斷裂力學(xué)在巖石性質(zhì)研究中的發(fā)展

謝紹明

Research 研究探討

斷裂力學(xué)在巖石性質(zhì)研究中的發(fā)展

謝紹明

（重慶交通大學(xué)，重慶 400074）

不良性質(zhì)的巖體會(huì)引發(fā)重大的工程問題，對(duì)巖石的力學(xué)性質(zhì)研究是土木工程中重點(diǎn)。而斷裂力學(xué)的發(fā)展，對(duì)巖石的力學(xué)性質(zhì)的研究也起到了推動(dòng)作用。本文論述了斷裂力學(xué)和巖石斷裂力學(xué)各自的研究?jī)?nèi)容及特點(diǎn)，介紹了兩個(gè)學(xué)科的融合以及發(fā)展，最后提出了斷裂力學(xué)在巖石性質(zhì)研究中的不足及展望。

斷裂力學(xué)；巖石力學(xué)；巖石斷裂力學(xué)

0 引言

在道路工程、鐵路工程以及房建工程等土木工程活動(dòng)中，周圍巖石的工程性質(zhì)是影響施工設(shè)計(jì)的重要因素。力學(xué)性質(zhì)較差的巖土體容易導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)，從而導(dǎo)致崩塌落石、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。而巖石中的裂隙發(fā)育，是影響巖土體性質(zhì)的主要原因。在各個(gè)地質(zhì)年代的地殼運(yùn)動(dòng)的作用下，巖石就會(huì)產(chǎn)生裂隙、節(jié)理以及斷層等，因此便會(huì)形成裂隙巖體。巖石斷裂力學(xué)就是通過斷裂力學(xué)對(duì)裂隙巖體工程性質(zhì)的研究，為研究裂紋巖體提供了理論基礎(chǔ)和分析方法。

1 斷裂力學(xué)與巖石力學(xué)

1920年Griffith[1]針首次對(duì)脆性材料的斷裂規(guī)律進(jìn)行研究，揭示了在脆性材料中斷裂應(yīng)力對(duì)裂紋尺寸影響規(guī)律。這次研究的結(jié)論作為了斷裂力學(xué)能量理論的基本理論，但由于很多材料在裂紋擴(kuò)展中會(huì)產(chǎn)生一定的塑性變形，因此其理論僅適用于脆性材料，不適用于彈性材料。Irwin在1957年提出了應(yīng)力強(qiáng)度因子的概念，這一概念使線彈性斷裂理論取得了重大突破，得到了裂紋端部應(yīng)力場(chǎng)位移場(chǎng)的近似表達(dá)式。以此為基礎(chǔ)建立起了線彈性斷裂力學(xué)，作為了斷裂力學(xué)的最初分支。斷裂力學(xué)分為三種基本斷裂類型：Ⅰ型斷裂、Ⅱ型斷裂以及Ⅲ型斷裂。

巖石的破壞是損傷和裂紋的交互擴(kuò)展的一個(gè)過程，這會(huì)導(dǎo)致巖石裂紋尖端附近產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力分布缺陷。巖石裂紋尖端區(qū)域與裂紋尖端遠(yuǎn)處區(qū)域的力學(xué)性質(zhì)有很大的不同。因此，將斷裂力學(xué)運(yùn)用于研究巖石裂隙的力學(xué)性質(zhì)，是有著科學(xué)意義的。

