断裂力学在岩石性质研究中的发展

谢绍明

Research 研究探讨

断裂力学在岩石性质研究中的发展

谢绍明

（重庆交通大学，重庆 400074）

不良性质的岩体会引发重大的工程问题，对岩石的力学性质研究是土木工程中重点。而断裂力学的发展，对岩石的力学性质的研究也起到了推动作用。本文论述了断裂力学和岩石断裂力学各自的研究内容及特点，介绍了两个学科的融合以及发展，最后提出了断裂力学在岩石性质研究中的不足及展望。

断裂力学；岩石力学；岩石断裂力学

0 引言

在道路工程、铁路工程以及房建工程等土木工程活动中，周围岩石的工程性质是影响施工设计的重要因素。力学性质较差的岩土体容易导致边坡失稳，从而导致崩塌落石、滑坡等地质灾害。而岩石中的裂隙发育，是影响岩土体性质的主要原因。在各个地质年代的地壳运动的作用下，岩石就会产生裂隙、节理以及断层等，因此便会形成裂隙岩体。岩石断裂力学就是通过断裂力学对裂隙岩体工程性质的研究，为研究裂纹岩体提供了理论基础和分析方法。

1 断裂力学与岩石力学

1920年Griffith[1]针首次对脆性材料的断裂规律进行研究，揭示了在脆性材料中断裂应力对裂纹尺寸影响规律。这次研究的结论作为了断裂力学能量理论的基本理论，但由于很多材料在裂纹扩展中会产生一定的塑性变形，因此其理论仅适用于脆性材料，不适用于弹性材料。Irwin在1957年提出了应力强度因子的概念，这一概念使线弹性断裂理论取得了重大突破，得到了裂纹端部应力场位移场的近似表达式。以此为基础建立起了线弹性断裂力学，作为了断裂力学的最初分支。断裂力学分为三种基本断裂类型：Ⅰ型断裂、Ⅱ型断裂以及Ⅲ型断裂。

岩石的破坏是损伤和裂纹的交互扩展的一个过程，这会导致岩石裂纹尖端附近产生严重的应力分布缺陷。岩石裂纹尖端区域与裂纹尖端远处区域的力学性质有很大的不同。因此，将断裂力学运用于研究岩石裂隙的力学性质，是有着科学意义的。

2 岩石断裂韧度的测试方法

3 岩石断裂力学的应用

3.1 岩石断裂力学在地震研究中的应用

因为浅源地震实质上是地壳岩石的大规模断裂而引发的，所以将断裂力学运用在地震研究上，便成为了学者们的研究方向。在这方面的研究，国内学者已取得了一些成果。有学者通过研究发现震源参数与地壳岩石应力状态之间的关系可以通过断裂力学中应变能释放率公式和位移公式来得到，从而有利于地震的预报。余震序列的时间滞后的特性也可以用断裂力学中的流变-断裂模型来解释。有的地区震前会产生强烈的膨胀现象，这种现象也可以利用断裂力学的理论分析圆盘裂纹稳态扩展条件、地震区应力场参数及岩石力学参数，从而解释这种现象。

3.2 岩石断裂力学在工程上的其他应用

喷锚支护是边坡防护工程中的常用防治措施，已有学者利用岩石断裂力学来分析考喷锚支护防治边坡失稳的机理作用，并对此进行设计[11]。在岩石爆破的工程实际中也可用到岩石断裂力学来分析，岩石断裂力学是控制爆破的重要理论基础。在各大工程勘察过程中，有时候会出现岩心对于岩饼裂饼现象，这种现象也有国内学者利用断裂力学进行了分析讨论[12]。对于重力坝，用常规的力学来分析处于应力奇点的坝踵应力是比较困难的。而用断裂力学的分析方法是可以用来分析坝体开裂条件的。重力坝的坝体的开裂失稳的过程可以采用断裂力学的方法来分析，使目前规范更接近于实际工程情况。

4 断裂力学对岩石材料的研究的展望

经过各种构造运动的演变，岩石通常存在节理、软弱面及断层等特征，这就导致了岩石力学性质的特殊性。岩石的力学性质具有非连续性，但是岩石却不是离散介质，他在性质上具有非线性、随机性等特性[13]。断裂力学理论是建立在金属固体的连续性、均匀性的假设上的，因此经典的断裂力学理论是不能直接运用到岩石力学上的。在用断裂力学的理论研究岩石的破坏问题时，我们应该将岩石不同于其他连续固体的特殊性质考虑进去。国内外学者的不断研究推动了岩石断裂力学的发展，但是很多理论还是与实际工程应用中有着不少误差。我们应该将接下来的研究与实际工程结合起来，着重研究探索一下问题：采用有限元分析方法对岩石在受压条件下发生的脆性断裂和弹性断裂进行模拟分析，来研究闭合裂纹尖端的位移及应力场；更加深入地研究岩石在不同受压条件下的断裂机制、本构模型及断裂判据；为了探究岩石的断裂韧性与力学性能的关系，还应该建立更为精确的静态及动态的断裂韧性测试方法；在工程实践中，也需要更为准确先进的岩体裂纹检测及防治方法。

[1]Griffith A A. The Phenomena of Rupture and Flow in Solids[J]. Philosophical Transactions of the Royal Society. A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 1921(No.582-593):163-198.

[2]Suggested Methods For Determining The Fracture-Toughness Of Rock[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences and Geomechanics Abstracts, 1988(No.2):71-96.

[3]J. F R, A. H J, X. C, et al. Suggested method for determining mode I fracture toughness using cracked chevron notched Brazilian disc (CCNBD) specimens[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences and Geomechanics Abstracts, 1995(No.7):322A.

[4]Kuruppu M D, Obara Y, Ayatollahi M R, et al. ISRM-Suggested Method for Determining the Mode I Static Fracture Toughness Using Semi-Circular Bend Specimen[J]. ROCK MECHANICS AND ROCK ENGINEERING, 2014(Special SI):267-274.

[5]Standard Test Method For Plane-Strain (Chevron-Notch) Fracture Toughness Of Metallic Materials[S]. 1984.

[6]包含, 伍法权, 郗鹏程. 岩石Ⅰ型断裂韧度估算及其影响因素分析[J]. 煤炭学报, 2017(第3期):604-612.

[7]贾学明, 王启智. 标定ISRM岩石断裂韧度新型试样CCNBD的应力强度因子[J]. 岩石力学与工程学报, 2003(第8期):1227-1233.

[8]周博, 孙博, 薛世峰. 岩石断裂力学的扩展有限元法[J]. 中国石油大学学报(自然科学版), 2016(第4期):121-126.

[9]戴峰, 魏明东, 徐奴文, 等. 岩石断裂韧度CCNSCB方法渐进破坏机制与无量纲应力强度因子宽范围标定[J]. 岩土力学, 2016(第11期):3215-3223.

[10]纪维伟, 潘鹏志, 苗书婷, 等. 基于数字图像相关法的两类岩石断裂特征研究[J]. 岩土力学, 2016(第8期):2299-2305.

[11]陶振宇. 应用断裂力学进行喷锚结构设计的探讨[J]. 水力发电, 1981(第2期):22-26.

[12]姚宝魁. 二滩坝址岩心裂饼现象及其断裂破坏机制[J]. 地质科学, 1986(第3期):300-310.

[13]谢和平, 高峰, 周宏伟, 等. 岩石断裂和破碎的分形研究[J]. 防灾减灾工程学报, 2003(第4期):1-9.

谢绍明（1994.01- ），男，汉族，重庆市潼南区，学历：硕士研究生，研究方向：岩土工程方向，工作单位：重庆交通大学。

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