基于能量观点的岩体断裂力学的研究现状

　　摘要：目前对岩石断裂性能的研究主要从两个角度进行:应力场观点和能量观点。对线弹性材料而言，二者是等效的。而对于弹塑性材料，二者之间不能直接划等号。而岩石类材料内部存在许多裂隙和各种微缺陷，这些微观缺陷将会对岩石类材料的力学性能产生强烈的影响。
　　关键词：岩石；断裂力学；能量；缺陷
　　能量是一个能够贯穿不同结构层次的通用物理量，岩石变形破坏的过程是和外界产生能量交换的过程，服从能量守恒及转化定律，遵守热力学第二定律及叠加原理，在分析岩石破坏过程中应用能量概念要比应力场观点更为有利，可能更为接近实际情况。迄今为止，已有不少学者从能量的观点出发研究了岩石在各种载荷作用下的力学行为特点，并取得了大量有价值的成果。
　　Griffith最早提出断裂力学基本概念时所采用的方法就是能量法，他用一种基于表面能的能量平衡方法研究了玻璃的断裂破坏问题，并提出一个众所周知的概念。这个概念指出，如果物体的总能量降低，则体系中原有的裂缝将扩展。而且他设想，当裂缝扩展时，弹性应变能降低，用于产生新裂缝表面，在两者之间有一个简单的能量平衡。
　　Irwin将与释放的应变能相平衡的表面能中，又加入了塑性变形功这一项，而且将能量释放率G定义为裂缝扩展过程中增加单位裂缝长度和单位厚度所吸收的能量，是一种不可逆的能量损失。
　　Nemat-Nasser和Obata较早研究了脆性材料由于滑移型裂纹扩展引起的应变问题。在他们的研究中，总的应变由三个部分形成：(1)沿初始裂纹的滑动；(2)垂直于裂纹方向的剪胀；(3)拉伸裂纹的扩展。
　　Kemeny基于Catigiano的能量平衡理论，提出一种简单的方法计算含滑移型裂纹的岩石材料在压应力作用下的应变发展。
　　Basista和Gross根据内变量理论研究了含滑移型裂纹的应变问题。在他们的分析中，非线性应变的计算分成两个阶段。在第一阶段，没有拉伸裂纹产生，能量的耗散由初始裂纹的滑移形成；在第二阶段，拉伸裂纹形成，并沿着最大主应力的方向扩展。在这一阶段，能量的耗散主要由拉伸裂纹的扩展形成。他们的结果与Nemat-Nasser和Obata的结果近似。
　　Ravichandran和Subhash根据能量平衡理论研究了含滑移型裂纹的扩展问题。在他们的研究中，考虑了由初始裂纹滑移引起的能量耗散以及造成的非线性应变。
　　Cook指出，当在弹性岩体中进行开挖时，将会引起岩体中的重力势能和水平应力势能的变化。这两项势能改变的总和等于储存的弹性能、耗散的能量以及储存在被开挖掉的岩体中的应变能的总和。总之，当地下工程进行开挖时，就会发生势能的改变，应变能储存在围岩中，而多余的能量就被耗散掉。
　　Ravichanran和Subhash在考虑由摩擦引起的能量耗散情况下，通过应变能等效确定有效柔度张量，进而确定本构模型。
　　Kemeng和cook对含随机分布的断续节理、裂隙岩体，从断裂力学的观点出发，利用应变能等效原理推求出了等效各向异性本构模型。
　　Zheng等研究了洞室岩爆的现象，并指出对于洞壁附近的薄板岩层来说，开挖引起的洞室响应可以用刚度来进行分类。对于非常薄的岩板，所释放的总的能量等于储存的应变能及非常少量的动能。而对于厚一点的岩板来说，则释放出大量的动能。
