【正文】 裂時裂紋的擴(kuò) 展程度。 另外， 結(jié)合實(shí)際工程的要求 ，還 對帶 裂紋的巖石 類 材料 哪種條件下發(fā)生破壞進(jìn)行研究等。 超聲波技術(shù)在巖石材料的損傷與斷裂機(jī)理研究中的應(yīng)用 21世紀(jì)是高科技飛速發(fā)展的時代，例如航空航天技術(shù)、建設(shè)海上平臺、橋梁的無損檢測等的可靠性研究，都需要測量構(gòu)件內(nèi)部缺陷或殘余應(yīng)力。研究巖石材料的破壞，需要測量晶體滑移模式、內(nèi)部應(yīng)力、微裂紋的擴(kuò)展等內(nèi)部信息，用來解釋破壞機(jī)理，并建立相關(guān)的力學(xué)模型。因此，發(fā)展巖石、混凝土、木板等非金屬材料微觀信息的檢測技術(shù) 是十分重要的。 超聲波 具備配置精簡、穿射能力強(qiáng)、檢測范圍廣等優(yōu)點(diǎn) ， 是 一種重要的損傷檢測工具，目前已經(jīng)作為 巖石材料損傷與斷裂機(jī)理 研究的重要技術(shù)設(shè)施 。 Brich（ 1960）研究了多種變質(zhì)巖和火成巖的縱波波速隨靜水壓力的變化，發(fā)現(xiàn)巖石的縱波波速與巖石的密度呈線性正相關(guān)特征 [57]。 Simmons（ 1964）在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析了 CaO 含量對波速變化的影響，并得到了經(jīng)驗(yàn)公式 [58]。 Walsh 等人（ 1965）的研究 發(fā)現(xiàn)，在單軸加載環(huán)境下，帶有離散分布微裂紋 的巖石 呈現(xiàn)出 橫觀 的 各向同性體，超聲波波速 在巖石中隨荷載加大而加大 ，在 裂紋擴(kuò)展階段隨壓第一章 緒 論 7 縮荷載的的加大 而減小 [59]。 Nur 和 Simmons 針 對花崗巖進(jìn)行 單軸壓縮 實(shí)驗(yàn) ，實(shí)驗(yàn)表明彈性波速在花崗巖中的各向異性是 應(yīng)力 引起的 ，壓縮波 的 傳播速度 沿受力方向是 最快 的 ，剪切波則沿各個方向都不相同 [60]。 Willis（ 1980） 對超聲波在裂隙體中的傳播特征進(jìn)行了研究 ， 認(rèn)為傳播模式是由狹縫 長度 與超聲波的波長 而定 ，還會產(chǎn)生折射、反射和散射等現(xiàn)象 [61]。 Freund（ 1992）研究了沉積碎屑巖的縱橫波速隨孔隙、粘土含量和圍壓共同作用的變化關(guān)系 [62]。 King 等（ 1995）經(jīng)過研究認(rèn)為應(yīng)力加載過程中微裂隙和 裂隙 的閉合直接影響到波速測試結(jié)果，剪切波速與 垂直于其傳播方向的微裂隙和 裂隙 閉合存在一定關(guān)系，這種關(guān)系與特定的巖石類型有關(guān) [63]。 Khaksar（ 1999）的研究發(fā)現(xiàn)，干燥的含氣砂巖層壓縮波和剪切波波速與圍壓近似呈冪函數(shù)關(guān)系特征 [64]。 蔡忠理等（ 1989）研究 了巖石在剪切、拉伸、壓縮等不同受力條件 下 的破壞特性，以及和波形、振幅、波譜密度函數(shù)等 各種聲 學(xué)參數(shù) 之間的關(guān)系，揭示了不同應(yīng)力條件下巖石的破裂特征 [65]。裴正林等（ 1990） 綜合研究了巖石理想裂隙 模型 中超聲波全波波形的變化特征 ， 結(jié)合研究 給出了 裂隙形狀與超聲波首波、 尾波及其耦合波 的變化關(guān)系 [66]。