含裂纹与孔洞缺陷介质的脆性破坏行为
林 鹏1，2
(1东北大学岩石破裂与失稳研究中心 沈阳 110004) (2香港理工大学土木与结构工程系 香港)
BRITTLE FAILURE BEHAVIOUR OF MEDIUM CONTAINING FLAWS AND PORES
Lin Peng1，2
(1 Center for Rockbursts and Induced Seismicity Research，Northeastern University， Shenyang 110004 China) (2 Department of Civil and Structural Engineering，The Hong Kong Polytechnic University， Hong Kong， China)
摘要 在经典的断裂力学理论中，有关裂纹扩展的研究只涉及裂纹尖端引起应力集中所导致的裂纹扩展问题，不仅不能用于研究非均质介质中的裂纹扩展，也难以考虑多裂纹扩展中的相互作用过程。然而，对于岩石、混凝土等非均匀脆性介质而言，缺陷并不仅仅是以尖锐裂隙的形式出现，它也可能是孔洞或其它弱介质缺陷。裂纹的不规则扩展和缺陷之间的相互作用是非均匀脆性材料破坏的主要形式。因此，开展含裂纹和孔洞缺陷介质破坏行为的研究，是当今固体力学，特别是岩石力学研究的重要课题之一，具有重要的学术和工程意义。本文首先基于缺陷的纵横比，给出了裂纹与孔洞缺陷的基本概念和相应的定义，并对其按几何形状、赋存条件等进行了分类；同时结合本研究的实验材料，解释了裂纹与孔洞缺陷对弹性性质和闭合压力的影响，探讨了裂纹与孔洞缺陷的尺度效应。在此基础上，通过物理试验和数值试验，对含不同分布、不同角度、不同尺度的裂纹和孔洞缺陷试样的破坏行为进行了较为系统的研究。通过自行设计研制的试验系统，对160多个香港花岗岩和类砂岩脆性介质试样进行了单轴和双轴加载试验。观察记录了试样中的裂纹扩展、贯通全过程以及整个加载过程中载荷-位移曲线。同时，运用RFPA2D软件系统对本研究中物理试验所不能观察到的应力场和声发射演化过程进行了数值试验。通过物理试验和数值试验，主要对以下几个问题进行了分析研究： (1) 含不同数目的缺陷(从单个到多达42个)、不同分布缺陷(诸如缺陷的水平、垂直、倾斜和随机4种分布模式等)、不同裂纹和岩桥角度、不同孔径以及不同试样尺寸对裂纹扩展和贯通的影响； (2) 分析并提出了应力诱导裂纹萌生的两种作用机制：一是由缺陷尖端应力集中诱发的原有裂纹扩展，二是由区域应力场相对集中诱发的裂纹萌生与扩展； (3) 基于尖端应力场和区域应力场的作用机制，对含缺陷试样中岩桥或孔桥之间的贯通模式作了分析研究，发现了新的裂纹牵引贯通模式； (4) 比较了两种脆性介质(花岗岩和类砂岩模拟材料)因非均匀性引起的裂纹扩展和贯通方面的差异，由此阐明了缺陷之间裂纹扩展与贯通常以带状方式，而不是以点和线方式发生的机制； (5) 运用自组织理论的基本概念，阐述了含缺陷试样由裂纹萌生、扩展到雪崩式贯通的破坏过程的本质，探讨了裂纹与裂纹、孔洞与孔洞以及裂纹与孔洞之间的相互作用机制，以及这一相互作用机制在自组织过程中的作用。 运用修正的Ashby-Hallam和Sammis-Ashby的断裂力学理论模型，推演了新的含裂纹和孔洞缺陷试样破坏的峰值强度公式，得出了峰值强度与裂纹、孔洞缺陷密度和贯通密度的定性关系。通过将理论峰值强度同物理试验和数值试验的峰值强度对比分析，研究了影响含缺陷试样的峰值强度的因素。
关键词 ：
裂纹 ,
孔洞 ,
缺陷 ,
贯通 ,
应力集中 ,
脆性破坏 ,
峰值强度
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2002, Vol. 21 
