巖石的損傷力學及斷裂力學綜述(編輯修改稿)
2025-07-22 02:33 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 宏觀斷裂用分形幾何聯(lián)系，定量描述了巖石類材料的損傷，提出了分形損傷力學理論。目前損傷理論已在能源、交通、軍工等眾多領域中得到廣泛的應用。損傷力學認為材料內(nèi)部都或多或少地存在著一定的原始缺陷，材料的破壞過程就是這些原始缺陷在外力作用下的發(fā)展和演化過程。研究材料在外載、溫度與環(huán)境的作用下，材料中微觀空洞、初始損傷成胚、孕育、擴展、匯合成宏觀裂紋，同時引起材料的強度、剛度、韌性下降及壽命縮短，就是損傷力學研究的課題。所以損傷力學就是研究各種加載條件下，物體的損傷隨著變形而發(fā)展并最終導致破壞的過程和規(guī)律。巖石損傷力學研究的重點是建立損傷變量(張量) 和損傷擴展本構關系。這就涉及巖石材料的損傷檢測與識別問題。自從Sprunt Brace (1974) 將掃描電鏡技術引入巖石破裂研究以來，我國學者在這方面進行了大量的研究工作。許江等(1986) 采用帶有加載裝置的光學顯微鏡進行了砂巖在不同加載階段的損傷裂紋分析；謝和平(1989) 對巖石在各種加載條件下破壞斷口進行分析；孫鈞(1992) 、趙永紅(1993) 分別采用帶有微型加載裝置的掃描電鏡對巖石的微損傷擴展進行研究。并用于三峽船閘高邊坡閃云斜長花崗巖的損傷擴展分析(1997) 。這些研究有力地推動了巖體損傷力學的發(fā)展，特別是在巖石損傷機理的解釋方面起到了積極作用。近年來，楊更社等(1996) 在巖石損傷的CT 識別方面進行了償試性的研究。CT 識別巖石損傷不但可以無擾動巖樣損傷檢測，更重要的是通過CT 圖像、CT 數(shù)大小和CT 數(shù)定量地與巖石損傷變量和損傷擴展聯(lián)系起來，為建立巖石損傷擴展本構關系奠定了基礎。楊更社等(1998) 還將這一技術應用于三峽船閘高邊坡閃云斜長花崗巖的損傷檢測。 巖石損傷力學的研究特點 以巖體的節(jié)理的分布與組合為基礎，建立節(jié)理巖體的初始損傷張量，將巖體的幾何特性及其力學特性相聯(lián)系，為巖體強度的預測與評價做出有根據(jù)的理論基礎，在此基礎上提出損傷的擴展和演化方程，并以此進行巖體隨機損傷場的有限元法分析。這樣，應用于節(jié)理巖體的損傷力學分析方法是連續(xù)介質力學與有限單元法，將各種方式發(fā)展的巖體不連續(xù)性及其影響有效地進行宏觀模擬，這是巖體損傷力學區(qū)別于其他的工程力學分支的顯著特點。 損傷力學選取合適的損傷變量（可以是標量、矢量或張量），利用連續(xù)介質力學的唯象方法或細觀力學、統(tǒng)計力學的方法，導出含損傷的材料的損傷演化方程，形成損傷力學的初、邊值問題的提法，并求解物體的應力場、變形場和損傷場。 損傷力學按其和材料細觀結構的緊密程度可分為唯象損傷力學、準唯象損傷力學、細觀損傷力學、細觀計算損傷力學。對面向工程的巖體力學而言，應著力發(fā)展各向異性損傷模型，在準唯象損傷力學的框架下進行研究。巖體損傷力學另一個發(fā)展方向是在應力場、滲流場、溫度場、地質環(huán)境影響等多場耦合問題，并從中發(fā)揮核心作用。一直以來，人們對巖石宏觀力學性能的劣化直至破壞全過程的計算方法、損傷機理、本構關系和力學模型都非常重視，在力學試驗的基礎上用各種理論和方法進行了研究，取得了豐碩的成果。但是，這些研究幾乎都是從唯象學的角度來考察巖體或巖石的強度、變形和損傷破壞等宏觀力學特性，忽略了巖石材料內(nèi)部復雜的細觀結構，不能準確描述巖石的細觀演化特征，因此難以真實地揭示巖石宏觀變形和損傷破壞的機制。巖石材料力學性能的研究是建立在試驗基礎上，不但需要花費大量的人力、財力和物力，而且往往受試驗條件、環(huán)境條件等的限制，因此所得到的試驗結果很難真實的反映巖石材料的力學特性。為了解決以上問題，以細觀層次為基礎的巖石損傷演化過程數(shù)值模擬方法應運而生。從本質上講，巖石的力學行為是由其內(nèi)在的細觀結構所決定的，尤其是受巖石細觀結構損傷及其演化、發(fā)展的控制，其宏觀的損傷破壞行為是由于細觀尺度上的損傷不斷累積和發(fā)展的最終結果。因此，除了從宏觀尺度對巖石材料的力學性能進行進一步研究外，還應從巖石材料的細觀結構出發(fā)，通過對細觀結構變化的物理和力學過程的分析來
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