巖石的損傷力學(xué)及斷裂力學(xué)綜述-文庫(kù)吧資料
2025-07-01 02:33本頁(yè)面
【正文】 ，巖體損傷力學(xué)目前基本上還停留在研究階段，尚未成為一種有效的設(shè)計(jì)工具。 巖石損傷力學(xué)在工程應(yīng)用中的問(wèn)題在外載作用下，巖石的破壞過(guò)程一方面是由于材料內(nèi)部已存在的裂紋被激活擴(kuò)展，而另一方面就是材料內(nèi)部的應(yīng)力超過(guò)了材料的抗拉或抗剪強(qiáng)度而產(chǎn)生新的裂紋導(dǎo)致材料被拉斷或剪壞。這個(gè)提法無(wú)疑也適用于巖體和巖石力學(xué)，由于巖體結(jié)構(gòu)造成的巖體宏觀各向異性力學(xué)特性遠(yuǎn)較土體顯著，在巖石力學(xué)里解決這一問(wèn)題要求也顯得更為迫切，意義也更為重大。 因此，根據(jù)巖石所處的天然地質(zhì)環(huán)境、組構(gòu)特性及其損傷破壞的力學(xué)機(jī)理，應(yīng)用細(xì)觀損傷力學(xué)的基本原理、理論思想和研究方法，更加真實(shí)地描述彈脆性巖石細(xì)觀損傷演化特征，對(duì)預(yù)測(cè)巖石的強(qiáng)度、變形與損傷破壞等宏觀力學(xué)特性、分析巖石斷裂失效先兆、預(yù)測(cè)巖石動(dòng)力學(xué)災(zāi)害的發(fā)生前兆都具有重要意義。從本質(zhì)上講，巖石的力學(xué)行為是由其內(nèi)在的細(xì)觀結(jié)構(gòu)所決定的，尤其是受巖石細(xì)觀結(jié)構(gòu)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(xì)觀尺度上的損傷不斷累積和發(fā)展的最終結(jié)果。巖石材料力學(xué)性能的研究是建立在試驗(yàn)基礎(chǔ)上，不但需要花費(fèi)大量的人力、財(cái)力和物力，而且往往受試驗(yàn)條件、環(huán)境條件等的限制，因此所得到的試驗(yàn)結(jié)果很難真實(shí)的反映巖石材料的力學(xué)特性。一直以來(lái)，人們對(duì)巖石宏觀力學(xué)性能的劣化直至破壞全過(guò)程的計(jì)算方法、損傷機(jī)理、本構(gòu)關(guān)系和力學(xué)模型都非常重視，在力學(xué)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上用各種理論和方法進(jìn)行了研究，取得了豐碩的成果。對(duì)面向工程的巖體力學(xué)而言，應(yīng)著力發(fā)展各向異性損傷模型，在準(zhǔn)唯象損傷力學(xué)的框架下進(jìn)行研究。 損傷力學(xué)選取合適的損傷變量（可以是標(biāo)量、矢量或張量），利用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的唯象方法或細(xì)觀力學(xué)、統(tǒng)計(jì)力學(xué)的方法，導(dǎo)出含損傷的材料的損傷演化方程，形成損傷力學(xué)的初、邊值問(wèn)題的提法，并求解物體的應(yīng)力場(chǎng)、變形場(chǎng)和損傷場(chǎng)。 巖石損傷力學(xué)的研究特點(diǎn) 以巖體的節(jié)理的分布與組合為基礎(chǔ)，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(xué)特性相聯(lián)系，為巖體強(qiáng)度的預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)做出有根據(jù)的理論基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上提出損傷的擴(kuò)展和演化方程，并以此進(jìn)行巖體隨機(jī)損傷場(chǎng)的有限元法分析。CT 識(shí)別巖石損傷不但可以無(wú)擾動(dòng)巖樣損傷檢測(cè)，更重要的是通過(guò)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(kuò)展聯(lián)系起來(lái)，為建立巖石損傷擴(kuò)展本構(gòu)關(guān)系奠定了基礎(chǔ)。這些研究有力地推動(dòng)了巖體損傷力學(xué)的發(fā)展，特別是在巖石損傷機(jī)理的解釋方面起到了積極作用。許江等(1986) 采用帶有加載裝置的光學(xué)顯微鏡進(jìn)行了砂巖在不同加載階段的損傷裂紋分析；謝和平(1989) 對(duì)巖石在各種加載條件下破壞斷口進(jìn)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(duì)巖石的微損傷擴(kuò)展進(jìn)行研究。這就涉及巖石材料的損傷檢測(cè)與識(shí)別問(wèn)題。所以損傷力學(xué)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(dǎo)致破壞的過(guò)程和規(guī)律。損傷力學(xué)認(rèn)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(guò)程就是這些原始缺陷在外力作用下的發(fā)展和演化過(guò)程。他首次發(fā)展了分形幾何，并將巖石微損傷與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(xué)理論。 我國(guó)學(xué)者對(duì)巖石損傷力學(xué)也進(jìn)行了大量的研究。巖石損傷力學(xué)理論在國(guó)內(nèi)外都得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，研究成果斐然。它經(jīng)歷了一個(gè)從萌芽到壯大的過(guò)程，到現(xiàn)在已成為一個(gè)集中固體力學(xué)前沿研究的熱門學(xué)科。今后應(yīng)該著重探討下列問(wèn)題：a在受壓下，巖體內(nèi)裂紋閉合，邊界條件發(fā)生變化，因此，必須發(fā)展脆斷模擬與彈塑性斷裂模擬，進(jìn)行閉合裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)與位移場(chǎng)的解析研究以及分支裂紋端應(yīng)力強(qiáng)度因子的計(jì)算研究；b巖石材料的本構(gòu)關(guān)系；c巖石在各向受壓條件下的斷裂機(jī)理；d巖石在單軸或多軸壓縮下的復(fù)合型斷裂判據(jù)；e 建立巖石靜、動(dòng)態(tài)斷裂韌性測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)方法，探討各類巖石斷裂韌性與傳統(tǒng)力學(xué)性能的關(guān)系；f現(xiàn)場(chǎng)巖體內(nèi)裂紋的監(jiān)測(cè)手段與防斷措施，；g非均質(zhì)、各向異性與加載速率等因素對(duì)巖石斷裂的影響。上述方法原則上也適用于巖質(zhì)邊坡和拱壩壩肩穩(wěn)定分析。
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