岩石等脆性材料动力强度依赖应变率的物理机制_戚承志

岩石类材料变形破坏的时间空间特性戚承志;王洪森;刘鹏;朱华挺【摘要】基于岩石类材料的内部构造层次模型和裂纹扩展速度的有限性,研究了岩石类材料变形破坏的时间和空间特性.研究表明,内部构造和和裂纹扩展速度的有限性对于岩石类材料的力学行为具有决定性的影响.岩石类材料强度的尺寸效应是不同尺度上单元界面强度的体现.岩石类材料强度的应变率效应是由于裂纹扩展速度的有限性所致超载所激活的小尺度单元界面的强度.基于Maxwell型应力松弛模型,建立了应变率与所激活的内部单元尺度之间的关系.基于这一关系,阐明了岩石类材料尺寸效应与应变率效应之间的内在联系.揭示了岩石类材料动力尺寸效应的物理机理,确定了应变率一定时,静力尺寸效应和动力尺寸效应之间转换的临界试件尺寸,以及试件尺寸一定时静力尺寸效应和动力尺寸效应之间转换的临界转换应变率,结果与实验数据吻合,说明了模型的正确性.【期刊名称】《北京建筑大学学报》【年(卷),期】2016(032)003【总页数】11页(P78-88)【关键词】构造层次;尺寸效应;应变率效应;临界尺寸;临界应变率【作者】戚承志;王洪森;刘鹏;朱华挺【作者单位】北京建筑大学土木与交通工程学院北京市未来城市设计高精尖创新中心,北京100044【正文语种】中文【中图分类】TU435岩石、混凝土等属于岩石类准脆材料. 长期以来对于准脆材料变形与破坏的时间和空间特性的研究主要集中于材料强度的尺寸效应上和强度的应变率效应上.准脆材料的尺寸效应有两种[1]：一种尺寸效应为统计型尺寸效应，这种效应可以用Weibull 的随机局部强度理论描述[2-4]；另一种尺寸效应为能量(确定性)尺寸效应. 能量(确定性)尺寸效应又可以分为两种：I型尺寸效应，这种尺寸效应描述裂纹的产生和发展导致的材料破坏[5-10]；II型尺寸效应，这种效应描述在破坏之前已经有深的切口或者无应力深裂纹存在于试件中的情况[5]518-535[11-14]. 对于I 型尺寸效应，一个比较好的适用于描述从大尺寸到小尺寸的尺寸效应公式为[10]153-162：其中σN为名义强度；D为试件尺寸；为大尺寸试件的名义强度；Db为一个特征尺度，可以解释为引起应力重分布的开裂边界层的厚度；lp为材料特征尺度，表示准脆性材料的代表性单元的尺寸，对于混凝土来讲约为骨料尺寸的2～3倍，或者是平行裂纹的间距，或者是沿着传播方向破坏过程区的有效长度；ls为第二统计特征长度，这一参数的引入是为了保证在D→0时的非奇异渐近行为；r为正常数，根据试验结果，其值在0.5～2之间变化；n为破坏发生的维数，n=1、2、3；m为符号正的标度常数，为Weibull分布的模量.通常m/n≪1，公式(1)能够满足三种渐近要求：1)对于小的、但并不是太小的特征尺寸，当D/ls→0、D/lp→0时，(1)式渐近趋向于指数律；2)对于大的尺寸D≫ls≫lp，(1)式渐近趋向于指数律；3)当m→∞时(1)式趋向于定性能量公式：准脆材料和其它材料的变形破坏的时间特性表现在材料在动载作用下其强度会随应变率的提高而提高，如图1所示. 其一般规律是，首先材料强度随应变率的增加而缓慢地增加(此处称为1区)，当应变率继续增加,超过某一值时材料强度随应变率的增加急剧增加(此区称为2区)，当应变率进一步增加时(3区) , 材料强度随应变率的增加而增加的速率又变缓，与1区情况相当.许多研究者很早就注意到并研究了这一问题，如Attewell P.B.[15]，Rinehart J.S.[16] ，A.Kumar[17], U.S.Lindholm[18], M.E.Kipp和 D.E.Grady[19] ,nkford[20], P.Perzyna[21]，А.Р.Ставрогин А.Г.Протосеня [22]，D.E.Grady[23]等从不同的角度研究了这一问题. 本文作者在文[24-25]中提出了热活化与黏性机制并联竞争的材料强度- 应变率依赖模型，并对该模型的有效性对照实验资料进行了检验，结果表明与实验符合的很好. 该模型的动力强度σY数学表达式为：其中：U0为活化能；γ为活化体积,通常为10～1 000原子体积；k为玻尔兹曼常数；T为绝对温度；b为表示宏观黏性对强度增长贡献的最大幅值；n为常数，控制材料强度- 应变率对数曲线的陡峭程度；s为材料强度- 应变率半对数曲线的拐点值.