岩石的损伤力学及断裂力学综述

岩石的断裂力学及损伤力学综述摘要：论述了国内外断裂力学及损伤力学的学科发展历程，总结了岩体断裂力学损伤力学的研究内容、研究特点以及岩石力学专家们一些年来所取得的主要成果，并简单介绍了断裂力学损伤力学在岩土工程中的实际应用。最后，通过对岩石破坏的断裂-损伤理论的阐述，指出了综合考虑损伤与断裂的破坏理论是能更好地反映岩石实际破坏过程的一种新的理论,可在以后的理论研究和实际工程中得以更为广泛的应用。关键词：岩石断裂力学损伤力学应用1引言岩石的破坏过程总是伴随着损伤(分布缺陷)和裂纹(集中缺陷)的交互扩展,这种耦合效应使得裂纹尖端附近区域材料必然具有更严重的分布缺陷。岩石的破坏,如脆性断裂和塑性失稳,虽然有突然发生的表面现象,但是,从材料损伤的发生、发展和演化直到出现宏观的裂纹型缺陷,伴随着裂纹的稳定扩展或失稳扩展,是作为过程而展开的。经典的断裂力学广泛研究的是裂纹及其扩展规律问题。物体中的裂纹被理想化为一光滑的零厚度间断面。在裂纹的前缘存在着应力应变的奇异场,而裂纹尖端附近的材料假定同尖端远处的材料性质并无区别。象裂纹这样的缺陷可称它为奇异缺陷,因此经典断裂力学中物体的缺陷仅仅表现为有奇异缺陷的存在。而损伤力学所研究的是连续分布的缺陷,物体中存在着位错、微裂纹与微孔洞等形形色色的缺陷,这些统称为损伤。从宏观来看,它们遍布于整个物体。这些缺陷的发生与发展表现为材料的变形与破坏。损伤力学就是研究在各种加载条件下,物体中的损伤随变形而发展并导致破坏的过程和规律。事实上,物体中往往同时存在着奇异缺陷和分布缺陷。在裂纹(奇异缺陷)附近区域中的材料必然具有更严重的分布缺陷,它的力学性质必然不同于距离裂纹尖端远处的材料。因此,为了更切合实际,就必须把损伤力学和断裂力学结合起来,用于研究物体更真实的破坏过程。2断裂力学2.1断裂力学学科发展“断裂力学”指的是固体力学的一个重要分支，该学科要在假定裂纹存在的条件下，寻求裂纹长度、材料抗裂纹增长的固有阻力、以及能使裂纹高速扩展从而导致结构失效的应力之间的定量关系。断裂力学最早是在1920年提出的。当时格里菲斯为了研究玻璃、陶瓷等脆性材料的实际强度比理论强度低的原因，提出了在固体材料中或在材料的运行过程中存在或产生裂纹的设想，计算了当裂纹存在时，板状构件中应变能变化进而得出了一个十分重要的结果：。1949年，奥罗万在分析了金属构件的断裂现象后对格里菲斯的公式提出了修正，他认为产生裂纹所释放的应变能不仅能转化为表面能，也应转化为裂纹前沿的塑性应变功，而且由于塑性应变功比表面能大得多以至于可以不考虑表面能的影响，其提出了以下公式：该公式虽然有所进步，但仍未超出经典的格里菲斯公式范围，而且同表面能一样，应变功U是难以测量的，因而该公式仍难以应用在工程中。断裂力学的重大突破应归功于欧文应力场强度因子概念的提出，以及以后断裂韧性概念的形成。1957年，欧文应用Westergaard·H·M在1939年提出的解平面问题的一个应力函数求解了带穿透性裂纹的空间大平板两向拉伸的应力问题，并引入应力场强度因子K的概念，随后又在此基础上形成了断裂韧性的概念，并建立起测量材料断裂韧性的实验技术，从而奠定了线弹性断裂力学的基础。断裂力学的研究内容：=1\*GB3①裂纹的起裂条件。=2\*GB3②裂纹在外部载荷和（或）其他因素作用下的扩展过程。=3\*GB3③裂纹扩展到什么程度物体会发生断裂。另外，为了工程方面的需要，还研究含裂纹的结构在什么条件下破坏；在一定荷载下，可允许结构含有多大裂纹；在结构裂纹和结构工作条件一定的情况下，结构还有多长的寿命等。2.2岩石断裂力学的研究特点岩石断裂力学是岩石力学的新的分支学科，是研究岩石断裂韧性和断裂力学在岩体中应用的科学。它也包括两个内容：分析裂缝端部的应力场和位移场；确定岩石断裂韧度。由于断裂力学逐渐被许多岩石力学工作者所接受，近年来这方面的研究成果显著增加。当前岩石断裂力学的主要问题也是合理地确定岩石断裂韧度。近几年来，在金属断裂研究与应用方面，开展了许多工作。对于裂纹岩石断裂的研究和应用，国外也已引起高度重视，但国内尚处于初始阶段。许多采矿工程中的实际问题，如矿山地压，井巷破坏，采场顶板的下沉与管理，岩层移动，露天矿边坡的稳定性，岩石断裂机理等等，都将提到岩石断裂力学研究的日程上来。可以预料，断裂力学将在矿山工程实际应用方面表现出强大的生命力。2.3岩石断裂力学的工程应用（1）岩石断裂力学在地震研究中的应用由于浅源地震过程，本质上是地壳岩石大规模的断裂过程，所以引用断裂力学来研究地震，便成为人们所注意的向题。在这方面，国内已经做过不少工作。