巖土力學(xué)分析新理論：巖土破損力學(xué)

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1、巖土力學(xué)分析新理論：巖土破損力學(xué)1沈珠江陳鐵林（清華大學(xué)水利水電系，北京，100084）摘要：本文首先對(duì)巖土材料的基本特性、分析理論和研究方法進(jìn)行回顧和評(píng)述，在此基礎(chǔ)上提議了一種有別于現(xiàn)有塑性力學(xué)、斷裂力學(xué)和損傷力學(xué)的新的數(shù)學(xué)模型理論——巖土破損力學(xué)。這一理論把巖土材料抽象為由結(jié)構(gòu)塊和結(jié)構(gòu)帶組成的雙重介質(zhì)材料。文中闡述了這一理論的主要內(nèi)容。關(guān)鍵詞：巖土材料；破損力學(xué)；結(jié)構(gòu)性；雙重介質(zhì)模型。一、前言巖土破損力學(xué)是繼巖土塑性力學(xué)，巖土斷裂力學(xué)和巖土損傷力學(xué)以后作者新近提出的[1]一種巖土材料力學(xué)分析理論。它把巖土材料抽象成由結(jié)構(gòu)體和結(jié)構(gòu)面（結(jié)構(gòu)塊和

2、結(jié)構(gòu)帶）組成的雙重介質(zhì)材料，并把研究的焦點(diǎn)由均勻的基質(zhì)體內(nèi)存在裂縫、空洞等虛體的擴(kuò)展轉(zhuǎn)向不均勻的結(jié)構(gòu)體（實(shí)體）的破損。天然巖土材料與其它材料的根本不同點(diǎn)在于它的結(jié)構(gòu)性，而形成結(jié)構(gòu)性的根本原因在于膠結(jié)的不均勻性。膠結(jié)強(qiáng)的部位形成結(jié)構(gòu)塊，膠結(jié)弱的部位形成結(jié)構(gòu)面。結(jié)構(gòu)塊和結(jié)構(gòu)面可以是天然形成的，即原生的，例如巖體中的巖塊和節(jié)理面。也可能是在人工干預(yù)下次生的，即原來(lái)膠結(jié)薄弱處受力后破裂貫通而形成結(jié)構(gòu)帶。在土體中堅(jiān)實(shí)的結(jié)構(gòu)塊和軟弱的結(jié)構(gòu)帶往往只是相對(duì)地存在，并不一定有確定的界面。但是這些都不妨礙人們?cè)诔橄笠饬x上對(duì)結(jié)構(gòu)塊和結(jié)構(gòu)帶的理解。二、固體材料的本質(zhì)特

3、性材料的力學(xué)特性反映材料抵抗變形和破壞的能力。這些特性包含多方面內(nèi)容，例如剛性、柔性、脆性、延性，韌性、粘性等，但這些特性中有的是本質(zhì)特性，有些只是派生的特性。剛性和柔性是變形特性，剛性大者受力后變形小，反之則變形大。但剛性和柔性只反1基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（10272062）沈珠江，（1933－），男，中國(guó)科學(xué)院院士。主要從事巖土力學(xué)基本理論，本構(gòu)模型及土石壩和軟土地基工程研究。E-mail:zjshen@tsinghua.edu.cn1映變形量的大小，而反映質(zhì)的變化則應(yīng)當(dāng)是彈性和塑性，兩者分別反映變形的可逆性和不可逆性。同樣，脆

4、性和韌性是破壞的特性，但也只反映量的差別，前者表示沒(méi)有明顯變形就發(fā)生破裂，后者則表示發(fā)生很大變形后才破裂的特點(diǎn)。而從質(zhì)的差別上看，破壞也可以分成兩種，一種是構(gòu)件發(fā)生很大變形，但其完整性和材料的連續(xù)性仍得以保持；另一種是構(gòu)件破裂，材料失去連續(xù)性。對(duì)金屬材料來(lái)說(shuō)，兩種破壞的機(jī)制分別是晶格的位錯(cuò)和晶面的解理。前一種破壞實(shí)際上是塑性變形的進(jìn)一步發(fā)展。后一種破壞習(xí)慣上仍借用脆性這一名稱。但其含義專(zhuān)指材料發(fā)生連續(xù)性喪失破壞的特性。根據(jù)以上分析，如果撇去粘性，那末固體的本質(zhì)特性應(yīng)當(dāng)有3個(gè)，即彈性、塑性和脆性，相應(yīng)的3種狀態(tài)就是變形、流動(dòng)和破裂。對(duì)于這3個(gè)本質(zhì)