以前对于材料强度尺寸效应和应变率效应的研究是分开的，强度的尺寸效应与强度的应变率效应之间关系还没有澄清，这阻碍了我们对于材料的力学特性和变形破坏过程的理解和定量描述. 造成这种情况的原因是没有考虑岩石类材料的构造层次和岩石类材料变形破坏速度的有限性. 近年来作者充分考虑岩石类材料的构造层次和岩石类材料变形破坏速度的有限性，对于强度尺寸效应和应变率效应进行了深入研究[26-29]. 本文在此基础上进一步探讨岩石类材料变形破坏的时间和空间特性，揭示岩石类材料的力学行为对于其构造层次和应变率的依赖性的物理和力学机理，揭示岩石类材料尺寸效应和应变率效应的内在联系，揭示岩石类材料动力破碎的物理机理，确定静力尺寸效应和动力尺寸效应之间转换的特征试件尺寸和特征应变率. 作为天然材料，岩体具有复杂的内部构造. 按照萨道夫斯基(Sadovsky M.A.)20世纪70年代的观点[30]8-52，岩体中存在着复杂的构造层次系统，这一层次系统包含所有的科学研究所触及的尺度, 从原子尺度到地质构造尺度及行星尺度. 这一观点在当时是一个大胆的假设，但目前经过许多的理论及实验研究，这一观点已经得到了令人信服的证实，并得到了定量的描述[31]387-401[32]197-201.这种概念使得在力学分析中所使用的基本体元的概念，以及连续介质力学中使用的圣维南变形协调条件受到了置疑.岩石的离散块体特性有一个重要的特点是，在一个非常大的尺度范围内这种离散性具有相似性，并遵循级串律. 研究表明[31]387-401，对于这样的系统存在着下列第i级别的块体尺寸Δi的自相似的等级序列公式：这里Δ0=2.5×106 m，为地核的直径；i为负整数.通过i的降阶，可从地质构造级别一直到微晶体级别确定每一级别上的代表性块体的尺寸.方程(4)给出的关系可以通过下列两个正交的断层大系统的交割来理解.在空间中所有的断层可以按照空间取向归类. 通常把具有一个方向的所有断层称为一个子系统. 有时也方便地把两个相互垂直的断层子系统组成一个大系统. 除此之外每一个方向的断层其性质也不一样. 对于地壳开裂的研究表明，每一个断层子系统为从微小的裂缝到大的断层各种不同层次的裂缝所组成的有规律的裂缝集合体. 如果最大断层为第一阶断层，那么在最大的断层之间1/2、1/4等处观测到与之平行的断层，被称为第二阶、第三阶等. 图1为两个断层大系统的构成的断层复杂体系. 每一个断层大系统由相互垂直的两个断层子系统组成. 线越粗，表示断层越大. 两个大系统在空间分布上彼此成45度切割，两个大系统这种45度相互切割在地壳中很普遍[33]. 由图2可以很好地理解方程(4)中的因子的含义了.中国大陆的断层分布规律是上述断层分布规律的一个特例. 图3展示了中国的两个几乎相互垂直的断层子系统[34]. 一个子系统取向为东北- 西南，另一个子系统取向为西北- 东南.王铁梦对于混凝土开裂的研究表明[35]，混凝土的开裂也是按照上述规律进行的：同级别裂缝之间的距离大致相等，在它们之间1/2、1/4、1/8、…距离处被依次等分.方程(4)反映了岩体可能的最密集的构造层次序列. 萨道夫斯基经典著作[30]8-52中的所指出的相邻破坏尺度块体的比值(～3)可以认为是方程(1)的一种特例:3=2.83≈3.Shibi和Kamei[36], 戚承志等[37-38], Rahiman 和Pettinga[39], Sherman[40] 也研究了岩体的构造层次的成因.Kurlenia和Oparin的研究表明[41]，门捷列夫元素周期表中98种元素的不同价位的原子- 离子半径也遵循方程(4)所述的关系，因此方程(4)对于大于8个尺度数量级的单元尺寸来讲是成立的. 由于岩体内部这种复杂构造层次的存在，没有必要区分岩石和岩体.研究表明，裂纹的张开尺寸δi及由裂纹分开的同级别块体的尺寸Δi之间存在着稳定的统计关系[32]197-201：这里Θ为系数，其变化范围为1/2～2. 而μΔ(δ)被称作岩石力学“不变量”.由于岩石类材料中存在着不同层次的构造，因此每一构造层次都有自己的构造面. 这些构造面是岩石类材料的薄弱面，因此岩石类材料的变形及破坏主要发生在这些构造面上. 这些构造面连接不紧密，有一定的张开宽度，很自然，我们可以认为，张开宽度越大的构造面，强度越小，这是材料尺寸效应的内在根源.材料的内部构造影响材料的力学性质，典型的例子为炭原子的不同组合结构形成石墨及金刚石两种力学性质截然不同的材料. 同时外部作用也会对于介质的内部结构产生影响，并进而对于介质的宏观行为产生影响. 