準脆性材料宏觀特性

摘 要： 準脆性材料在宏觀力學介質模型中所遇到的問題實質上是尺度問題，或者說，準脆性材料應變局部化和斷裂過程本質上是微觀或細觀尺度上的力學行為。

關鍵詞： 準脆性材料 土木工程 巖土工程 滲透性

準脆性材料廣泛存在于土木工程領域，如混凝土、砌體、某些金屬材料等人工材料及巖石、硬黏土等天然材料，大量古典和現代土木工程結構均由這些材料構成。準脆性材料一般具有如下力學性質：不均勻性、各向異性、結構的離散性及非線性等。變形局部化及斷裂是準脆性材料的一種基本現象，損傷是其在外載荷作用下強度衰減的主要原因。與脆性材料不同，準脆性材料破壞過程伴隨有一些變形和能量的釋放。在外載荷的作用下，準脆性材料內部弱介質的破壞和微缺陷的形成、擴展及相互作用將決定其宏觀變形破裂特性。這些性質將會對土木工程生產及結構的安全及穩定性產生決定性的影響。如在水利、采礦、交通等巖土工程活動中，開采工作面的巖石破裂、水壓致裂、巖石爆破、礦石的粉碎等工程活動及經常會遇到“巖爆”、“煤爆”等沖擊地壓現象，這些都要求深入地了解巖石這類準脆性材料從連續到不連續破裂的演變過程。又如巖體中存在大量的節理和裂隙，在外載荷的作用下裂紋會發生擴展，擴展后的裂紋會導致巖體的力學性質發生極大變化，甚至會引起巖體的破壞，導致地下工程結構失穩。另外，巖體裂隙的擴展導致巖體的滲透性發生變化，這可能導致如石油的生產、地下水的開采、透水事故等工程生產、安全問題。

準脆性材料應變局部化和斷裂過程，即連續介質模型和離散模型。第一類模型處理不連續位移的手段之一是將其近似視為連續的或光滑連續的，前者位移可導，但應變不連續，這類模型即為弱不連續模型，后者是前者的一種改進，位移、應變均連續可導，這類模型稱為正則化模型；另一種處理方法是，將不連續面或潛在不連續面視為接觸面或邊界，計算裂隙擴展時需要重新劃分網格。連續模型主要基于接觸力學、斷裂力學、損傷力學、軟化塑性力學等理論和方法，典型的連續模型包括：非線性彈性模型、率無關塑性模型、損傷理論模型、內蘊時間塑性理論模型、耦合損傷塑性理論模型、微平面理論模型。第二類模型采用直觀的手段處理不連續面，將不連續面或潛在的不連續面顯示表達出來，采用離散計算力學理論進行計算。離散計算力學是計算力學中相對較新的技術，其主要處理運用連續模型時本構關系難以獲得的工程問題和過程，離散模型通過模擬介質微觀結構的行為表現介質宏觀力學行為，典型的離散模型有分子動力學模型、離散元、非連續變形和格構模型等。

為了在連續介質模型中實現準脆性材料應變局部化和斷裂過程的模擬，研究者引入多種理論和技術方法，其中應用最普遍的是塑性軟化模型和損傷力學模型。塑性軟化模型將巖石、混凝土等準脆性材料的摩擦角和內聚力視為變量，其隨塑性應變的某一不變量或塑性功的積累而演變，而損傷力學模型認為準脆性材料剛度隨變形的增加而減小。連續介質力學模型將準脆性材料的破壞和變形局部化視為一種分岔現象。在數值模擬研究中，連續介質模型，無論是塑性軟化模型還是損傷力學模型，所遇到的困難都是準脆性材料的破壞載荷依賴于網格的分辨率。例如，在軟化有限元分析中，準脆性材料破碎帶的耗散能或剪切帶隨著網格加密而減小，但這種變化毫無物理意義可言。

因此，確定準脆性材料宏觀特性是許多工程應用的一個基本問題。研究準脆性材料微結構與宏觀性質之間的關系不僅可以認識和理解已存在材料的性質，而且可以為設計所需材料提供有力的工具。但是從經濟的角度講，直接進行試驗測定準脆性材料宏觀特性是一個幾乎不可能完成的任務，因為試驗中必須考慮試樣尺度效應，微結構材料幾何形態、性質、體積比率及加載路徑等各種因素。所以需要新的手段和方法認識準脆性材料宏微觀結構性質之間的關系。另外，隨著科技的發展，人類土木工程實踐活動越來越復雜，許多問題都無法用物理實驗或解析方法解決，如地震荷載下混凝土大壩三維動態響應及復雜環境下裂隙巖體巷道失穩等。

在這些情形下，數值分析無疑是唯一經濟、有效的手段。然而，目前數值分析在土木工程，特別是巖土工程應用中飽受非議，主要原因在于土木工程環境的復雜性和準脆性材料及其結構力學性質的特殊性。近幾十年，運用數值分析準確而有效的描述準脆性材料及其結構連續與不連續、從連續到不連續及裂隙擴展演化破壞過程已成為土木工程特別是巖土工程的巨大挑戰。如何利用數值分析在同一框架上實現準脆性材料及其結構連續與不連續、從連續到不連續及裂隙擴展演化破壞過程是一個值得深入研究且具有廣闊應用前景的課題。

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