准脆性材料宏观特性

摘 要： 准脆性材料在宏观力学介质模型中所遇到的问题实质上是尺度问题，或者说，准脆性材料应变局部化和断裂过程本质上是微观或细观尺度上的力学行为。

关键词： 准脆性材料 土木工程 岩土工程 渗透性

准脆性材料广泛存在于土木工程领域，如混凝土、砌体、某些金属材料等人工材料及岩石、硬黏土等天然材料，大量古典和现代土木工程结构均由这些材料构成。准脆性材料一般具有如下力学性质：不均匀性、各向异性、结构的离散性及非线性等。变形局部化及断裂是准脆性材料的一种基本现象，损伤是其在外载荷作用下强度衰减的主要原因。与脆性材料不同，准脆性材料破坏过程伴随有一些变形和能量的释放。在外载荷的作用下，准脆性材料内部弱介质的破坏和微缺陷的形成、扩展及相互作用将决定其宏观变形破裂特性。这些性质将会对土木工程生产及结构的安全及稳定性产生决定性的影响。如在水利、采矿、交通等岩土工程活动中，开采工作面的岩石破裂、水压致裂、岩石爆破、矿石的粉碎等工程活动及经常会遇到“岩爆”、“煤爆”等冲击地压现象，这些都要求深入地了解岩石这类准脆性材料从连续到不连续破裂的演变过程。又如岩体中存在大量的节理和裂隙，在外载荷的作用下裂纹会发生扩展，扩展后的裂纹会导致岩体的力学性质发生极大变化，甚至会引起岩体的破坏，导致地下工程结构失稳。另外，岩体裂隙的扩展导致岩体的渗透性发生变化，这可能导致如石油的生产、地下水的开采、透水事故等工程生产、安全问题。

准脆性材料应变局部化和断裂过程，即连续介质模型和离散模型。第一类模型处理不连续位移的手段之一是将其近似视为连续的或光滑连续的，前者位移可导，但应变不连续，这类模型即为弱不连续模型，后者是前者的一种改进，位移、应变均连续可导，这类模型称为正则化模型；另一种处理方法是，将不连续面或潜在不连续面视为接触面或边界，计算裂隙扩展时需要重新划分网格。连续模型主要基于接触力学、断裂力学、损伤力学、软化塑性力学等理论和方法，典型的連续模型包括：非线性弹性模型、率无关塑性模型、损伤理论模型、内蕴时间塑性理论模型、耦合损伤塑性理论模型、微平面理论模型。第二类模型采用直观的手段处理不连续面，将不连续面或潜在的不连续面显示表达出来，采用离散计算力学理论进行计算。离散计算力学是计算力学中相对较新的技术，其主要处理运用连续模型时本构关系难以获得的工程问题和过程，离散模型通过模拟介质微观结构的行为表现介质宏观力学行为，典型的离散模型有分子动力学模型、离散元、非连续变形和格构模型等。

为了在连续介质模型中实现准脆性材料应变局部化和断裂过程的模拟，研究者引入多种理论和技术方法，其中应用最普遍的是塑性软化模型和损伤力学模型。塑性软化模型将岩石、混凝土等准脆性材料的摩擦角和内聚力视为变量，其随塑性应变的某一不变量或塑性功的积累而演变，而损伤力学模型认为准脆性材料刚度随变形的增加而减小。连续介质力学模型将准脆性材料的破坏和变形局部化视为一种分岔现象。在数值模拟研究中，连续介质模型，无论是塑性软化模型还是损伤力学模型，所遇到的困难都是准脆性材料的破坏载荷依赖于网格的分辨率。例如，在软化有限元分析中，准脆性材料破碎带的耗散能或剪切带随着网格加密而减小，但这种变化毫无物理意义可言。

因此，确定准脆性材料宏观特性是许多工程应用的一个基本问题。研究准脆性材料微结构与宏观性质之间的关系不仅可以认识和理解已存在材料的性质，而且可以为设计所需材料提供有力的工具。但是从经济的角度讲，直接进行试验测定准脆性材料宏观特性是一个几乎不可能完成的任务，因为试验中必须考虑试样尺度效应，微结构材料几何形态、性质、体积比率及加载路径等各种因素。所以需要新的手段和方法认识准脆性材料宏微观结构性质之间的关系。另外，随着科技的发展，人类土木工程实践活动越来越复杂，许多问题都无法用物理实验或解析方法解决，如地震荷载下混凝土大坝三维动态响应及复杂环境下裂隙岩体巷道失稳等。

在这些情形下，数值分析无疑是唯一经济、有效的手段。然而，目前数值分析在土木工程，特别是岩土工程应用中饱受非议，主要原因在于土木工程环境的复杂性和准脆性材料及其结构力学性质的特殊性。近几十年，运用数值分析准确而有效的描述准脆性材料及其结构连续与不连续、从连续到不连续及裂隙扩展演化破坏过程已成为土木工程特别是岩土工程的巨大挑战。如何利用数值分析在同一框架上实现准脆性材料及其结构连续与不连续、从连续到不连续及裂隙扩展演化破坏过程是一个值得深入研究且具有广阔应用前景的课题。

参考文献：

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