例如把断裂力学中的应变能释放率公式和位移公式与震级一能量公式用来求得震源参数与地壳岩石应力状态之间的关系，以服务于地震预报的目的；又如采用流变一断裂模型，来解释余震序列的时间滞后特性；再如用断裂力学理论分析圆盘裂纹稳态扩展条件，进而讨论断层参数、应力场参数和岩石物理力学特性参数与膨胀现象间的关系，以解释有的地区震前没有膨胀现象而有的地区震前却有强烈的膨胀现象。目前金属断裂力学多注意拉应力的作用，但用到多裂隙介质的岩石中来时，则多是断裂面处在压应力下的断裂力学问题，会具有自己的特点，这方面似需作许多进一步的工作。岩石在宏观的裂纹出现以前，就已经产生了微观裂纹和微观孔洞，可以把这些微观缺陷的出现和扩展称为损伤。断裂力学则只研究固体中裂纹型缺陷扩展的规律，却无法研究分析宏观裂纹出现以前材料中的微缺陷或微裂纹的形成及其发展对材料力学性能的影响，而且许多微裂纹的存在并不能简化为宏观裂纹，这是断裂力学理论本身的局限性。损伤力学的产生从某种程度上弥补了断裂力学的这种不足，它主要是在连续介质力学和热力学的基础上，采用固体力学方法，研究材料宏观力学性能的演化直至破坏的全过程。事实上，在物体的破坏过程中，往往同时存在损伤(分布缺陷)和裂纹(奇异缺陷)，而且在裂纹尖端附近的材料必然具有更严重的分布缺陷，其力学性质必然与距裂纹尖端远处不同，因此，为了更切合实际，就必须把损伤力学与断裂力学结合起来研究物体的破坏过程。通过上面的讨论，可以看出在对岩石等材料的破坏过程进行研究时，仅仅利用断裂力学或损伤力学的理论是不够的，它们中的任何一个都不能很好地反应出岩石在外载荷作用下的实际破坏过程，而只有更好地把两者统一地结合起来才能对岩石的实际破坏过程有一个更加切合实际的描述。然而岩石在外载荷作用下的破坏过程，是一个复杂的、包含损伤与断裂共同作用的力学过程，这两种状态通常是相互包含、相互作用。所以，在实际分析问题时，不应该强调二者的具体分工，而应根据实际情况，更好地把两者结合起来。目前也有很多文献，把损伤与断裂结合起来考虑问题，提出了综合考虑材料损伤与断裂的破坏力学理论，该理论也已在实践中得到了一定的应用。可以相信，在不久的将来，将损伤理论与断裂理论结合起来的破坏理论一定会在工程实践和理论研究中得到更为广泛的应用和更大的发展。5结语1)岩石可视为一种非均质的多相复合结构,而且天然存在各种大量的缺陷,且这些缺陷的分布具有一定的随机性。岩石在受到外界作用以后,弥散在岩石内部的微缺陷不断变化,在部分区域出现贯通,进而形成宏观裂缝,导致岩石失稳破坏。2)岩石的破坏过程是非常复杂的,如果只是单纯用经典弹塑性力学或断裂力学的方法来描述,将难以获得理想结果,因此在岩石强度理论研究中引入了损伤力学的方法,以便最终建立宏、细、微观多层次耦合的岩石强度理论。3)岩石力学特性的复杂性在于其组织结构的各向异性导致的非线性特点,只有摆脱传统线性分析的束缚,寻求非线性分析手段,才有可能使岩石力学的研究向前迈进。4)将系统论、控制论、信息论等引入岩石力学研究中,并发挥计算机技术在数值计算、虚拟现实等方面的优势,可促进岩石强度理论分析及应用的新发展。参考文献(References)：[1]DavidRoylance.FracturemechanicsIntroduction[M].MassachusettsInstituteofTechnology,2001.[2]陈培善、谷继成、李文香
从断裂力学观点研究地震的破裂过程和地震预报
地球物理学报
，第20卷
，第3期，1977年。[3]谷继成、谢小碧、赵莉
强余震的时间分布特征及其理论解释，地球物理学报，第22卷，第1期，1979年。[4]丁文镜
对某些与膨胀现象有关因素的定性分析,地球物理学报,第22卷，第1期,1979年.[5]潘家铮,断裂力学在水工结构中的应用,水利学报,1980年,第1期.[6]周群力等,混凝土重力坝与基岩胶结面用断裂力学方法进行计算的探讨.水文地质工程,地质,1979年第6期.[7]陶振宇,关于岩石断裂力学问题.水文地质工程地质,1979年第6期.[8]杨更社.岩石损伤特性的CT识别[J],岩石力学与工程学报,1996,(1):48～54.[9]沈珠江。土体结构性的数学模型-2l世纪土力学的核心问题岩土工程学报。1996，18；95-97[10]LolandKEContinuumdamagemodelforloadresponseestmiationofconcrete[J]CementandConcreteResearch，1980(10):395-402�[11]刘红岩，李俊文，徐留宏基于综合考虑损伤与断裂的岩石爆破破坏力学模型[J]有色金属(矿山部分)，2005，57(1):35-37[12]李洪升，杜小振冰体材料损伤与断裂破坏的本构理论[J]冰川冻土，20