如很多实验及现场观测发现，在塑性变形局域化过程中、变形波阵面能量耗散过程中、在剥离破坏过程中都观察到了新的结构的形成. 基于上述分析，可以看到介质的内部构造及宏观行为是相互作用、相互影响的. 这种情况决定了在研究介质的变形与破坏时，应当考虑它们之间的相互作用.现场观测[42]和理论研究[43]65-78表明，岩石类材料等准脆材料的变形和破坏是按照Maxwell体的破坏规律来进行的. 这种情况可以使我们利用Maxwell模型来描述岩石类材料的变形与破坏.理想晶体强度很高，当受到的外载足够强但是小于强度极限时，晶体不会产生破坏. 但是当晶体替换为现实的岩石类材料时，由于岩石类材料的强度比理想晶体小约3个数量级，岩石类材料中会出现应力集中和残余变形，一部分应力将会松弛掉. 因此介质内的应力由两部分组成[43]65-78：一部分由均匀介质的体积变形或者畸变形引起的弹性应力；另一部分是由构造非均匀性所引起的局部应力，这一部分应力引起介质内的不可逆变形，并随时间松弛. 均匀介质的弹性应力与可逆变形之间的关系为线弹性关系. 残余应力(非弹性应力)在介质有限变形时出现，并随时间松弛. 构造非均匀性所致残余应力的演化可由下列方程确定：式中为介质中与特征尺寸为l的非均匀单元对应的残余偏应力张量；ρ为介质密度；ij为剪切偏应变率；v为松弛速度，为有效的裂纹增长速度；cs为弹性横波速度.方程(6)的主要特点是，构造非均匀单元体的残余应力的松弛速率与残余应力的大小成正比，与非均匀单元体的尺寸成反比，且所有的残余偏应力张量分量具有同样的松弛时间. 实际上, l/v可以认为是松弛时间τ=l/v. 方程(6)右边的第一项描述弹性加载，而第二项描述由于开裂所引起的应力松弛. 能够利用Maxwell 型的松弛方程来描述岩石类材料的变形与破坏的原因是，岩石类材料为准脆材料，塑性变形小，岩石类材料的变形与破坏主要是由弹性变形与开裂控制.对于常应变率上述方程的解为：对于短时加载t≪τ=l/v，松弛来不及完成，方程(7)给出eij，即残余应力将会随时间线性增加，施加的荷载的最终幅值由加载时间决定.对于长时加载t≫τ，加载过程由松弛时间决定，此时方程(7)给出：为了能够发生破坏，加载时间必须大于松弛时间t>τ, 因此方程(8)可以用于研究试件的宏观破坏.把方程(8)代入到残余偏应力张量强度公式得：其中为偏应变率张量强度.从方程(8)、方程(9)可以看出，如果假定应变率固定，那么非均匀单元的尺寸越大，残余应力越大. 这样在固定应变率情况下一个长度尺度参数出现在模型中. 引起残余变形的应力集中是导致破坏的原因. 当残余应力强度ΔσI达到了这一尺度水平上材料的强度σ*时，即：破坏发生.这里应该指出的是，方程(10)中尺度l应该从内部构造层次的角度来理解. 对于尺度为L的试件，最大可能的结构单元尺寸为l=L. 按照方程(10)为了破坏试件，所施加的应变率应该为L). 如果所施加的应变率大于L, 那么按照方程(10)破坏过程将会选择一个试件的破坏尺度lf<L.所以此时变形破坏发生的构造层次尺度不是L，而是lf. 后面当我们讲在给定应变率情况下变形破坏发生的构造尺度水平时，我们是指由方程(11)所确定的尺度水平. 所谓变形破坏发生在某一构造水平上，是指变形破坏主要发生在该构造水平的薄弱结构面上.由方程(11)可见，随着应变率的增加，细观、微观尺度将会依次卷入到变形破坏过程中去. 特征尺度水平和特征应变率之间存在着一一对应的关系，也即对于给定尺寸的试样，我们总会找到一个应变率，低于该应变率时试件不会破坏.通常对于许多岩石类材料，在一个大的应变率范围内，动力强度与应变率之间存在着如下关系[44]：把方程(12) 代入到方程(11)得：Kipp和Grady 利用Mott 的破坏模型得到了下列关系[45]：其中W为破坏功;ρ为介质密度. 这一结果与方程(13)吻合.在低加载率时会有单一的破坏模式，比如Ⅰ型裂纹开裂破坏. 那么随着应变率的提高，Ⅱ性裂纹破坏也会加入到开裂过程中来，这时我们会有混合型破坏模式. Finberg等对于有机玻璃的实验[46]、Bouchbinder 等对于玻璃的实验[47]表明，当Ⅰ型裂纹扩展速度v小于某个临界值Vc时:v<Vc，形成的裂纹表面平滑；当v接近Vc时:v～Vc, 裂纹扩展出现不稳定性，会形成粗糙的裂纹表面；当v>Vc时，裂纹分叉发生，裂纹面变粗糙，Ⅱ型裂纹出现. 