準(zhǔn)脆性材料宏觀特性

摘 要： 準(zhǔn)脆性材料在宏觀力學(xué)介質(zhì)模型中所遇到的問題實(shí)質(zhì)上是尺度問題，或者說，準(zhǔn)脆性材料應(yīng)變局部化和斷裂過程本質(zhì)上是微觀或細(xì)觀尺度上的力學(xué)行為。

關(guān)鍵詞： 準(zhǔn)脆性材料 土木工程 巖土工程 滲透性

準(zhǔn)脆性材料廣泛存在于土木工程領(lǐng)域，如混凝土、砌體、某些金屬材料等人工材料及巖石、硬黏土等天然材料，大量古典和現(xiàn)代土木工程結(jié)構(gòu)均由這些材料構(gòu)成。準(zhǔn)脆性材料一般具有如下力學(xué)性質(zhì)：不均勻性、各向異性、結(jié)構(gòu)的離散性及非線性等。變形局部化及斷裂是準(zhǔn)脆性材料的一種基本現(xiàn)象，損傷是其在外載荷作用下強(qiáng)度衰減的主要原因。與脆性材料不同，準(zhǔn)脆性材料破壞過程伴隨有一些變形和能量的釋放。在外載荷的作用下，準(zhǔn)脆性材料內(nèi)部弱介質(zhì)的破壞和微缺陷的形成、擴(kuò)展及相互作用將決定其宏觀變形破裂特性。這些性質(zhì)將會(huì)對(duì)土木工程生產(chǎn)及結(jié)構(gòu)的安全及穩(wěn)定性產(chǎn)生決定性的影響。如在水利、采礦、交通等巖土工程活動(dòng)中，開采工作面的巖石破裂、水壓致裂、巖石爆破、礦石的粉碎等工程活動(dòng)及經(jīng)常會(huì)遇到“巖爆”、“煤爆”等沖擊地壓現(xiàn)象，這些都要求深入地了解巖石這類準(zhǔn)脆性材料從連續(xù)到不連續(xù)破裂的演變過程。又如巖體中存在大量的節(jié)理和裂隙，在外載荷的作用下裂紋會(huì)發(fā)生擴(kuò)展，擴(kuò)展后的裂紋會(huì)導(dǎo)致巖體的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生極大變化，甚至?xí)饚r體的破壞，導(dǎo)致地下工程結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。另外，巖體裂隙的擴(kuò)展導(dǎo)致巖體的滲透性發(fā)生變化，這可能導(dǎo)致如石油的生產(chǎn)、地下水的開采、透水事故等工程生產(chǎn)、安全問題。

準(zhǔn)脆性材料應(yīng)變局部化和斷裂過程，即連續(xù)介質(zhì)模型和離散模型。第一類模型處理不連續(xù)位移的手段之一是將其近似視為連續(xù)的或光滑連續(xù)的，前者位移可導(dǎo)，但應(yīng)變不連續(xù)，這類模型即為弱不連續(xù)模型，后者是前者的一種改進(jìn)，位移、應(yīng)變均連續(xù)可導(dǎo)，這類模型稱為正則化模型；另一種處理方法是，將不連續(xù)面或潛在不連續(xù)面視為接觸面或邊界，計(jì)算裂隙擴(kuò)展時(shí)需要重新劃分網(wǎng)格。連續(xù)模型主要基于接觸力學(xué)、斷裂力學(xué)、損傷力學(xué)、軟化塑性力學(xué)等理論和方法，典型的連續(xù)模型包括：非線性彈性模型、率無關(guān)塑性模型、損傷理論模型、內(nèi)蘊(yùn)時(shí)間塑性理論模型、耦合損傷塑性理論模型、微平面理論模型。第二類模型采用直觀的手段處理不連續(xù)面，將不連續(xù)面或潛在的不連續(xù)面顯示表達(dá)出來，采用離散計(jì)算力學(xué)理論進(jìn)行計(jì)算。離散計(jì)算力學(xué)是計(jì)算力學(xué)中相對(duì)較新的技術(shù)，其主要處理運(yùn)用連續(xù)模型時(shí)本構(gòu)關(guān)系難以獲得的工程問題和過程，離散模型通過模擬介質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的行為表現(xiàn)介質(zhì)宏觀力學(xué)行為，典型的離散模型有分子動(dòng)力學(xué)模型、離散元、非連續(xù)變形和格構(gòu)模型等。