5、特性，文獻(xiàn)中有關(guān)脆性的表述還比較模糊，而且沒(méi)有人提出過(guò)一個(gè)獨(dú)立的脆性元件。如前所述，脆性有兩重含義。第一重含義與韌性相對(duì)應(yīng)，是一種量的特性；第二重含義與塑性相對(duì)應(yīng)，這才是質(zhì)的特性。正像彈性用彈簧元件表示，塑性用滑片元件表示一樣，第二重含義上的脆性也應(yīng)當(dāng)有一個(gè)專(zhuān)用元件表示，為此筆者提議過(guò)膠結(jié)桿元件[2][3]。此前有人提出過(guò)斷裂元件(Crackingelement)的名稱，但這一名稱與滑片不對(duì)應(yīng)。至于目前有些文獻(xiàn)中建議用可折斷的彈簧代表脆性，則更是不妥的，因?yàn)檫@里的脆性實(shí)際上是前文的第一重含義，可以由3種基本元件組合起來(lái)反映，用不到另外定義一個(gè)獨(dú)

6、立的基本元件。三、巖土材料的力學(xué)特性1．壓硬性壓硬性在西方文獻(xiàn)中常稱壓力敏感性，指材料的強(qiáng)度和剛度隨壓力的增大而增加。下列Mohr-Coulomb抗剪強(qiáng)度法則就是壓硬性的明確表示τ=c+σtg?（1）f土力學(xué)中剛度隨圍壓增加而增大的規(guī)律常用下列Janbu公式表示n?σ?3E=Kp??（2）a?p??a?pa為大氣壓，K和n為兩個(gè)參數(shù)。堅(jiān)硬巖體的剛度受?chē)鷫旱挠绊懖幻黠@，但軟巖的剛度隨圍壓而變化的規(guī)律也較明顯。2．剪脹性剪切作用下土的體積變化特性在上世紀(jì)30年代研究砂土的臨界孔隙比時(shí)已受到注意。到60年代初，土具有剪脹——剪縮特性的觀點(diǎn)已被普遍接受

7、，并在著名的劍橋模型中得到反映。巖石一般表現(xiàn)為剪脹，或稱擴(kuò)容，剪縮現(xiàn)象不明顯。巖土材料的壓硬性和剪脹性可以統(tǒng)一地歸納為應(yīng)力應(yīng)變的球張量與偏張量之間的交[1]叉影響。3．結(jié)構(gòu)性2哲學(xué)上結(jié)構(gòu)指物質(zhì)系統(tǒng)內(nèi)各組成要素之間的相互聯(lián)系和相互作用的方式。對(duì)巖土材料來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)就是顆粒、團(tuán)粒和塊體的幾何排列和相互之間的力學(xué)作用。在土力學(xué)中，結(jié)構(gòu)性常指顆粒之間的膠結(jié)特性。無(wú)膠結(jié)的散粒土和膠結(jié)被破壞以后的重塑粘土常稱無(wú)結(jié)構(gòu)性的土類(lèi)。巖體則因斷裂面的存在而形成結(jié)構(gòu)。天然的巖土材料是在漫長(zhǎng)的地質(zhì)過(guò)程中形成的，例如粘土有絮凝結(jié)構(gòu)、蜂窩結(jié)構(gòu)，裂[4]隙巖體有塊裂結(jié)構(gòu)、碎裂結(jié)

8、構(gòu)等。巖土材料的結(jié)構(gòu)性正是體現(xiàn)于膠結(jié)力在空間的系統(tǒng)變化上。膠結(jié)力強(qiáng)的地方形成結(jié)構(gòu)體，如團(tuán)?；驇r塊，膠結(jié)力弱或無(wú)膠結(jié)的地方形成結(jié)構(gòu)面，如團(tuán)粒之間的接觸面