摘要：目前對巖石斷裂性能的研究主要從兩個(gè)角度進(jìn)行:應(yīng)力場觀點(diǎn)和能量觀點(diǎn)。對線彈性材料而言，二者是等效的。而對于彈塑性材料，二者之間不能直接劃等號。而巖石類材料內(nèi)部存在許多裂隙和各種微缺陷，這些微觀缺陷將會(huì)對巖石類材料的力學(xué)性能產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響。
　　關(guān)鍵詞：巖石；斷裂力學(xué)；能量；缺陷
　　能量是一個(gè)能夠貫穿不同結(jié)構(gòu)層次的通用物理量，巖石變形破壞的過程是和外界產(chǎn)生能量交換的過程，服從能量守恒及轉(zhuǎn)化定律，遵守?zé)崃W(xué)第二定律及疊加原理，在分析巖石破壞過程中應(yīng)用能量概念要比應(yīng)力場觀點(diǎn)更為有利，可能更為接近實(shí)際情況。迄今為止，已有不少學(xué)者從能量的觀點(diǎn)出發(fā)研究了巖石在各種載荷作用下的力學(xué)行為特點(diǎn)，并取得了大量有價(jià)值的成果。
　　Griffith最早提出斷裂力學(xué)基本概念時(shí)所采用的方法就是能量法，他用一種基于表面能的能量平衡方法研究了玻璃的斷裂破壞問題，并提出一個(gè)眾所周知的概念。這個(gè)概念指出，如果物體的總能量降低，則體系中原有的裂縫將擴(kuò)展。而且他設(shè)想，當(dāng)裂縫擴(kuò)展時(shí)，彈性應(yīng)變能降低，用于產(chǎn)生新裂縫表面，在兩者之間有一個(gè)簡單的能量平衡。
　　Irwin將與釋放的應(yīng)變能相平衡的表面能中，又加入了塑性變形功這一項(xiàng)，而且將能量釋放率G定義為裂縫擴(kuò)展過程中增加單位裂縫長度和單位厚度所吸收的能量，是一種不可逆的能量損失。
　　Nemat-Nasser和Obata較早研究了脆性材料由于滑移型裂紋擴(kuò)展引起的應(yīng)變問題。在他們的研究中，總的應(yīng)變由三個(gè)部分形成：(1)沿初始裂紋的滑動(dòng)；(2)垂直于裂紋方向的剪脹；(3)拉伸裂紋的擴(kuò)展。
　　Kemeny基于Catigiano的能量平衡理論，提出一種簡單的方法計(jì)算含滑移型裂紋的巖石材料在壓應(yīng)力作用下的應(yīng)變發(fā)展。
　　Basista和Gross根據(jù)內(nèi)變量理論研究了含滑移型裂紋的應(yīng)變問題。在他們的分析中，非線性應(yīng)變的計(jì)算分成兩個(gè)階段。在第一階段，沒有拉伸裂紋產(chǎn)生，能量的耗散由初始裂紋的滑移形成；在第二階段，拉伸裂紋形成，并沿著最大主應(yīng)力的方向擴(kuò)展。在這一階段，能量的耗散主要由拉伸裂紋的擴(kuò)展形成。他們的結(jié)果與Nemat-Nasser和Obata的結(jié)果近似。
　　Ravichandran和Subhash根據(jù)能量平衡理論研究了含滑移型裂紋的擴(kuò)展問題。在他們的研究中，考慮了由初始裂紋滑移引起的能量耗散以及造成的非線性應(yīng)變。
　　Cook指出，當(dāng)在彈性巖體中進(jìn)行開挖時(shí)，將會(huì)引起巖體中的重力勢能和水平應(yīng)力勢能的變化。這兩項(xiàng)勢能改變的總和等于儲存的彈性能、耗散的能量以及儲存在被開挖掉的巖體中的應(yīng)變能的總和。總之，當(dāng)?shù)叵鹿こ踢M(jìn)行開挖時(shí)，就會(huì)發(fā)生勢能的改變，應(yīng)變能儲存在圍巖中，而多余的能量就被耗散掉。
　　Ravichanran和Subhash在考慮由摩擦引起的能量耗散情況下，通過應(yīng)變能等效確定有效柔度張量，進(jìn)而確定本構(gòu)模型。
　　Kemeng和cook對含隨機(jī)分布的斷續(xù)節(jié)理、裂隙巖體，從斷裂力學(xué)的觀點(diǎn)出發(fā)，利用應(yīng)變能等效原理推求出了等效各向異性本構(gòu)模型。