陳耕野等（ 1995） 在基于 巖石 損傷裂隙聲衰減的分析上，構(gòu)建了衰減系數(shù)與損傷參數(shù) 關(guān)系 表達(dá) 式 ，實(shí)行實(shí)驗(yàn)研究了玄武巖試樣 損傷 應(yīng)力與聲衰減之間的 關(guān)系 [67]。 劉新華 （ 1997）通過大量室內(nèi)巖石聲波檢測，檢測結(jié)果表明，巖石縱、橫波的大小可反映巖石部份物理力學(xué)特性 [68]。趙明階（ 1999）基于斷裂力學(xué)基礎(chǔ)理論 ， 建立了 在單軸 和 三軸 加卸載過程的本構(gòu)關(guān)系 ； 利用波速和彈性常數(shù)提出了 等效模型 ，然后再利用 裂隙巖體的等效彈性參數(shù) 和 未受到 任何荷載 作用的聲速衰減系數(shù)分析 了裂隙的變形特征 ；并由此建立裂隙巖體在不同受荷條件下的聲學(xué)特性 的理論模型 [69]。陳楓等（ 2021） 分析了 巖石 在 壓剪 作用下 的聲發(fā)射波譜 特征，闡示 了不同 加載 階段的 聲 波譜特性與巖石 初始非線性以及加載過程中線性響應(yīng)和 裂紋擴(kuò)展 臨界值之間的關(guān)聯(lián) [70]。尤明慶等（ 2021） 針 對四種巖石進(jìn)行了超聲波測試表明， 巖石試樣盡管是 一 個 巖塊加工 所得，并沒有的 明顯 的宏觀 差異，但超聲波 在其傳播的聲時 有差異， 證明巖石試樣是由差異極大的表現(xiàn)出不同力學(xué)特性的材料 構(gòu)成的， 巖石試樣內(nèi)部材料的力學(xué) 特征 是由它的動 、靜態(tài)參數(shù) 以 不會相等 的方式反應(yīng)的 [71]。史瑾瑾等（ 2021） 針對巖石試樣 進(jìn)行 了 損傷 沖擊試驗(yàn) ， 分 析了巖石的 損傷 沖擊 特性 ，并探究了波速變化率與巖石試樣的 損傷程度 之間的 關(guān)系 [72]。韓嵩等（ 2021） 分析了在裂隙巖體中彈性波的傳播特性，在單軸加卸載過程中 建立了 以裂隙密度和超聲波波速為參數(shù)的理論公式 [73]。韓放等（ 2021） 使用超聲波對巖石損傷 擴(kuò)展 進(jìn)行 實(shí)時 觀測，利用檢測結(jié)果對巖石試樣的損傷程度 進(jìn)行了 定量 的分析 [74]。李祥龍等（ 2021） 在研究巖樣 損傷與應(yīng)力波波長和波幅 之間的 關(guān)系 中發(fā)現(xiàn)，試塊在 應(yīng)力波波長 相同的情況下，入射波幅值 、 試塊重慶交通大學(xué) 碩士畢業(yè)論文 8 損傷程度隨子彈速度的加大而變大， 應(yīng)變 值隨入射波幅值的加大而逐漸變小 [75]。鄧華鋒等（ 2021） 采用超聲 回彈綜合法對巖石試件進(jìn)行選擇， 提高了室內(nèi) 實(shí)驗(yàn) 的測試準(zhǔn)確程度 [76]。梁天成等（ 2021）對巖樣進(jìn)行單軸受壓試驗(yàn)，實(shí)時 測量了試件損傷過程中的超聲波波速 和聲發(fā)射參數(shù) ， 探討了損傷 擴(kuò)展 中波速與 聲發(fā)射 兩者之間的 變化 規(guī)律 [77]。袁小平等（ 2021） 利用構(gòu)建的巖石微裂縫發(fā)展 細(xì)觀力學(xué)模型，探討了細(xì)觀損傷和塑性特征之間的關(guān)系 ；采用應(yīng)變能密度準(zhǔn)則求解復(fù)合型斷裂的翼裂紋擴(kuò)展長度，建立巖石模型的本構(gòu)關(guān)系及其數(shù)值算法 [78]。 