但是裂纹的平均扩展速度对于裂纹长度和加载的依赖性没有改变，只是出现了裂纹的扩展速度围绕平均速度值的震荡. Ⅱ型裂纹出现没有否定本文模型，只是使得裂纹扩展速度震荡，松弛过程仍然由方程(6)中的/l来描述.另一个需要考虑的效应是惯性效应. 按照本文作者的观点，所谓的动力强度是一个有条件的术语，用于描述破坏过程速率的有限性所导致的试件的超载. 惯性效应具有双重效应[48]，惯性在过程的起始阶段抑制裂纹的发展，在后期维持裂纹的扩展. 这种双重效应可以通过为方程(6)右边的项选取一个合适的松弛速度而体现出来. 因此方程(6)反映了岩石类材料的动力变形破坏的主要特征，能够用于研究具有复杂内部构造的岩石类材料的动力变形与破坏.现在分析公式(11)的含义. 对于不可压缩的岩石类材料来讲泊松比为μ≈0.5，杨氏模量为. 公式(11)右侧代表达到强度极限时的材料变形ε*. 而表示达到ε*所需要的时间. v可以理解为裂纹的扩展速度. 所以(11)式变为：此式表示达到破坏时裂纹的扩展长度.裂纹的扩展速度v依赖于加载条件. 试验表明[49-50]，在低于宏观断裂临界能量极限时裂纹也扩展. 在微观尺度上由于裂纹的亚临界传播引起的拉伸破坏是宏观尺度上蠕变的主要微观机制. 在环境辅助开裂(EAC)条件下I型裂纹的亚临界传播速度对于裂尖应力因子的依赖可以用三模态模型来表示，如图4所示.在Ⅰ区应力腐蚀反应率控制着裂纹的扩展速度. Ⅱ区的平台区主要由应力腐蚀反应物向裂尖的输运率决定. 在Ⅲ区裂纹扩展速率急速增加直到破坏，裂纹扩展速率不受化学反应的影响，由力学破坏机制控制，且极限裂纹扩展速率大约为瑞利波速度CR的0.4倍[51](见图5). 在没有环境辅助(EAC)开裂时，Ⅱ平台消失，如图4所示. 最近在文献[52]中基于位错理论从理论上取得了Ⅰ型裂纹的极限传播速度与介质的力学参数(弹性模量、密度、泊淞比)之间的关系. 所以裂纹扩展有两个特征扩展速度，分别是vth和裂纹的极限扩展速度vC.如前所述，方程(1)的最显著特征是引入了若干长度参数，来给出合适的小试件尺寸和大试件尺寸时的渐进曲线. 这些长度参数对应于三个特征应变率.对于大尺寸的试件，即当D≫ls(对于ls≥lp)时，尺寸效应律方程(1)渐近于温布尔尺寸效应(ls/D)n/m→D-n/m, 因此方程(1)中右侧括号中的第一项rn/m 描述图4中的Ⅰ区的岩石类材料行为，即蠕变行为.对于小的试件尺寸，方程(1)渐近于下列方程： 1/r,因此方程(1)中右侧括号中的第二项描述图4中的Ⅲ区的岩石类材料行为，即快速变形过程.正如第三节所述，为了能够破坏尺寸为L的试件，需要施加应变率L；而为了激活更小尺寸的构造单元，需要高于L的应变率. 蠕变阶段和快速变形过程阶段对应的临界速度分布为vth和vc. 按照特征尺度和特征应变率之间的一一对应关系，参考尺度参数lp、ls和Db分别对于激活应变率s和b.可以利用方程(15)把用尺度参数表示的方程(1)表示为用应变率表示的方程. 方程(15)可以写为下列形式：把vth带入到方程(1)中的第一项rn/m中，把带入到第二项中得到：在小的应变率时，即→0时，也即在大的试件尺寸时D≫ls，方程 (17)应该渐近于下列方程：方程(3)在小应变率时渐近于下列方程：因为n/m值很小(n/m=0.2～0.04)，所以方程(18)和方程(19)具有相近的渐近特性. 方程(18)反映了非局部的材料强度的随机分布的影响，也即材料内部构造的影响. 方程(19)反映了材料粒子的热涨落对于能量障碍随机翻越的影响. 因此方程(17)右边括号里的第一项为借助于热涨落克服随机能量障碍所需要的力.在高应变率情况下→∞，即小的试件尺寸情况下，方程(17)应该渐近于下列方程：在高应变率情况下→∞, 方程(3) 渐近于下式：方程(20)在→∞趋向于常数，这意味着在小的尺度上尺寸效应消失. 方程(21)中在→∞时σY 随应变率增长微弱，这意味着在小的完整材料单元里热活化过程发生. 方程(20)、方程(21)的渐近行为非常接近.按照Radionov等人的资料[43]，Ⅰ区对应的临界裂纹扩展速度可以取为vth≈2×10-8 m/s，而混凝土裂纹的动力极限传播速度取为：vc=800 m/s. 材料的抗拉极限变形为：ε*=1.5×10-4. 其他参数取为：Db=0.28 m，r=1，lp=Db/6=0.046 7 m，ls=Db，r=1，m=48, n=2. 这样利用公式(16)可得方程(17)的若干特征应变率：这样引入动力放大系数方程(17)变为：最终的动力强度放大系数为：对于图6显示的应变率试验结果[53]，利用公式(22)的模拟结果如图中实线所标，公式(22)较好地反映了强度对于应变率的依赖趋势.