岩石的损伤机理及其力学性质的

岩石的损伤机理及其力学性质的研究摘要：岩石损伤力学是八十年代发展起来的岩石力学研究的新分支，主要研究岩石在载荷作用下微裂纹、微孔洞发展，最后导致破坏的过程与规律。由于岩石力学性质的复杂性，目前还没有建立成熟和实用的岩石损伤演化模型。因此，探讨更符合岩石力学性质的损伤演化机理具有重要的理论与实际意义。关键词：岩石；损伤；机理；力学特性引言岩石是一种非均匀的各向异性材料，内含微裂纹，有时还有宏观的缺陷，例如裂纹、空隙、节理等。当这些缺陷存在且材料对缺陷敏感时往往容易发生突然破坏。由于岩石不同于一般材料的特性，因此，必须寻找一种新的合适的方法来研究岩石这种复杂材料的力学特性。岩石损伤力学是上个世纪八十年代发展起来的岩石力学研究的新分支，主要研究岩石在何在作用下微裂纹、微空洞发展，最后导致破坏的过程和规律。因此，探讨符合岩石力学性质的损伤演化模型具有重要的理论与实际意义。1损伤力学的相关概念损伤是指在外载荷和环境的作用下，由于细观结构的缺陷（像微裂纹、微空洞）引起的材料或结构的裂化过程。损伤是研究含损伤介质的材料性质，以及在变形过程中损伤演化发展直至破坏的力学过程。损伤力学是近20多年来发展起来的一门新的学科。为了描述上的方便，引入了抽象的“损伤变量”[1-2]概念，它可以是各阶张量，如标量、矢量、二阶张量等，用来概括描述损伤。设有一均匀受拉的直杆，其原始面积为，认为劣化的主要机制是由于微缺陷导致的有效承载面积见效，出现损伤的面积为，试件的实际承载面积为，则定义为损伤因子，定义为连续因子，于是有为理想无损伤材料，为完全损伤材料，而实际材料的损伤因子介于两者之间，密度和体积质量的变化可以直接反映损伤。有效应力的概念，试件不考虑损伤时，其表现应力为，当考虑损伤时其有效应力，于是或式中，表示表观应力与有效应力的比值；的应力增量为和有效应力的比值，由此可以通过应力或模量的测量来确定损伤因子[1]。另外，损伤可以分为弹性损伤、弹塑性损伤、疲劳损伤、蠕变损伤、腐蚀损伤、照射损伤、剥落损伤等。通常研究两大类最典型的损伤，由裂纹萌生与扩展的脆性损伤和由微孔洞的萌生、长大、汇合与扩展的韧性损伤。介乎两者之间的还有准脆性损伤。损伤力学主要研究可见缺陷或裂纹出现以前的力学过程。含宏观裂纹物体的变形以及裂纹的扩展是断裂力学研究的内容。根据对损伤处理方法的不同，把损伤力学分为两个分支，即连续介质损伤力学和细观损伤力学。连续介质损伤力学[3]把损伤力学参数当作内变量，是用宏观的变量来描述微观变化，利用连续介质热力学和连续介质力学的唯象方法，研究损伤的力学过程。它着重考察损伤对材料宏观力学性质的影响以及材料和结构损伤演化的过程和规律，而不细察其损伤演化的细观物理与力学过程。只求用连续损伤力学雨季的宏观力学行为与变形行为符合实际结果和实际情况，他虽然需要微观模型的启发，但是并不需要以微观机制来导出理论关系式，不同的作者选用具有不同意义的损伤力学参数来定义损伤变量，通常所说的损伤力学即是连续介质损伤力学。细观损伤力学是从非均质的习惯材料出发，采用细观的处理方法，根据材料的细观成分——基体、颗粒、空洞等的单独行为与相互作用来建立宏观的本构关系。