關(guān)于超聲波技術(shù)在巖石材料的損傷與斷裂機(jī)理的研究，大多集中在對超聲波波形、 波速、振幅等參數(shù)的研究。利用聲波參數(shù)結(jié)合斷裂力學(xué)、損傷力學(xué)相關(guān)理論建立的損傷與斷裂本構(gòu)模型能夠很好的反應(yīng)巖石材料的變形破壞規(guī)律，對研究巖石材料從微觀損傷到宏觀斷裂的擴(kuò)展機(jī)理提供有力的依據(jù)，對于了解試件損傷程度及區(qū)分彈 —塑性階段具有一定的科學(xué)意義。 當(dāng)前研究中存在的主要問題 目前巖石材料損傷的研究還處于起步 階段，尚未成為一種有效的設(shè)計(jì)工具。研究巖石材料的損傷 變量和損傷擴(kuò)展本構(gòu)關(guān)系 是當(dāng)今研究的重點(diǎn) ， 巖石 內(nèi)部 微孔隙 和微裂紋 的分布 是隨機(jī)性的 ， 它們的演變規(guī)律受很多 因素 的 影響， 這給巖石材料的損傷分析帶來困難 ，損傷變量的如何定義仍一直是損傷研究工作者爭議的話題，畢竟巖石材料的損傷研究的最終目的是工程應(yīng)用。巖石材料的斷裂研究與應(yīng)用存在問題不少，難度較大，尚待作出巨大的努力。近年來，損傷力學(xué)和斷裂力學(xué)的結(jié)合成為一種發(fā)展趨勢 [79]。損傷是斷裂前期微裂紋（或微孔隙）演化程度的表現(xiàn)，損傷的極限狀態(tài)是主裂紋開始擴(kuò)展，而宏觀斷裂則是主裂紋擴(kuò)展的表現(xiàn)。巖石材料在受壓過程中，內(nèi)部損傷不斷積累，到達(dá)一定程度后，必然會發(fā)生斷裂，但何時會發(fā)生斷裂，損傷與斷裂之間是怎樣轉(zhuǎn)換的，兩者之間的轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)什么，這些問題都還處于研究階段。本題目以 兩者之間的轉(zhuǎn)換效應(yīng)為研究對象，通過實(shí)驗(yàn)，試找出巖石材料損傷與斷裂之間的轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)，為工程應(yīng)用提供有力的理論依據(jù)。 第一章 緒 論 9 本文研究的主要研究內(nèi)容 本文以水泥砂漿試件模擬巖石作為研究對象，將試件分為有 裂隙 和無 裂隙 兩種，分別 進(jìn)行單軸壓縮 實(shí)驗(yàn) 。獲得試件受力時的相關(guān)力學(xué)參數(shù)，在加載過程中，用超聲波儀器測量試件受力時的聲學(xué)參數(shù)（ 波形 、波速），觀察宏觀裂紋擴(kuò)展規(guī)律。其主要研究內(nèi)容如下： （ 1） 含裂隙 試件的斷裂特性 實(shí)驗(yàn) 研究 將裂隙 試件分為不同工況，通過單軸壓縮 實(shí)驗(yàn) ，分析不同 裂隙 長度 和不同 裂隙 傾角（與水平面的夾 角）試件 裂隙 的擴(kuò)展規(guī)律，利用 實(shí)驗(yàn) 所得到的相關(guān)數(shù)據(jù)，研究 裂隙 試件的斷裂機(jī)理。 （ 2） 含裂隙 試件 損傷 特征 檢測 實(shí)驗(yàn) 研究 在對 裂隙 試件進(jìn)行單軸壓縮 實(shí)驗(yàn) 時，用超聲波儀器實(shí)時記錄試件受力時的超聲波的 波形和 波速，分析 波形和 波速在試件受力時的變化，揭示 波形和 波速隨試件 裂隙 擴(kuò)展的變化規(guī)律。 （ 3）完整試件的 損傷 —斷裂特性 實(shí)驗(yàn) 研究 通過單軸壓縮 試驗(yàn)，獲得巖石試件的 應(yīng)力 應(yīng)變曲線 ； 分析試件受力時的破壞形式，揭示試件受力破壞機(jī)理；用超聲波儀器實(shí)時記錄試件受力時的超聲波的 波形與 波速，分析 波形與 波速在試件受力時的變化，揭示 波形與 波速隨 試件 裂隙 擴(kuò)展的變化規(guī)律。 （ 4） 完整 試件的損傷 —斷裂的轉(zhuǎn)換 機(jī)理 研究 由于超聲波的傳播速度與水泥砂漿試件的密實(shí)程度有關(guān)。在荷載作用下，試件內(nèi)部會出現(xiàn)微裂紋，或者微空洞，必然會使試件的密實(shí)度下降，聲波的傳播速度會降低。利用 波速 定義損傷變量。通過實(shí)驗(yàn)所得到的相關(guān)參數(shù)，利用斷裂力學(xué)，損傷力學(xué)，巖石力學(xué)等學(xué)科相關(guān)理論， 研究損傷與斷裂之間轉(zhuǎn)換關(guān)系。 重慶交通大學(xué) 碩士畢業(yè)論文 10 根據(jù)本文研究內(nèi)容，提出 ―巖石材料損傷 斷裂轉(zhuǎn)換 實(shí)驗(yàn) 研究 ‖的技術(shù)路線，見圖 12。 圖 12 研究技術(shù)路線 查閱文獻(xiàn)資料，擬定研究大綱 制定實(shí)驗(yàn)方案 單軸壓縮實(shí)驗(yàn) 超聲波損傷檢測實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 巖石力學(xué) 損傷力學(xué) 彈塑性力學(xué) 斷裂力學(xué) 含裂隙試件的損傷特性檢測實(shí)驗(yàn)研究 完整試件的損傷—斷裂特性實(shí)驗(yàn)研究 結(jié)論與建議 含裂隙試件的斷裂特性實(shí)驗(yàn)研究 含裂隙試件的單軸壓縮實(shí)驗(yàn) 完整試件的單軸壓縮實(shí)驗(yàn) 含裂隙試件的損傷檢測實(shí)驗(yàn) 完整試件的損傷檢測實(shí)驗(yàn) 完整試件的損傷—斷裂轉(zhuǎn)換機(jī)理研究 第 二 章 巖石損傷與斷裂力學(xué)基本理論介紹 11 第二章 巖石損傷與斷裂力學(xué)基本理論介紹 損傷力學(xué)是以微觀缺陷為出發(fā)點(diǎn)來研究巖石材料的力學(xué)性能，分析多相的、非均質(zhì)的和含有損傷演化的介質(zhì)。斷裂力學(xué)則以帶裂紋材料的強(qiáng)度和材料中裂紋傳播規(guī)律為研究對象，認(rèn)為在一定的受力條件下，裂紋尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中，引起初始裂紋擴(kuò)展，擴(kuò)展至一定 長度 ，裂紋發(fā)生脆性斷裂。巖石材料的破壞是一個初始缺陷的演化到宏觀裂紋的產(chǎn)生及擴(kuò)展，最終發(fā)生破壞的連續(xù)性過程。，利用損傷與斷裂力學(xué)共同描述和研究巖石材料的破壞過程，將成為巖石 力學(xué)中的一個發(fā)展方向。 巖石損傷力學(xué)基本理論 損傷力學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀 既 ―連續(xù)性因子 ‖和 ―有效應(yīng)力 ‖的概念在 1958 年被 Kachanov 提出之后。 隨后 在此研究基礎(chǔ)上， Rabotnov 在 1963 年 提出了 ―損傷因 子 ‖的概念。 