材料的应变率效应与尺寸效应之间的关系可以这样理解.由于岩石类材料中存在着不同层次的构造，因此每一构造层次都有自己的构造面. 这些构造面是材料的薄弱面，材料的变形及破坏主要发生在这些构造面上. 这些构造面连接不紧密，有一定的张开宽度. 而且结构面的张开度与构造单元的尺寸成正比. 很自然，我们可以认为，张开宽度越大的构造面，强度越小. 在原子级别尺度上，最小单元(原子)之间的键力即为材料的理论极限强度.应变率大小是与具体的加载波形相关的. 动载的上升段是引起材料动力响应的主要阶段，上升段时间tr越短，最大应力值越大，应变率越大. 通常动载冲击载越大，上升段时间tr越短，应变率越大. 一方面，设材料中的波速为c，应变率越高，则应力波上升段所涉及的空间尺度ctr越小，则上升段所涉及的空间区域的材料强度越高. 另一方面，在应力波上升段所涉及的空间尺度内，从时间角度来讲，由于裂纹的传播速度有限v≤vC，对于最大的尺度D0来讲，其结构面强度为σN0，Di 尺度的结构面完全裂开需要的时间为ρc2)+D0/v>tr(其中c为介质中的波速)，如果荷载上升的时间足够快，以至于在物体完全断开之前荷载上升到更小一级尺度D1<D0的结构面强度，这样第1级结构面启动开裂，该级结构面完全裂开需要的时间为ρc2)+D1/v. 如果在D0和D1完全裂开之前荷载进一步增加，那么就会启动更小一级的结构面的开裂，依次类推. 这样在物体完全裂开之前达到的最小尺度结构面的强度就是该物体的动力强度. 这样就可以看出物体的尺寸效应和材料的强度应变率依赖特性之间的关系.文献[54]对于不同尺寸的花岗岩试件进行了研究，实验结果如图7、图8、图9所示. 实验结果显示，岩石的动力强度随应变率增加而增加，如图7所示. 令人感兴趣的结果是，试件尺寸越大，强度的应变率敏感性越显著，即在同样的应变率情况下，试件尺寸越大，动力强度越高，如图8所示. 这种现象可称之为动力尺寸效应. 动力尺寸效应与静力尺寸效应对于试件的尺寸的依赖性相反.岩石的动力强度的尺寸效应随着应变率的降低而减弱. 存在着一个临界应变率，低于此应变率，静力尺寸效应占优. 除此之外，实验显示，同样的应变率情况下，试件的破碎尺寸随着试件的尺寸增加而迅速减小，如图9所示.现在利用方程(10)来解释上述动力尺寸效应. 对于花岗岩，杨氏模量为E=5.5×1010 Pa，相应的剪切模量为G=2.13×1010 Pa，泊淞比为μ=0.29. 对于直径为D=22 mm，D=36 mm和D=75 mm的试件，根据实验数据和方程(10)，有效的裂纹扩展速度分别为ν=3 515 m/s、ν=2 465 m/s和ν=1 867 m/s. 可以利用下列公式来近似表示等效裂纹扩展速度对于试件直径的依赖关系：其中D的单位是cm. 这样方程(10)就准确地描述图7、8所示的实验数据.岩石试件的静力强度依赖于试件的尺寸. 通常岩石类材料的抗压强度σY对于试件的尺寸D可以用下式表示[5]518-535：其中σ0和D0为常数. 方程(25)可以写为：对于快速变形过程，由于松弛速度的有限性，超载将会发生. 超载将会激活小尺度介质单元的变形与破坏，试件将会按照图10发生破碎：对于足够大的给定应变率，当试件尺寸足够大时(大于临界尺寸Dc)，会发生图10所示超载，在超载情况下试件将会按照静力尺寸效应破坏，从而得到破碎尺度Df.由方程(26)可以得到下列平均破碎块度Df对于应变率的依赖关系：其中σ0和D0为常数，可由图9(a)和(b)数据确定. 例如，对于d=75 mm直径的试件，应变率为 s-1，动力强度为σY=220 MPa，动力破碎块度约为Df=0.2 cm. 对于d=36 mm直径的试件，应变率为 s-1，动力强度为σY=105 MPa，动力破碎块度约为Df=1.47 cm. 这两组数据可以确定方程(27)中的常数：D0=1.75 mm，σ0=3.22×108 Pa. 因此：对于图9(c)所示的情况，试件直径d=22 mm，σY≈100 MPa. 把上述数据代入到方程(28)中得到Df=16.4 mm. 这一结果非常接近于图9 (c)所示的结果 mm. 由此验证了此模型的正确性.下面来确定实验中显示的区分静力尺寸效应和动力尺寸效应的临界试件尺寸和临界应变率.对于固定的应变率I，存在一个试件特征尺寸DC，大于该尺寸，动力尺寸效应占。