损伤力学的细观理论是一个采用多重尺度的连续介质理论，其研究方法是两（多）段式的，第一步从损伤材料中取出一个材料构元，它是从试件或结构尺度上可视为无穷小，包含了材料损伤的基本信息，无数构元的总和便是损伤的全部。材料构元体现了各种细观损伤结构（如空洞群、微裂纹、剪切带内空洞富集区、相变区等）然后对承受宏观应力作为外力的特定的损伤结构进行力学计算（这个计算中常作各种简化假设），便可得到宏观应力与构元总体应变的关系及与损伤特征量的演化关系。这些关系即对应于特定损伤结构的本够方程，又可用它来分析结构的损伤行为。从细观损伤力学出发，关于材料损伤的扩展已进行了不少工作。在用细观损伤力学对裂纹岩石稳定性进行分析时，我们通常把预存的裂纹也做为一种损伤来统一处理。实验观察表明，不同的岩石材料，由于其中所含的微裂纹的数量和尺寸等差异，由微观裂纹的孕育形成、扩展和汇合成主裂纹的脆性破坏过程和由空洞形核、长大、和微孔洞群汇合的韧性损伤破坏过程[4-6]。损伤过程相当于应变的积累和局部化，这些过程显然是不可逆的。元细观损伤湾力学的主味要贡献在镇于愧对棒“欠损亲伤运”赴赋予了真熄实的几何烛形象和具资有力学意趴义的演化趋过程。深蚂化了对损太伤过程本趣质的认识塔，它比宏雹观的连续蓝损伤力学梨具有更基等本的意义前。邀但是，它杂还存在着细许多的困侵难，例如酬，从非均职质的微观遗材料需要岁经过许多暗简化假设哀才能过渡使到宏观均融质材料。窜由于微观啄的损伤机充制非常复蝶杂，人们犬对于微观容组成部分筹的了解还者不够充分拣，它的完标备性与实族用性还有电待于进一糖步研究，狠然而，研颜究进展表伏明，从长赖远而言，滴这一方法昏是非常具描有吸引力改的。山2的岩石的守损伤机理勇及其力学萌特性德2.喝1拍岩石的损仰伤机理胞岩石的损留伤破坏机榨理，是岩妄石力学和拢工程的一闻个重要问稼题。岩石挥中自然存熊在着微孔盾隙和微裂错纹，因此芳，岩石是胜一种自然缓损伤材料籍受载岩石艰在超过弹菜性极限液后差晓表现出明体显的非弹像性变形拢[7-1铸1]纽。造成岩跪石非弹性殿变形的蓄主最丰要或直接汪原因可以梳认为有如斑下几种爱：虹(1班)递岩石中的虾微裂纹与料微孔隙压床密后重新忠张开和扩犁展示；鄙(2驱)择岩石中微问缺陷造成朽局部应力负集中；这士些因素在稍微观上描刑述并不总自是一致的奸，这与各腾自的观察霞技术和设防备有关，盏可以表述宽如下。湿2.1.背1经微裂纹的身尺寸甜在光学显乌微镜下观消察到的岩满石微裂纹早的尺寸大罩约与晶粒击尺寸是同梯量级的，店而在电子房显微镜下超观察到的戏微裂纹的鞭尺寸约是超晶粒尺寸撤的的1/1拒0羽左右。在爹弹性变形教的初始阶志段主要是溪沿晶界破境裂，即微订裂纹基本向上沿晶界蹲边缘分布径。在一些授结构松散催的岩石中协如红砂岩绑几乎有受30%漠左右的晶轰粒边界上占和结晶面棋上存在大筝量的微孔洋洞，这些刑孔洞在低翁应力下就匪可以产生坟应力集中惑而相互贯滥通，形成谋穿晶断裂婶裂纹。这枯样，在变争形过程中娇岩体内的盾微裂纹尺己寸可认为妨与晶粒尺抖寸同一量纽级寿[12]暂。深2.1.愉2怜微裂纹的墓方位吸微裂纹具峰有一定的扭方向性，第它是宏观盾上压、张浅、扭性结扮构所具有扯的各种形捡态特征有芹机地结合嗓在一起的问综合反映袭，是应力勉作用的产参物。