2 巖石斷裂韌度的測(cè)試方法

3 巖石斷裂力學(xué)的應(yīng)用

3.1 巖石斷裂力學(xué)在地震研究中的應(yīng)用

因?yàn)闇\源地震實(shí)質(zhì)上是地殼巖石的大規(guī)模斷裂而引發(fā)的，所以將斷裂力學(xué)運(yùn)用在地震研究上，便成為了學(xué)者們的研究方向。在這方面的研究，國(guó)內(nèi)學(xué)者已取得了一些成果。有學(xué)者通過研究發(fā)現(xiàn)震源參數(shù)與地殼巖石應(yīng)力狀態(tài)之間的關(guān)系可以通過斷裂力學(xué)中應(yīng)變能釋放率公式和位移公式來得到，從而有利于地震的預(yù)報(bào)。余震序列的時(shí)間滯后的特性也可以用斷裂力學(xué)中的流變-斷裂模型來解釋。有的地區(qū)震前會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的膨脹現(xiàn)象，這種現(xiàn)象也可以利用斷裂力學(xué)的理論分析圓盤裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展條件、地震區(qū)應(yīng)力場(chǎng)參數(shù)及巖石力學(xué)參數(shù)，從而解釋這種現(xiàn)象。

3.2 巖石斷裂力學(xué)在工程上的其他應(yīng)用

噴錨支護(hù)是邊坡防護(hù)工程中的常用防治措施，已有學(xué)者利用巖石斷裂力學(xué)來分析考噴錨支護(hù)防治邊坡失穩(wěn)的機(jī)理作用，并對(duì)此進(jìn)行設(shè)計(jì)[11]。在巖石爆破的工程實(shí)際中也可用到巖石斷裂力學(xué)來分析，巖石斷裂力學(xué)是控制爆破的重要理論基礎(chǔ)。在各大工程勘察過程中，有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)巖心對(duì)于巖餅裂餅現(xiàn)象，這種現(xiàn)象也有國(guó)內(nèi)學(xué)者利用斷裂力學(xué)進(jìn)行了分析討論[12]。對(duì)于重力壩，用常規(guī)的力學(xué)來分析處于應(yīng)力奇點(diǎn)的壩踵應(yīng)力是比較困難的。而用斷裂力學(xué)的分析方法是可以用來分析壩體開裂條件的。重力壩的壩體的開裂失穩(wěn)的過程可以采用斷裂力學(xué)的方法來分析，使目前規(guī)范更接近于實(shí)際工程情況。

4 斷裂力學(xué)對(duì)巖石材料的研究的展望

經(jīng)過各種構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的演變，巖石通常存在節(jié)理、軟弱面及斷層等特征，這就導(dǎo)致了巖石力學(xué)性質(zhì)的特殊性。巖石的力學(xué)性質(zhì)具有非連續(xù)性，但是巖石卻不是離散介質(zhì)，他在性質(zhì)上具有非線性、隨機(jī)性等特性[13]。斷裂力學(xué)理論是建立在金屬固體的連續(xù)性、均勻性的假設(shè)上的，因此經(jīng)典的斷裂力學(xué)理論是不能直接運(yùn)用到巖石力學(xué)上的。在用斷裂力學(xué)的理論研究巖石的破壞問題時(shí)，我們應(yīng)該將巖石不同于其他連續(xù)固體的特殊性質(zhì)考慮進(jìn)去。國(guó)內(nèi)外學(xué)者的不斷研究推動(dòng)了巖石斷裂力學(xué)的發(fā)展，但是很多理論還是與實(shí)際工程應(yīng)用中有著不少誤差。我們應(yīng)該將接下來的研究與實(shí)際工程結(jié)合起來，著重研究探索一下問題：采用有限元分析方法對(duì)巖石在受壓條件下發(fā)生的脆性斷裂和彈性斷裂進(jìn)行模擬分析，來研究閉合裂紋尖端的位移及應(yīng)力場(chǎng)；更加深入地研究巖石在不同受壓條件下的斷裂機(jī)制、本構(gòu)模型及斷裂判據(jù)；為了探究巖石的斷裂韌性與力學(xué)性能的關(guān)系，還應(yīng)該建立更為精確的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)的斷裂韌性測(cè)試方法；在工程實(shí)踐中，也需要更為準(zhǔn)確先進(jìn)的巖體裂紋檢測(cè)及防治方法。

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謝紹明（1994.01- ），男，漢族，重慶市潼南區(qū)，學(xué)歷：碩士研究生，研究方向：巖土工程方向，工作單位：重慶交通大學(xué)。

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