斷裂力學在巖石性質研究中的發展

謝紹明

Research 研究探討

斷裂力學在巖石性質研究中的發展

謝紹明

（重慶交通大學，重慶 400074）

不良性質的巖體會引發重大的工程問題，對巖石的力學性質研究是土木工程中重點。而斷裂力學的發展，對巖石的力學性質的研究也起到了推動作用。本文論述了斷裂力學和巖石斷裂力學各自的研究內容及特點，介紹了兩個學科的融合以及發展，最后提出了斷裂力學在巖石性質研究中的不足及展望。

斷裂力學；巖石力學；巖石斷裂力學

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中，周圍巖石的工程性質是影響施工設計的重要因素。力學性質較差的巖土體容易導致邊坡失穩，從而導致崩塌落石、滑坡等地質災害。而巖石中的裂隙發育，是影響巖土體性質的主要原因。在各個地質年代的地殼運動的作用下，巖石就會產生裂隙、節理以及斷層等，因此便會形成裂隙巖體。巖石斷裂力學就是通過斷裂力學對裂隙巖體工程性質的研究，為研究裂紋巖體提供了理論基礎和分析方法。

1 斷裂力學與巖石力學

1920年Griffith[1]針首次對脆性材料的斷裂規律進行研究，揭示了在脆性材料中斷裂應力對裂紋尺寸影響規律。這次研究的結論作為了斷裂力學能量理論的基本理論，但由于很多材料在裂紋擴展中會產生一定的塑性變形，因此其理論僅適用于脆性材料，不適用于彈性材料。Irwin在1957年提出了應力強度因子的概念，這一概念使線彈性斷裂理論取得了重大突破，得到了裂紋端部應力場位移場的近似表達式。以此為基礎建立起了線彈性斷裂力學，作為了斷裂力學的最初分支。斷裂力學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展的一個過程，這會導致巖石裂紋尖端附近產生嚴重的應力分布缺陷。巖石裂紋尖端區域與裂紋尖端遠處區域的力學性質有很大的不同。因此，將斷裂力學運用于研究巖石裂隙的力學性質，是有著科學意義的。

2 巖石斷裂韌度的測試方法

3 巖石斷裂力學的應用

3.1 巖石斷裂力學在地震研究中的應用

因為淺源地震實質上是地殼巖石的大規模斷裂而引發的，所以將斷裂力學運用在地震研究上，便成為了學者們的研究方向。在這方面的研究，國內學者已取得了一些成果。有學者通過研究發現震源參數與地殼巖石應力狀態之間的關系可以通過斷裂力學中應變能釋放率公式和位移公式來得到，從而有利于地震的預報。余震序列的時間滯后的特性也可以用斷裂力學中的流變-斷裂模型來解釋。有的地區震前會產生強烈的膨脹現象，這種現象也可以利用斷裂力學的理論分析圓盤裂紋穩態擴展條件、地震區應力場參數及巖石力學參數，從而解釋這種現象。

3.2 巖石斷裂力學在工程上的其他應用

噴錨支護是邊坡防護工程中的常用防治措施，已有學者利用巖石斷裂力學來分析考噴錨支護防治邊坡失穩的機理作用，并對此進行設計[11]。在巖石爆破的工程實際中也可用到巖石斷裂力學來分析，巖石斷裂力學是控制爆破的重要理論基礎。在各大工程勘察過程中，有時候會出現巖心對于巖餅裂餅現象，這種現象也有國內學者利用斷裂力學進行了分析討論[12]。對于重力壩，用常規的力學來分析處于應力奇點的壩踵應力是比較困難的。而用斷裂力學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的過程可以采用斷裂力學的方法來分析，使目前規范更接近于實際工程情況。

4 斷裂力學對巖石材料的研究的展望

經過各種構造運動的演變，巖石通常存在節理、軟弱面及斷層等特征，這就導致了巖石力學性質的特殊性。巖石的力學性質具有非連續性，但是巖石卻不是離散介質，他在性質上具有非線性、隨機性等特性[13]。斷裂力學理論是建立在金屬固體的連續性、均勻性的假設上的，因此經典的斷裂力學理論是不能直接運用到巖石力學上的。在用斷裂力學的理論研究巖石的破壞問題時，我們應該將巖石不同于其他連續固體的特殊性質考慮進去。國內外學者的不斷研究推動了巖石斷裂力學的發展，但是很多理論還是與實際工程應用中有著不少誤差。我們應該將接下來的研究與實際工程結合起來，著重研究探索一下問題：采用有限元分析方法對巖石在受壓條件下發生的脆性斷裂和彈性斷裂進行模擬分析，來研究閉合裂紋尖端的位移及應力場；更加深入地研究巖石在不同受壓條件下的斷裂機制、本構模型及斷裂判據；為了探究巖石的斷裂韌性與力學性能的關系，還應該建立更為精確的靜態及動態的斷裂韌性測試方法；在工程實踐中，也需要更為準確先進的巖體裂紋檢測及防治方法。

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謝紹明（1994.01- ），男，漢族，重慶市潼南區，學歷：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。

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