在单世轴压缩下钻，轴向微烂裂纹是占醒主导的。业在非弹性绪变形初期择，增加的南微裂隙与确加载轴向肠成岭1汤5蒸～炒30余度的交角编，而在非俗弹性变形俱中期至后讲期，微裂盗纹趋向于贞轴向发展笔，裂隙在桶轴向相互味贯通，发纯展成几条湿轴向亚微封长裂纹，抵而长裂纹榨延伸方向干以外的其键它微裂纹躁却不再变签化了。如螺砂岩在单爽轴应力作顾用下，所歪形成的微最裂纹大多龄向轴向应笑力方向靠稠近。敌2.1.补3吧微裂纹的孟分布密度学在岩石内沿部原始地裁随机分布毯着大量微嫁裂纹，且烫其长度大膀多小于枣0.5m答m租。随着轴兼向压应力巴的不断增裁加，其内蔑部不同长响度范围内让的微裂纹准数目具有辫不同程度娱的增加，答且其增加辣速度也越颗来越快。酱研究表明绢：随轴向爱应力的不验断增加，古与轴向应歪力方向较洲小角度的获微裂纹数替目的增加被速度较之赶与轴向应扒力较大角稀度的微裂阿纹数目增搁加速度快冷得多。由遭此可以进绣一步推证然：随着轴柜向应力的次不断增加缓，其内部泰所产生的娃大量微孔蓬洞几乎都植是平行于旁轴向应力宇方向的。萝对于存在射宏观裂纹俯的岩石，珍在受载下怎，宏观裂芽纹尖端将圈产生一个祖微裂纹网仗络猴(杯或者说损逮伤绢区颤)研，随着荷扰载的增加秤，微裂纹留网络增大副，微裂纹耳的分叉也社不断增加披。南以上可以送看到，岩再石非弹性售变形和破撤坏的微观狮特性最主食要地体现峡为：微裂谨纹尺寸同焦晶粒同量插级；轴向治微破裂是浇占主导的那，是应力堪作用的产肉物；几乎马没有宏观狱塑性区形启成。根据粮这些来自循微观实验袜的观察结旁果，在建膊立岩石损寸伤模型时及可以认为券：估(1踢)催岩石损伤算可认为是妄弹塑性损铜伤充；涉(2司)勤损伤演化霉应是应力碑应变状态刷的函数。盈2.浸2婶岩石的应厌力唇-买应变关系局分析绿实际典型都的岩石应米力标—倒应变曲线室[13]内为如红图夸a扶所示的形娱式。赠在孤O蛮A扔和粮A仓B次这两个区佳段内，岩搬石很接近勿弹性的，链可能稍有灯一点滞回惹效应，但扎是在这两交个区段内慎加载与卸酒载对于岩躁石不发生充不可恢复承的变形。惑第三区烈段金B螺C慈的起景点涉B辉往往是隆在秧C钉点最大应远力值竿的伸2/爬3晨处，萄从疯B坛点开始，母应跌力忘—玉应变曲线腥的斜率随惊着应力的尝增加而逐懒渐降低到训零。在这沸一范围内尿，岩石将烛发生不可柏恢复的变奇形，加载野与卸载的辣每次循环果都是不同权的曲疮线索(写如后图膨a)涂[14酷]寨。狠四区供段扇C呢D袭，开始于遥应惑力僵—限应变曲线别上的峰建值腰C伐点，其特贪点是这一肆区段上曲姥线的斜率哭为负值。混在这一区忘段内卸载肆可能产生万很大的残丢余变形。况图霸中凑S滤T论表示卸载俯曲线。在溪这一范围手内的特点妇是岩石表掩现出脆性辽性质，由销于试件的暗反作用力肺在破坏时恼开始减小仇，作用在造试件上的原力也要随栽着发生微绘小移动而岩相应地缓笑慢减小。敞通过这一今讨论，我址们就不难辽理解在矿倚山开采中影有些矿柱任虽已破坏羡但仍保持滨完整的机啊理。从积图胀a随上所示破级坏后的荷炕载循纵环响ST果U养来看，破雁坏后的岩碗石仍可能址具有一定歉的刚度，侄从而也就便可能具有览一定的承勉载能力。孕以上分析倚了应仰力纠—独应变曲线掩的四个区稻段肚[15]任。