縛,尋求非線性分析手段,才有可能使巖石力學(xué)的研究向前邁進(jìn)。4)將系統(tǒng)論、控制論、信息論等引入巖石力學(xué)研究中,并發(fā)揮計(jì)算機(jī)技術(shù)在數(shù)值計(jì)算、虛擬現(xiàn)實(shí)等方面的優(yōu)勢(shì),可促進(jìn)巖石強(qiáng)度理論分析及應(yīng)用的新發(fā)展。參考文獻(xiàn)(References)：[1]DavidRoylance.FracturemechanicsIntroduction[M].MassachusettsInstituteofTechnology,2001.[2]陳培善、谷繼成、李文香
從斷裂力學(xué)觀點(diǎn)研究地震的破裂過(guò)程和地震預(yù)報(bào)
地球物理學(xué)報(bào)
，第20卷
，第3期，1977年。[3]谷繼成、謝小碧、趙莉
強(qiáng)余震的時(shí)間分布特征及其理論解釋，地球物理學(xué)報(bào)，第22卷，第1期，1979年。[4]丁文鏡
對(duì)某些與膨脹現(xiàn)象有關(guān)因素的定性分析,地球物理學(xué)報(bào),第22卷，第1期,1979年.[5]潘家錚,斷裂力學(xué)在水工結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用,水利學(xué)報(bào),1980年,第1期.[6]周群力等,混凝土重力壩與基巖膠結(jié)面用斷裂力學(xué)方法進(jìn)行計(jì)算的探討.水文地質(zhì)工程,地質(zhì),1979年第6期.[7]陶振宇,關(guān)于巖石斷裂力學(xué)問(wèn)題.水文地質(zhì)工程地質(zhì),1979年第6期.[8]楊更社.巖石損傷特性的CT識(shí)別[J],巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),1996,(1):48～54.[9]沈珠江。土體結(jié)構(gòu)性的數(shù)學(xué)模型-2l世紀(jì)土力學(xué)的核心問(wèn)題巖土工程學(xué)報(bào)。1996，18；95-97[10]LolandKEContinuumdamagemodelforloadresponseestmiationofconcrete[J]CementandConcreteResearch，1980(10):395-402?[11]劉紅巖，李俊文，徐留宏基于綜合考慮損傷與斷裂的巖石爆破破壞力學(xué)模型[J]有色金屬(礦山部分)，2005，57(1):35-37[12]李洪升，杜小振冰體材料損傷與斷裂破壞的本構(gòu)理論[J]冰川凍土，20