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1、巖石的斷裂力學(xué)及損傷力學(xué)綜述摘要：論述了國內(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)的研究內(nèi)容、研究特點以及巖石力學(xué)專家們一些年來所取得的主要成果，并簡單介紹了斷裂力學(xué)損傷力學(xué)在巖土工程中的實際應(yīng)用。最后，通過對巖石破壞的斷裂-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際破壞過程的一種新的理論,可在以后的理論研究和實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
2、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,是作為過程而展開的。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,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
3、力學(xué)所研究的是連續(xù)分布的缺陷,物體中存在著位錯、微裂紋與微孔洞等形形色色的缺陷,這些統(tǒng)稱為損傷。從宏觀來看,它們遍布于整個物體。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)致破壞的過程和規(guī)律。事實上,物體中往往同時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,為了更切合實際,就必須把損傷力學(xué)和斷裂力學(xué)結(jié)合起來,用于研究物體更真實的破壞過程。2斷裂力學(xué)2
4、.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，尋求裂紋長度、材料抗裂紋增長的固有阻力、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)時格里菲斯為了研究玻璃、陶瓷等脆性材料的實際強(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行過程中存在或產(chǎn)生裂紋的設(shè)想，計算了當(dāng)裂紋存在時，板狀構(gòu)件中應(yīng)變能變化進(jìn)而得出了一個十分重要的結(jié)果：。1949年，奧羅萬在分析了金屬構(gòu)件的斷裂現(xiàn)象后對格里菲斯的公式提出了修正，他認(rèn)為
5、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年提出的解平面問題的一個應(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)力問題，并引
6、入應(yīng)力場強(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，并建立起測量材料斷裂韌性的實驗技術(shù)，從而奠定了線彈性斷裂力學(xué)的基礎(chǔ)。斷裂力學(xué)的研究內(nèi)容：①裂紋的起裂條件。②裂紋在外部載荷和（或）其他因素作用下的擴(kuò)展過程。③裂紋擴(kuò)展到什么程度物體會發(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)還有多長的壽命等。2.2巖石斷裂力學(xué)的研究特點巖石斷裂力學(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
7、學(xué)在巖體中應(yīng)用的科學(xué)。它也包括兩個內(nèi)容：分析裂縫端部的應(yīng)力場和位移場；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)的主要問題也是合理地確定巖石斷裂韌度。近幾年來，在金屬斷裂研究與應(yīng)用方面，開展了許多工作。對于裂紋巖石斷裂的研究和應(yīng)用，國外也已引起高度重視，但國內(nèi)尚處于初始階段。許多采礦工程中的實際問題，如礦山地壓，井巷破壞，采場頂板的下沉與管理，巖層移動，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?？梢灶A(yù)料，
8、斷裂力學(xué)將在礦山工程實際應(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)用由于淺源地震過程，本質(zhì)上是地殼巖石大規(guī)模的斷裂過程，所以引用斷裂力學(xué)來研究地震，便成為人們所注意的向題。在這方面，國內(nèi)已經(jīng)做過不少工作。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一能量公式用來求得震源參數(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)報的目的；又如采用流變一斷裂模型，來解釋余震序列的時間滯后特性；再如用斷