研究表井明：第一愧区段属于理压密阶段蜻，这是由温于细微裂荷隙受压闭古合造成的泊；第二区孝段慕A爱B挽相应于弹谦性工作阶面段，应力携与应变关俭系曲线为品直线；第圣三阶双段咐B阴C剖为材料的辟塑性性状茅阶段，主季要是由于如平行于荷改载轴的方渴向开始形漆成新的细乘微裂隙撞，作B坊点是岩石料从弹性转矩变为塑性洗的转折点藏，也就是持所谓屈服感点，相当纲于该点的符应力称为娇屈服应力形；最后区枪段掌CD玩为材料的武破坏阶段磁，躁C斗点的纵坐老标就是单脂轴抗压强坟度选[16]锅。班2.组3栏岩石损伤凳模型分析坡常用的岩舰石损伤模典型目前主瓣要有伐Lola寻nd躺模型、史Marz范ars银模型、匀Sido浩roff咬损伤模型会、分段曲逢线模型，猪这四种模疏型都是在萄研究岩石爸类材料破懂坏行为得绍出的结果立，其研究仗方法都是手参照试验俯得出的全扔应力应变浴曲线，将按曲线划分购为两个阶偏段，即应斑力峰值以炮前和峰值备以后，对瓦应于这两留个阶段，瓶损伤的扩喘展分为两支个区域，继每个区域贱内的损伤嘱扩展用不惧同的函数男模拟昌[17]畅。煎2.3.废1Lo索lan丝d烘模型汪Lola筝n旨d仙模型认为嘴当应力接趁近峰值时江，应力应挤变关系曲馆线已偏离跃直线，这扛意味着应岩力达到最灰大值以前辩，材料中蔬己经发生启了连续损最伤。缘在棕Lola握n耐d球模型中将般这种材料缝的损伤分要为两个阶哪段，第一冶阶段是在服应力达到乌峰值之前蚁，即当应着变小于峰既值应力对耐应的应变亡时，在整厉个材料中交发生分布霞的微裂纹汁损伤，第赢二阶段是表当应变大曲于余时，损伤坦主要发生慧在破坏区帜内。岩石链的应力应段变曲线可惭以写成丸鸦胜（垄≤议）爬处禁敌(1)纯轨剃（侍＞喘）效押南奋(2)屯式中，驾为初始损半伤值。由路此可得到他如下的损芦伤演变方萄程，庸和勉饺戏0峰≤深≤截≤填≤饲(3毯)咽式中，棒，渡和丽为材料的筋常数；畜为材料的白断裂应变肥。由边界读条件也时，扩及，怨，并考虑赴到撞时，接，得到材尝料常数的探表达式式中，。冤2.3.婚2康Marz访ars核模型牙Marz彻ars剩模型认为斑，岩石类储脆性材料斤的应力应西变关系曲叉线一般可涝以分为线津弹性、非诉线性强化窃、应力跌猴落和应变努软化等阶粪段。而且分，实验中沙得到的这牵种应力应肿变关系曲阔线通常还娱与实验机磁的刚度、朝加载方式野等有关。眯为此，谨Maza陶rs澡模型将脆称性材料的跑压缩应力竟应变关系伐分两段描合述，在应饲力达到峰昆值强度之梅前即使有属损伤，也蜂由于慧曲线变化仇与直线偏倦差不大而绕认为是线夺性的。设寿是损伤开垃始时的应圾变，也是飞峰值应力年对应的应丝变，当时如，认为材扭料无损伤钉，即逗；当陷时，况Maza肿rs黎模型假设润应变增加部按指数函琴数下降，另它对应于寄宏观裂缝莲的形成及厨快速失稳渠破坏，刚健度急剧下被降，材料裙有损伤，柿即增。吨Maza勉rs偷模型通过器拟合的应侵力应变关醋系建立了妨单轴压缩断时的损伤呢本构关系顷：践式中原，思表示单轴润压缩时材敞料常数。签由此可得贡Maza陕rs倘模型中的话名义应力加和损伤变蚂量达随应变校的变化曲弦线（如图亮d始，图须e愁）。舱2.3.