20 世紀(jì) 70 年代后期， 利用不可逆過程熱力學(xué)原理與連續(xù)介質(zhì)力學(xué)相結(jié)合， Hayhurst、 Hult、 Lemaitre等人 進(jìn)一步把損傷因子作 為一種場變量， 由此產(chǎn)生 了 ―連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué) ‖這一 學(xué)科。 以此同時，以 RiceTracey、 Gurson 等人從細(xì)觀角度來研究材料的力學(xué)行為，提出 了細(xì)觀損傷力學(xué)的概念。由原先的平行發(fā)展到現(xiàn)在成為互補(bǔ)的連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)和細(xì)觀損傷力學(xué)，構(gòu)成了損傷力學(xué)的主體部分。 1982 年，李灝和黃克智在第二屆全國斷裂力學(xué)會議上，首次在國內(nèi)把 損傷力學(xué) 引入 。 同年 ， 在中國力學(xué)學(xué)會第二屆理事會上， 李灝 又 做了 ―損傷力學(xué)的進(jìn)展 ‖的報(bào)告引起了國內(nèi)學(xué)者的關(guān)注。率先研究巖石類材料損傷的謝和平院士，他提出分形損傷力學(xué)理論，將巖石類材料的微觀損傷和宏觀斷裂用分形的方式相聯(lián)系，定量地描述了材料的破壞過程。隨后很多損傷研究成果相繼出現(xiàn)，給巖石損傷的研究帶來了春天， 這些學(xué)者研究都推動了國內(nèi)損傷力 學(xué)的發(fā)展。 損傷的定義 外部荷載和環(huán)境因素的作用，由于初始缺陷（微裂紋、微孔隙、氣泡等）引起 材料的劣化過程，稱為損傷 [79]。 損傷是指材料的損傷程度，在應(yīng)力作用下表現(xiàn)為微 裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展，實(shí)際上有效工作面積的減少。 M. J. Manjoine 經(jīng)過大量的研究，認(rèn)為損傷可以分為 三個階段 ： （ 1） 連續(xù)滑移帶形成階段，主要是巖石內(nèi)部結(jié)晶體的滑移； （ 2） 永久損傷開始階段，由于結(jié)晶體滑移導(dǎo)致微裂紋迅速發(fā)展 ， 最終發(fā)展成為永久性 損傷 ； （ 3） 永久損傷傳播階段，微裂紋繼續(xù)擴(kuò)展延伸呈 線性方式生長直至形成宏觀裂縫 。 重慶交通大學(xué) 碩士畢業(yè)論文 12 損傷的分類和研究方法 損傷 的物理性質(zhì)并不是獨(dú)立的 ，它 是用來作為一種惡化 因素 與 彈性、塑性、粘彈性等介質(zhì) 相結(jié)合的 。 損傷與所涉及的材料（金屬、聚合物、巖石、混凝土等）和工作環(huán)境（靜載、動載、常溫、高溫等）緊密相關(guān)。因此，按材料的變形性質(zhì)常分為以下幾類： （ 1）彈性損傷：采用彈性力學(xué)的基本理論，引入描述劣化的損傷變量，從而給出巖石、混凝土、陶瓷等材料的損傷分析，變形的特點(diǎn)是沒有明顯的不可逆變形，也稱為脆性損傷； （ 2）彈塑性損傷：采用彈塑性力學(xué)的基本理論，引入描述劣化的損傷變量，從而給出巖石、混凝土、 陶瓷等材料的損傷分析，變形的特點(diǎn)是產(chǎn)生可觀察的殘余變形，有明顯的屈服點(diǎn)，也稱延性塑性損傷； （ 3）蠕變損傷：對于金屬物質(zhì)，由于黏塑性產(chǎn)生和時間相關(guān)變形時所產(chǎn)生的變形稱為蠕變變形，采