岩土力学分析新理论：岩土破损力学

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1、岩土力学分析新理论：岩土破损力学1沈珠江陈铁林（清华大学水利水电系，北京，100084）摘要：本文首先对岩土材料的基本特性、分析理论和研究方法进行回顾和评述，在此基础上提议了一种有别于现有塑性力学、断裂力学和损伤力学的新的数学模型理论——岩土破损力学。这一理论把岩土材料抽象为由结构块和结构带组成的双重介质材料。文中阐述了这一理论的主要内容。关键词：岩土材料；破损力学；结构性；双重介质模型。一、前言岩土破损力学是继岩土塑性力学，岩土断裂力学和岩土损伤力学以后作者新近提出的[1]一种岩土材料力学分析理论。它把岩土材料抽象成由结构体和结构面（结构块和

2、结构带）组成的双重介质材料，并把研究的焦点由均匀的基质体内存在裂缝、空洞等虚体的扩展转向不均匀的结构体（实体）的破损。天然岩土材料与其它材料的根本不同点在于它的结构性，而形成结构性的根本原因在于胶结的不均匀性。胶结强的部位形成结构块，胶结弱的部位形成结构面。结构块和结构面可以是天然形成的，即原生的，例如岩体中的岩块和节理面。也可能是在人工干预下次生的，即原来胶结薄弱处受力后破裂贯通而形成结构带。在土体中坚实的结构块和软弱的结构带往往只是相对地存在，并不一定有确定的界面。但是这些都不妨碍人们在抽象意义上对结构块和结构带的理解。二、固体材料的本质特

3、性材料的力学特性反映材料抵抗变形和破坏的能力。这些特性包含多方面内容，例如刚性、柔性、脆性、延性，韧性、粘性等，但这些特性中有的是本质特性，有些只是派生的特性。刚性和柔性是变形特性，刚性大者受力后变形小，反之则变形大。但刚性和柔性只反1基金项目：国家自然科学基金资助项目（10272062）沈珠江，（1933－），男，中国科学院院士。主要从事岩土力学基本理论，本构模型及土石坝和软土地基工程研究。E-mail:zjshen@tsinghua.edu.cn1映变形量的大小，而反映质的变化则应当是弹性和塑性，两者分别反映变形的可逆性和不可逆性。同样，脆

4、性和韧性是破坏的特性，但也只反映量的差别，前者表示没有明显变形就发生破裂，后者则表示发生很大变形后才破裂的特点。而从质的差别上看，破坏也可以分成两种，一种是构件发生很大变形，但其完整性和材料的连续性仍得以保持；另一种是构件破裂，材料失去连续性。对金属材料来说，两种破坏的机制分别是晶格的位错和晶面的解理。前一种破坏实际上是塑性变形的进一步发展。后一种破坏习惯上仍借用脆性这一名称。但其含义专指材料发生连续性丧失破坏的特性。根据以上分析，如果撇去粘性，那末固体的本质特性应当有3个，即弹性、塑性和脆性，相应的3种状态就是变形、流动和破裂。对于这3个本质

5、特性，文献中有关脆性的表述还比较模糊，而且没有人提出过一个独立的脆性元件。如前所述，脆性有两重含义。第一重含义与韧性相对应，是一种量的特性；第二重含义与塑性相对应，这才是质的特性。正像弹性用弹簧元件表示，塑性用滑片元件表示一样，第二重含义上的脆性也应当有一个专用元件表示，为此笔者提议过胶结杆元件[2][3]。此前有人提出过断裂元件(Crackingelement)的名称，但这一名称与滑片不对应。至于目前有些文献中建议用可折断的弹簧代表脆性，则更是不妥的，因为这里的脆性实际上是前文的第一重含义，可以由3种基本元件组合起来反映，用不到另外定义一个独

6、立的基本元件。三、岩土材料的力学特性1．压硬性压硬性在西方文献中常称压力敏感性，指材料的强度和刚度随压力的增大而增加。下列Mohr-Coulomb抗剪强度法则就是压硬性的明确表示τ=c+σtgϕ（1）f土力学中刚度随围压增加而增大的规律常用下列Janbu公式表示nσ3E=Kp（2）apapa为大气压，K和n为两个参数。坚硬岩体的刚度受围压的影响不明显，但软岩的刚度随围压而变化的规律也较明显。2．剪胀性剪切作用下土的体积变化特性在上世纪30年代研究砂土的临界孔隙比时已受到注意。到60年代初，土具有剪胀——剪缩特性的观点已被普遍接受

7、，并在著名的剑桥模型中得到反映。岩石一般表现为剪胀，或称扩容，剪缩现象不明显。岩土材料的压硬性和剪胀性可以统一地归纳为应力应变的球张量与偏张量之间的交[1]叉影响。3．结构性2哲学上结构指物质系统内各组成要素之间的相互联系和相互作用的方式。对岩土材料来说，结构就是颗粒、团粒和块体的几何排列和相互之间的力学作用。在土力学中，结构性常指颗粒之间的胶结特性。无胶结的散粒土和胶结被破坏以后的重塑粘土常称无结构性的土类。岩体则因断裂面的存在而形成结构。天然的岩土材料是在漫长的地质过程中形成的，例如粘土有絮凝结构、蜂窝结构，裂[4]隙岩体有块裂结构、碎裂结

8、构等。岩土材料的结构性正是体现于胶结力在空间的系统变化上。胶结力强的地方形成结构体，如团粒或岩块，胶结力弱或无胶结的地方形成结构面，如团粒之间的接触面