爆炸荷载作用下岩石的变形与破坏研究(Ⅰ)王明洋;葛涛;戚承志;钱七虎【期刊名称】《防灾减灾工程学报》【年(卷),期】2003(23)2【摘要】无论是矿山工程、隧道工程中钻孔爆破效率的提高、工程爆破领域爆破振动参数的预测,还是最近一系列高技术常规局部战争中钻地炸弹对地下坚固目标的破坏,在不考虑岩石中强爆炸引起的光子和电磁辐射等极端效应情况下,都亟待要求对岩石中爆炸引起的应力、变形及其它运动参数和破坏效应作出比较准确的评估。

目前对此问题的研究尚只能达到大致的机理及景象的定性认识和描述,定量上的确定存在数量级的误差,尤其是爆炸和冲击的近区,误差更大。

其原因在于岩石中爆炸产生的变形和破坏特征,不仅与作用时发生相应的物理及力学运动密切相关,而且强烈地受岩石自身构造缺陷水平及其变化的制约。

本文概述了爆炸作用下岩石的动力变形与破坏研究之现状。

研究中考虑了岩石的构造特点及其对基本力学性状的影响,并简述了其研究的新趋向。

【总页数】12页(P43-54)【关键词】爆炸荷载作用;岩石;变形;破坏;物理细观力学【作者】王明洋;葛涛;戚承志;钱七虎【作者单位】解放军理工大学工程兵工程学院【正文语种】中文【中图分类】TU45【相关文献】1.外接触爆炸荷载作用下大口径钢管变形与破坏效应的数值模拟 [J], 纪冲;龙源;方向;唐献述2.冲击荷载作用下岩石的变形与破坏试验分析 [J], 郭连军;杨跃辉;华悦含3.爆炸与火荷载联合作用下钢柱变形与破坏的数值分析 [J], 方秦;赵建魁;陈力;李大鹏4.循环荷载作用下岩石疲劳破坏和不可逆变形问题的探讨 [J], 葛修润;卢应发5.爆炸荷载作用下岩石的变形与破坏研究(Ⅱ) [J], 王明洋;王立云;戚承志;钱七虎因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

岩石类准脆材料的起裂韧度与加载率关系的物理机理研究王洪森;戚承志;朱华挺;李庆垒【期刊名称】《北京建筑工程学院学报》【年(卷),期】2017(033)003【摘要】基于岩石类准脆性材料的力学特性和动态裂纹尖端的应力场解析解,利用摩尔强度准则计算出了裂纹尖端断裂过程区的形状及尺寸,确定了岩石类材料动态裂纹尖端的断裂过程区面积和裂纹扩展速度之间的关系.进而利用尺寸效应公式,推导出了岩石的起裂韧度和加载率之间的关系.结果表明,岩石类材料裂纹尖端的断裂过程区的面积随着裂纹的扩展速度的提高而增大,从而推导出岩石的起裂韧度随着加载率的增大而提高.计算的岩石的起裂韧度对于加载率的依赖关系与实验结果基本定性吻合,说明理论模型的合理性.模型计算结果和实验结果有一定差距的原因,认为是模型没有考虑变形破坏的黏性效应所致,将在今后的研究中考虑黏性效应.【总页数】6页(P21-26)【作者】王洪森;戚承志;朱华挺;李庆垒【作者单位】北京建筑大学土木与交通工程学院北京未来城市设计高精尖创新中心,北京 100044;北京建筑大学土木与交通工程学院北京未来城市设计高精尖创新中心,北京 100044;北京建筑大学土木与交通工程学院北京未来城市设计高精尖创新中心,北京 100044;北京建筑大学土木与交通工程学院北京未来城市设计高精尖创新中心,北京 100044【正文语种】中文【中图分类】TU435;TU42【相关文献】1.岩石类准脆材料的起裂韧度与加载率关系的物理机理研究 [J], 王洪森;戚承志;朱华挺;李庆垒;2.采用压缩单裂纹圆孔板确定岩石动态起裂、扩展和止裂韧度 [J], 张财贵;曹富;李炼;周妍;黄润秋;王启智3.岩石断裂韧度的加载率效应的分形研究 [J], 张宗贤;俞洁4.动态加载率对巷道内裂纹扩展速度及动态起裂韧度的影响 [J], 周磊;朱哲明;董玉清;应鹏;王磊5.混凝土起裂韧度与断裂韧度的关系 [J], 黄达海;宋玉普因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

第24卷第16期岩石力学与工程学报V ol.24 No.16 2005年8月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Aug.，2005动静组合加载下岩石破坏的应变能密度准则及突变理论分析李夕兵，左宇军，马春德(中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙 410083)摘要：阐述了岩石在动静组合载荷作用下使用应变能密度定义破坏准则的适用性。

分析认为，岩石破坏的应变能密度的临界值与岩石破坏之前的不可逆变形过程和外界条件有关，而不可逆变形过程主要是由于岩石的非弹性变形、损伤和其他内部耗散机制引起的，且反映静水压力的体积变形能在某些应力状态条件下的岩石破坏中是不能忽略的。

提出用机械模型来反映动静组合加载下岩石单元体弹性的劣化和非弹性变形的产生以及加载速率的影响，并以机械模型为基础，求出受一维静载岩石在动载作用下破坏应变能密度的临界值。