　　谢和平等从能量的角度出发，分析研究了岩石的变形破坏过程，揭示了这一过程的能量耗散及能量释放特性。理论及试验研究表明，在岩石变形破坏过程中，能量起着根本的作用。岩石的失稳破坏就是岩石中能量突然释放的结果，这种释放是能量耗散在一定条件下的突变。从力学角度而言，岩石的变形破坏过程实际上就是一个从局部耗散到局部破坏最终到整体灾变的过程；从热力学上看，这一变形、破坏、灾变过程是一种能量耗散的不可逆过程，包含能量耗散和能量释放。
　　谢和平等讨论了岩石变形破坏过程中能量耗散、能量释放与岩石强度和整体破坏的内在联系。指出岩石变形破坏是能量耗散与能量释放的综合结果。
　　朱维申、张强勇、李术才根据Betti能量互易定理、修正自洽法理论和节理裂隙断裂扩展过程中的能量转换与能量耗散建立了岩体的能量损伤演化方程,在此基础上通过有效应力体现损伤与塑性变形的耦合效应,建立了裂隙岩体的三维脆弹塑性断裂损伤本构模型。
　　华安增分析了原岩弹性应变能、隧道四周围岩应变能的释放与集聚情况、围岩应变能转移的条件、地下工程开挖前方的围岩能量变化以及该能量的突然变化指出围岩的能量达到该点的极限储存能时,多余的能量将释放,造成塑性变形或破碎,并自动向深部转移。如果释放的能量特别大,又不能向深部转移,将造成岩石冲击。
　　赵忠虎、谢和平从理论上分析了用能量方法研究岩石破坏问题的合理性,以及岩石在变形过程中弹性能、塑性能、表面能、辐射能、动能之间相互转化的过程、计算原理、以及对岩石破坏所起的不同作用。并分别从宏观和微观的角度研究了在不同的变形阶段中岩石能量耗散与释放问题。
　　尤明庆和华安增利用伺服试验机对粉砂岩试样进行常规三轴加载，测量轴向和环向的应力、变形全程曲线，计算岩样屈服破坏过程中的能量变化。在轴向压缩破坏过程中，岩样必须持续吸收能量，主要用于克服内部剪切摩擦。三轴加载后保持轴向变形恒定降低围压，岩样同样会发生破坏；在此过程中，试验机不对岩样做功，而岩样环向膨胀对液压油做功持续释放能量
　　苏承东、张振华利用伺服试验机对大理岩岩样在不同围压下轴向压缩屈服之后完全卸载，再对损伤岩样进行的单轴压缩试验，研究岩样不同围压下三轴压缩的塑性变形量、能耗与损伤岩样单轴压缩时的强度、平均模量、能耗特征的变化规律。
　　李海波、赵坚等应用滑移型裂纹模型，基于裂纹扩展过程中的能量平衡原理，建立了花岗岩材料的动态本构模型，分析结果表明，模型结果与实验结果符合得比较好。并进一步分析了裂纹扩展引起的非线性应变特征，结果表明，在裂纹的扩展过程中，由于裂纹扩展引起的非线性应变对侧向应变的影响比轴向应变大，初始裂纹的滑移在花岗岩材料的非线性应变的贡献不能忽略。
　　参考文献
　　[1] 谢和平，彭瑞东，鞠扬等.岩石破坏的能量分析初探[J].岩石力学与工程学报，2005，24(15)：2603-2608.
　　[2] 谢和平,鞠杨,黎立云.基于能量耗散与释放原理的岩石强度与整体破坏准则[J].岩石力学与工程学报，2005，24(17)：3003-3010.
　　[3] 朱维申，张强勇，李术才.三维脆弹塑性断裂损伤模型在裂隙岩体工程中的应用[J].固体力学学报，1999，20(2)：164-170.
　　[4] 华安增.地下工程周围岩体能量分析[J].岩石力学与工程学报，2003，22(7)：1054-1059.
　　[5] 赵忠虎，谢和平.岩石变形破坏过程中的能量传递和耗散研究[J].四川大学学报(工程科学版)，2008，40(2)：26-31.