　　Zheng等研究了洞室?guī)r爆的現(xiàn)象，并指出對于洞壁附近的薄板巖層來說，開挖引起的洞室響應(yīng)可以用剛度來進(jìn)行分類。對于非常薄的巖板，所釋放的總的能量等于儲存的應(yīng)變能及非常少量的動(dòng)能。而對于厚一點(diǎn)的巖板來說，則釋放出大量的動(dòng)能。
　　謝和平等從能量的角度出發(fā)，分析研究了巖石的變形破壞過程，揭示了這一過程的能量耗散及能量釋放特性。理論及試驗(yàn)研究表明，在巖石變形破壞過程中，能量起著根本的作用。巖石的失穩(wěn)破壞就是巖石中能量突然釋放的結(jié)果，這種釋放是能量耗散在一定條件下的突變。從力學(xué)角度而言，巖石的變形破壞過程實(shí)際上就是一個(gè)從局部耗散到局部破壞最終到整體災(zāi)變的過程；從熱力學(xué)上看，這一變形、破壞、災(zāi)變過程是一種能量耗散的不可逆過程，包含能量耗散和能量釋放。
　　謝和平等討論了巖石變形破壞過程中能量耗散、能量釋放與巖石強(qiáng)度和整體破壞的內(nèi)在聯(lián)系。指出巖石變形破壞是能量耗散與能量釋放的綜合結(jié)果。
　　朱維申、張強(qiáng)勇、李術(shù)才根據(jù)Betti能量互易定理、修正自洽法理論和節(jié)理裂隙斷裂擴(kuò)展過程中的能量轉(zhuǎn)換與能量耗散建立了巖體的能量損傷演化方程,在此基礎(chǔ)上通過有效應(yīng)力體現(xiàn)損傷與塑性變形的耦合效應(yīng),建立了裂隙巖體的三維脆彈塑性斷裂損傷本構(gòu)模型。
　　華安增分析了原巖彈性應(yīng)變能、隧道四周圍巖應(yīng)變能的釋放與集聚情況、圍巖應(yīng)變能轉(zhuǎn)移的條件、地下工程開挖前方的圍巖能量變化以及該能量的突然變化指出圍巖的能量達(dá)到該點(diǎn)的極限儲存能時(shí),多余的能量將釋放,造成塑性變形或破碎,并自動(dòng)向深部轉(zhuǎn)移。如果釋放的能量特別大,又不能向深部轉(zhuǎn)移,將造成巖石沖擊。
　　趙忠虎、謝和平從理論上分析了用能量方法研究巖石破壞問題的合理性,以及巖石在變形過程中彈性能、塑性能、表面能、輻射能、動(dòng)能之間相互轉(zhuǎn)化的過程、計(jì)算原理、以及對巖石破壞所起的不同作用。并分別從宏觀和微觀的角度研究了在不同的變形階段中巖石能量耗散與釋放問題。
　　尤明慶和華安增利用伺服試驗(yàn)機(jī)對粉砂巖試樣進(jìn)行常規(guī)三軸加載，測量軸向和環(huán)向的應(yīng)力、變形全程曲線，計(jì)算巖樣屈服破壞過程中的能量變化。在軸向壓縮破壞過程中，巖樣必須持續(xù)吸收能量，主要用于克服內(nèi)部剪切摩擦。三軸加載后保持軸向變形恒定降低圍壓，巖樣同樣會(huì)發(fā)生破壞；在此過程中，試驗(yàn)機(jī)不對巖樣做功，而巖樣環(huán)向膨脹對液壓油做功持續(xù)釋放能量
　　蘇承東、張振華利用伺服試驗(yàn)機(jī)對大理巖巖樣在不同圍壓下軸向壓縮屈服之后完全卸載，再對損傷巖樣進(jìn)行的單軸壓縮試驗(yàn)，研究巖樣不同圍壓下三軸壓縮的塑性變形量、能耗與損傷巖樣單軸壓縮時(shí)的強(qiáng)度、平均模量、能耗特征的變化規(guī)律。
　　李海波、趙堅(jiān)等應(yīng)用滑移型裂紋模型，基于裂紋擴(kuò)展過程中的能量平衡原理，建立了花崗巖材料的動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型，分析結(jié)果表明，模型結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合得比較好。并進(jìn)一步分析了裂紋擴(kuò)展引起的非線性應(yīng)變特征，結(jié)果表明，在裂紋的擴(kuò)展過程中，由于裂紋擴(kuò)展引起的非線性應(yīng)變對側(cè)向應(yīng)變的影響比軸向應(yīng)變大，初始裂紋的滑移在花崗巖材料的非線性應(yīng)變的貢獻(xiàn)不能忽略。
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