巖石的損傷力學(xué)及斷裂力學(xué)綜述-閱讀頁
2025-07-10 02:33本頁面
【正文】 這是巖體損傷力學(xué)區(qū)別于其他的工程力學(xué)分支的顯著特點。 損傷力學(xué)按其和材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)的緊密程度可分為唯象損傷力學(xué)、準(zhǔn)唯象損傷力學(xué)、細(xì)觀損傷力學(xué)、細(xì)觀計算損傷力學(xué)。巖體損傷力學(xué)另一個發(fā)展方向是在應(yīng)力場、滲流場、溫度場、地質(zhì)環(huán)境影響等多場耦合問題，并從中發(fā)揮核心作用。但是，這些研究幾乎都是從唯象學(xué)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(xué)特性，忽略了巖石材料內(nèi)部復(fù)雜的細(xì)觀結(jié)構(gòu)，不能準(zhǔn)確描述巖石的細(xì)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。為了解決以上問題，以細(xì)觀層次為基礎(chǔ)的巖石損傷演化過程數(shù)值模擬方法應(yīng)運而生。因此，除了從宏觀尺度對巖石材料的力學(xué)性能進(jìn)行進(jìn)一步研究外，還應(yīng)從巖石材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，通過對細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化的物理和力學(xué)過程的分析來研究巖石的細(xì)觀損傷及其演化過程，并結(jié)合理論和試驗成果建立力學(xué)模型，利用巖石細(xì)觀損傷數(shù)值模擬的研究方法揭示巖石損傷演化過程及其破壞機理。 沈珠江院士指出，土體結(jié)構(gòu)性問題是21世紀(jì)土力學(xué)的核心問題。巖石力學(xué)成為一門獨立學(xué)科，其基本依據(jù)之一是承認(rèn)巖體結(jié)構(gòu)對巖體宏觀力學(xué)特性的主導(dǎo)作用，這一基本依據(jù)應(yīng)該反映到巖石力學(xué)中最核心、最敏感的部分 本構(gòu)關(guān)系中去，顯然這一任務(wù)需要在損傷力學(xué)的框架下完成。因為巖石是一種抗壓強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其抗拉和抗剪強度的材料，所以巖石基本上都是被拉斷或剪斷的，對于巖石這種明顯的脆性材料，主要是考慮其在外載作用下的拉伸破壞和剪切破壞。在經(jīng)歷長期大量的研究后，這種停滯現(xiàn)狀的原因是值得探討和關(guān)注的，畢竟損傷力學(xué)研究的最終目的是工程應(yīng)用。目前損傷力學(xué)的研究重點的主要是針對彈脆性材料，損傷的宏觀效果主要體現(xiàn)在材料剛度的折減上，損傷的細(xì)觀機制一般解釋為裂紋擴(kuò)展。也就是說，在壓剪狀態(tài)下巖土塑性理論就能很好地描述巖體變形特征；在拉剪情況下，巖體確實表現(xiàn)為彈脆性，但此時損傷穩(wěn)定擴(kuò)展的范圍非常窄，考慮損傷演化的意義并不大，采用最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則即可。4 巖石破壞的斷裂損傷理論人們對巖石的損傷問題進(jìn)行了大量的研究，已取得了初步的成果。在結(jié)構(gòu)方面，巖石中包含了許多地殼歷史留下的痕跡，如裂紋、節(jié)理、層理、軟弱夾層和斷層等，此外巖石中也包含了許多微裂紋、孔洞等； 在力學(xué)性能方面，巖石承受著現(xiàn)場地應(yīng)力和歷史上殘留應(yīng)力的雙重作用，表現(xiàn)出不同的缺陷，使得巖石材料不能達(dá)到理想的強度。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)展對材料力學(xué)性能的影響，而且許多微裂紋的存在并不能簡化為宏觀裂紋，這是斷裂力學(xué)理論本身的局限性。事實上，在物體的破壞過程中，往往同時存在損傷( 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，為了更切合實際，就必須把損傷力學(xué)與斷裂力學(xué)結(jié)合起來研究物體的破壞過程。然而巖石在外載荷作用下的破壞過程，是一個復(fù)雜的、包含損傷與斷裂共同作用的力學(xué)過程，這兩種狀態(tài)通常是相互包含、相互作用。目前也有很多文獻(xiàn)，把損傷與斷裂結(jié)合起來考慮問題，提出了綜合考慮材料損傷與斷裂的破壞力學(xué)理論 ，該理論也已在實踐中得到了一定的應(yīng)用。5 結(jié)語 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性。2) 巖石的破壞過程是非常復(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)的方法來描述, 將難以獲得理想結(jié)果, 因此在巖石強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度理論。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)揮計算機技術(shù)在數(shù)值計算、虛擬現(xiàn)實等方面的優(yōu)勢, 可促進(jìn)巖石強度理論分析及應(yīng)用的新發(fā)展。[3] 谷繼成、謝小碧、趙莉 強余震的時間分布特征及其理論解釋，地球物理學(xué)報，第22卷，第1期，1979年。土體結(jié)構(gòu)性的數(shù)學(xué)模型 2l世紀(jì)土力學(xué)的核心問題 巖土工
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