為了在連續(xù)介質(zhì)模型中實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)脆性材料應(yīng)變局部化和斷裂過程的模擬，研究者引入多種理論和技術(shù)方法，其中應(yīng)用最普遍的是塑性軟化模型和損傷力學(xué)模型。塑性軟化模型將巖石、混凝土等準(zhǔn)脆性材料的摩擦角和內(nèi)聚力視為變量，其隨塑性應(yīng)變的某一不變量或塑性功的積累而演變，而損傷力學(xué)模型認(rèn)為準(zhǔn)脆性材料剛度隨變形的增加而減小。連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型將準(zhǔn)脆性材料的破壞和變形局部化視為一種分岔現(xiàn)象。在數(shù)值模擬研究中，連續(xù)介質(zhì)模型，無論是塑性軟化模型還是損傷力學(xué)模型，所遇到的困難都是準(zhǔn)脆性材料的破壞載荷依賴于網(wǎng)格的分辨率。例如，在軟化有限元分析中，準(zhǔn)脆性材料破碎帶的耗散能或剪切帶隨著網(wǎng)格加密而減小，但這種變化毫無物理意義可言。

因此，確定準(zhǔn)脆性材料宏觀特性是許多工程應(yīng)用的一個(gè)基本問題。研究準(zhǔn)脆性材料微結(jié)構(gòu)與宏觀性質(zhì)之間的關(guān)系不僅可以認(rèn)識(shí)和理解已存在材料的性質(zhì)，而且可以為設(shè)計(jì)所需材料提供有力的工具。但是從經(jīng)濟(jì)的角度講，直接進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定準(zhǔn)脆性材料宏觀特性是一個(gè)幾乎不可能完成的任務(wù)，因?yàn)樵囼?yàn)中必須考慮試樣尺度效應(yīng)，微結(jié)構(gòu)材料幾何形態(tài)、性質(zhì)、體積比率及加載路徑等各種因素。所以需要新的手段和方法認(rèn)識(shí)準(zhǔn)脆性材料宏微觀結(jié)構(gòu)性質(zhì)之間的關(guān)系。另外，隨著科技的發(fā)展，人類土木工程實(shí)踐活動(dòng)越來越復(fù)雜，許多問題都無法用物理實(shí)驗(yàn)或解析方法解決，如地震荷載下混凝土大壩三維動(dòng)態(tài)響應(yīng)及復(fù)雜環(huán)境下裂隙巖體巷道失穩(wěn)等。

在這些情形下，數(shù)值分析無疑是唯一經(jīng)濟(jì)、有效的手段。然而，目前數(shù)值分析在土木工程，特別是巖土工程應(yīng)用中飽受非議，主要原因在于土木工程環(huán)境的復(fù)雜性和準(zhǔn)脆性材料及其結(jié)構(gòu)力學(xué)性質(zhì)的特殊性。近幾十年，運(yùn)用數(shù)值分析準(zhǔn)確而有效的描述準(zhǔn)脆性材料及其結(jié)構(gòu)連續(xù)與不連續(xù)、從連續(xù)到不連續(xù)及裂隙擴(kuò)展演化破壞過程已成為土木工程特別是巖土工程的巨大挑戰(zhàn)。如何利用數(shù)值分析在同一框架上實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)脆性材料及其結(jié)構(gòu)連續(xù)與不連續(xù)、從連續(xù)到不連續(xù)及裂隙擴(kuò)展演化破壞過程是一個(gè)值得深入研究且具有廣闊應(yīng)用前景的課題。

參考文獻(xiàn)：

[1]張湘?zhèn)ィ聽帢s，呂文閣，駱少明.數(shù)值流形方法研究及應(yīng)用進(jìn)展[J].力學(xué)進(jìn)展，2010，40（1）：1-12.

[2]夏艷華，白世偉.三維地層建模鉆孔數(shù)據(jù)預(yù)處理研究[J].巖土力學(xué)，2012，33（4）：1223-1226.

[3]熊祖強(qiáng)，賀懷建，夏艷華.基于TIN的三維地層建模及可視化技術(shù)研究[J].巖土力學(xué)，2007，28（9）：1954-1958.