同时，根据静力预加载结构的冲击屈曲突变模型，建立了静加载岩石系统的冲击破坏模型，进一步分析了动静组合加载下岩石的破坏。

最后，采用低周疲劳加载方法在Instron电液饲服控制材料试验机上进行了红砂岩中应变率下的动静组合加载破坏试验，对应变能密度准则和突变理论模型进行了验证。

结果表明，理论模型与试验结果有较好的一致性。

关键词：岩石力学；动静组合加载，应变能密度；破坏准则；中应变率；低周疲劳加载中图分类号：TU 452 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2005)16–2814–11 FAILURE CRITERION OF STRAIN ENERGY DENSITY ANDCATASTROPHE THEORY ANALYSIS OF ROCK SUBJECTEDTO STATIC-DYNAMIC COUPLING LOADINGLI Xi-bing，ZUO Yu-jun，MA Chun-de(School of Resources and Safety Engineering，Central South University，Changsha410083，China)Abstract：The applicability of a failure criterion for the strain energy density of rock under static-dynamic loading is proposed. According to the analysis，critical value of strain energy density of rock is mainly determined by preceding irreversible deformation process and current environmental state；and the irreversible deformation is mainly caused by nonelastic deformation，damage and other possible intrinsic dissipative mechanisms of rock in a mechanical system；and volume deformation energy associated with hydrostatic stress effects can not be neglected on some stress states. Using mechanical model to represent the reduction of elasticity，occurrence of inelasticity deformation and effect of loading rate are proposed. On the basis of mechanical model，the critical value of strain energy density of rock under static-dynamic loading is derived. According to the catastrophe model for impact buckling of static-loading structures，a new catastrophe model for impact disturbance fragmentation of a rock system under static loading is established to analyze the rock failure under static-dynamic coupling loading ulteriorly. Finally，by using of the Instron electro-hydraulic and servo-controlled material testing machine and adopting low-cycle-index fatigue loading method，the test of red sandstone failure with medium strain rate under收稿日期：2005–04–29；修回日期：2005–06–17基金项目：国家自然科学基金资助项目(10472134，50490274，50174056)作者简介：李夕兵(1962–)，男，博士，1983年毕业于中南矿冶学院采矿工程专业，现任“长江学者”特聘教授、博士生导师，主要从事采矿与岩石动力学方面的教学与研究工作。

第22卷第2期岩石力学与工程学报22(2)：177～181 2003年2月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Feb.，2003岩石等脆性材料动力强度依赖应变率的物理机制∗戚承志钱七虎(北京建工学院土木系北京 100044) (中国工程院土木水利与建筑学部北京 100038)摘要脆性材料，如岩石，其动力强度随应变率的变化特性以往大多局限于实验研究，而理论研究，特别是从低应变率区到高应变率区的系统的物理机制研究很少。

基于现有的研究资料，对不同应变率区的材料强度的应变率依赖性机理及其转换进行了探讨。

分析表明，在小应变率的范围内，材料强度-应变率依赖性受热活化机制控制；随着应变率进一步增加，材料的宏观粘性阻尼机制(声子阻尼)出现，并逐渐占据主导地位，材料的惯性影响逐渐明显；在高应变率区时，材料惯性的影响非常大，这时不同尺寸的缺陷的增长将同时启动，在材料没有缺陷的地方热活化机制引起原子键的断裂。

这样可以把材料强度-应变率依赖性看作是热活化机制与宏观粘性机制并行存在、相互竞争的结果。

这两种机制在不同的应变率区占据主导地位。

基于上述结论，给出了联合的热活化与粘性机制相互竞争的材料强度-应变率依赖模型，并对该模型的有效性对照实验资料进行了检验，结果表明，与实验符合得很好。

关键词岩石力学，应变率依赖性，热活化机制，联合模型分类号TU 435 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(2003)02-0177-05PHYSICAL MECHANISM OF DEPENDENCE OF MATERIAL STRENGTH ON STRAIN RATE FOR ROCK-LIKE MATERIALQi Chengzhi1， Qian Qihu2(1Department of Civil Engineering，Beijing Institute of Civil Engineering and Architecture， Beijing 100044 China)(2Division of Civil Engineering，Hydraulic Engineering and Architecture，Chinese Engineering Academy，Beijing 100038 China)Abstract In the past，the dependence of dynamical strength of brittle materials like rock on strain rate was studied mainly experimentally，and the theoretical aspects，especially the physical mechanism from low strain rate to high strain rate are not studied systematically. Based on available research results，the physical mechanism of strength-strain rate sensitivity in different strain rate regions and the transition between them are studied. The study result shows that in small strain rate region，strength-strain rate sensitivity is controlled by thermoactivational mechanism. With the increasing of strain rate，the macro-viscosity mechanism arises，and gradually becomes dominant. In high strain rate region，inertia effect becomes very significant，and the growth of defects of a wide range of sizes will be initiated simultaneously，and then the thermoactivational rupture of atomic bonds will take place in the area without defects. Thus the strength-strain rate sensitivity can be considered as the result of competition between the coexisting thermoactivation mechanism and the macro-viscosity mechanism，which plays dominant roles in different strain rate regions. On this basis，a unified model of competition between thermoactivational mechanism and the macro-viscosity mechanism is given，and the effectiveness of the model is verified with experiment data and good accordance is obtained with the experiment data.Key words rock mechanics，s train rate dependence，thermoactivational mechanism，unified model2001年8月4日收到初稿，2001年9月20日收到修改稿。

