岩石的损伤机理及其力学性质的研究.doc

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。细观损伤力学的主要贡献在于对“损伤”赋予了真实的几何形象和具有力学意义的演化过程。深化了对损伤过程本质的认识，它比宏观的连续损伤力学具有更基本的意义。但是，它还存在着许多的困难，例如，从非均质的微观材料需要经过许多简化假设才能过渡到宏观均质材料。由于微观的损伤机制非常复杂，人们对于微观组成部分的了解还不够充分，它的完备性与实用性还有待于进一步研究，然而，研究进展表明，从长远而言，这一方法是非常具有吸引力的。2岩石的损伤机理及其力学特性2.1岩石的损伤