匪3氏分段曲线酬损伤模型躲该模型认饼为在应力粮达到峰值慢应力前后叫都有损伤胸演化，并缘用不同的轿曲线方程吊来拟合，防分别表示楚为：澡式中，育、丸和杂为材料常或数，肥和杰为曲线参存数，取奏，出。该模型绣的应力应扩变曲线和铜损伤演化蛮曲线如图营f咸和图献g增所示踪[18-抵20]雄。3.结语篮岩石内部油存在大量览的节理和桥裂隙，虽胳然这些节忽理和裂隙挺的规模不哄大，但它嫌们的存在孕大大地改矮变了岩体趋的力学性淘质，降低旱了变形模狠量和强度要参数，且圈使岩体呈四各向异性米，用以往皇的研究方搬法已不能抖很好解决朵这些的问枪题。损伤猫力学从岩剃石内部的副节理、裂临隙着手，甩分析其各坡向异性，嘉为解决节船理岩体损思伤破坏机太理的研究编提供新思汪路，对解翼决岩石这状类脆性材拣料损伤破素坏可以起罩到较好的规效果。毛(a必)好岩石的应瞒力羞—教应变曲线咸颈(b苍)Lol娱and赴智模型中应黄力与应变零关系曲线铃(c)搅Lola剃n泰d杠模型中损金伤与应变往关系曲线厅(d)健Marz该ar晶s割模型中应崭力与应变弃关系曲线伞(e)园Marz绿ar碰s曲模型中损滔伤与应变努关系曲线旁(f隶)啊分段曲线毁模型中应克力与应变搞关系曲线歉参考陡文献刚[1闻]完秦跃饼平砍,锅初孙文缠标乳,遍定王据磊炉.边腐岩石损伤炊力学模型物分恋析演[J].叉盲岩石力学勺与工程学示报么,200同3,22舅(5):远702-拌705太[2全]喝李树上茂模,咱圣齐蜻伟趁,跪过刘红魄帅共.泉识岩体损伤篇力学理论氧进删展碧[J].胶肤世界地奋质尺,200再1,20必(1):稿72-7奇8茅[3嗓]企刘泪洋四,置锁赵明怪阶复.咳诵岩石损伤丑本构理论纵研究综俊述道[J]丑.火山东交通蓝学院学宣报假,200狼5,13隶(4):卷40-5车1警[4失]阀周小蒸平候,目颗王建奸华泉,瞧狼张永侧兴蛇,班拿哈秋匆聆去.挥单轴拉伸型条件下细肃观非均匀傻性岩石损资伤局部化钞和应力应芳变关系分果析拔[J]腰.其应用数学闪和力父学想,200贝4,25晓(9):阁943-疾950勒[5兼]放周小悬平种,救剩张永油兴滩,窃跨哈秋炕聆却,筒右王建距华棋.饥压应力状墨态下细观烛非均匀性柏岩石的损遭伤局部化搂和应力应千变关系分我析设[J]粘.该应用数学各和力够学亡,200讲4,25禽(9):察951-阶957特[6搭]然张全临胜武,诞笨杨更乳社需,径粒任建绩喜宵.线岩石损伤砌变量及本序构方程的脱新探磨讨的[J]决.潮岩石力学吓与工程学荒报牧,200订3,22私(1):秘30-3品4替[7妨]脚秦跃叉平艘,麻水张金径峰骡,健筝王塑林厅.反强岩石损伤鼻力学理论我模型初怜探父[J].虚冈岩石力学衡与工程学苍报场,200铃3,22退(4):袭646-仍650克[8番]纤刘涂立衬,饱剥李恒月镰,地幸梁移伟墨.店岩石微空贱隙与损伤文演化研蚊究季[J]就.骂西华大学算学洽报接,200宫5,24校(6):嫩72-7迅3丛[9趋]痕刘廉立病,飞马时业强擦,柏陈捕睿批,类乔高奸乾统.酸岩体损伤饰与破坏过栽程研睡究栏[J].婶寒西华大学拒学嗽报放,200配7,26桥(6):颜77-8小2生[10眯]派徐首涛更,毛式唐春舌安读,梢趣张哲增等貌.旷凯单轴压缩浆条件下脆城性岩石变腾形破坏的寻理论、试礼验与数值倒模鸭拟架[J].胡乱东北大学如学娇报删(再自然欢