岩石力学复习重点资料岩石力学复习重点第一章、绪论1.岩石材料的特殊性：岩石材料不同于一般的人工制造的固体材料，岩石经历了漫长的地质构造作用，内部产生了很大的压应力，具有各种规模的不连续面和孔洞，而且还可能含有液相和气相，岩石远不是均匀的、各向同性的弹性连续体。

2.岩石与岩体的区别：（1）岩石：是组成地壳的基本物质，他是由矿物或岩屑在地质作用下按一定规律凝聚而成的自然地质体。

（2）岩体：是指一定工程范围内的自然地质体，他经历了漫长的自然历史过程，经受了各种地质作用，并在地应力的长期作用下，在其内部保留了各种永久变形和各种各样的地质构造形迹如不整合褶皱断层层理节理劈理等不连续面。

重要区别就是岩体包含若干不连续面。

起决定作用的是岩体强度，而不是岩石强度。

3.岩体结构的两个基本要素：结构面和结构体。

结构面即岩体内具有一定方向、延展较大、厚度较小的面状地质界面，包括物质的分界面与不连续面。

被结构面分割而形成的岩块，四周均被结构面所包围，这种由不同产状的结构面组合切割而形成的单元体称为结构体。

第二章岩石的物理力学性质1.名词解释：孔隙比：孔隙的体积（Vv）与岩石固体的体积的比值。

孔隙率：是指岩石试样中孔隙体积与岩石总体积的百分比。

吸水率：干燥岩石试样在一个大气压和室温条件下吸入水的重量与岩石干重量之比的百分率。

其大小取决于岩石中孔隙数量多少盒细微裂隙的连通情况。

膨胀性：是指岩石浸水后体积增大的性质。

崩解性：岩石与水相互作用时失去粘结力，完全丧失强度时的松散物质的性质。

扩容：岩石在压缩载荷作用下，当外力继续增加时，岩石试件的体积不是减小，而是大幅度增加的现象。

蠕变：应力恒定，变形随时间发展。

松弛：应变恒定，应力随时间减少。

弹性后效：在卸载过程中弹性应变滞后于应力的现象。

长期强度：当岩石承受超过某一临界应力时，其蠕变向不稳定蠕变发展，当小于该临界值时，其蠕变向稳定蠕变发展，称该临界值为岩石的长期强度。

2.岩石反复冻融后强度下降的原因：①构成岩石的各种矿物的膨胀系数不同，当温度变化时由于矿物的涨缩不均而导致岩石结构的破坏；②当温度减低到0℃以下时岩石孔隙中的水将结冰，其体积增大约9%，会产生很大的膨胀压力，使岩石的结构发生改变，直至破坏。

应变速率和尺寸效应对岩石能量积聚与耗散影响的试验孟庆彬;韩立军;浦海;文圣勇;李昊;李浩【摘要】岩石的变形破坏过程是能量积聚与耗散的过程,岩石变形破坏是能量驱动的结果.基于不同尺寸与应变速率下的岩石单轴压缩试验,计算了不同尺寸与应变速率下岩样吸收的总能量、弹性应变能及耗散能,研究了能量积聚与耗散的演化规律,分析了在岩样变形破坏不同阶段的能量分配规律,并从能量角度分析了岩样破裂失稳的原因.研究表明:在单轴压缩试验时,岩样变形各阶段的能量特征有所差异,岩样吸收的总能量U0与耗散能Ud曲线呈非线性增加趋势,弹性应变能Ue曲线呈先增加后减小的趋势.岩样的能量与其高径比呈负相关的关系,两者呈幂函数关系;而与应变速率呈正相关,两者呈对数关系.岩石高径比越小或应变速率越大,岩石强度越高,单位体积岩样所吸收的能量也越高,造成岩样的破碎程度越大.在压密与弹性阶段,基本上将吸收的能量全部转化为弹性应变能储存于岩样内,弹性应变能是能量分配的主体.在塑性阶段,虽然弹性应变能的数值增大,但其所占比率有所下降;而耗散能比率有所增加,耗散能逐渐成为能量分配的主体.在峰后破坏阶段,弹性应变能瞬间释放,岩样吸收的能量几乎全部转化为耗散能,被裂隙面滑移摩擦而耗散掉,在峰后破坏阶段耗散能是能量分配的主体.【期刊名称】《煤炭学报》【年(卷),期】2015(040)010【总页数】13页(P2386-2398)【关键词】岩石力学;应变速率;尺寸效应;能量演化;弹性应变能;耗散能【作者】孟庆彬;韩立军;浦海;文圣勇;李昊;李浩【作者单位】中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏徐州221116;山东省土木工程防灾减灾重点实验室(山东科技大学),山东青岛266590;中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏徐州221116;中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏徐州221116;中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏徐州221116;中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏徐州221116;中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏徐州221116【正文语种】中文【中图分类】TD315.1;TU458.3应变速率和尺寸效应对岩石能量积聚与耗散影响的试验孟庆彬1,2,韩立军1,浦海1,文圣勇1,李昊1,李浩1(1.中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏徐州 221116;2.山东省土木工程防灾减灾重点实验室(山东科技大学),山东青岛 266590)摘要:岩石的变形破坏过程是能量积聚与耗散的过程,岩石变形破坏是能量驱动的结果。