岩土破损力学：基本概念、目标和任务

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1、岩土破损力学：基本概念、目标和任务BreakageMechanicsforGeologicalMaterialsBasicConcepts,GoalandTask沈珠江陈铁林（清华大学水利水电工程系，北京，100084）摘要：本文首先对岩土材料的基本特性、分析理论和分析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，定义了这一理论的基本概念及其目标和任务。关键词：岩土材料；破损力学；本构模型；结构性中图分类号：TU43作者简介：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

2、构模型及土石坝和软土地基工程研究。Abstract:Inthispaperthepresentstateinunderstandingfundamentalpropertiesofthegeologicalmaterials,existingtheoriesandmethodsfortheanalysisoftheirdeformationarereviewedandappraised.Anewconstitutivetheory—breakagemechanicsisproposed.Thebasicconcepts,goalandtaskofthetheory

3、aresuggested.Keywords:geologicalmaterials;breakagemechanics;constitutivemodel;structuralproperties岩土材料的压硬性和剪胀性可以统一地归纳为应[1]一、岩土材料的力学特性力应变的球张量与偏张量之间的交叉影响。3．结构性1．压硬性哲学上结构指物质系统内各组成要素之间的相互压硬性在西方文献中常称压力敏感性，指材料的强联系和相互作用的方式。对岩土材料来说，结构就是颗度和刚度随压力的增大而增加。下列Mohr-Coulomb抗粒、团粒和块体的几何排列和相互之间的力学作用。在剪强度

4、法则就是压硬性的明确表示土力学中，结构性常指颗粒之间的胶结特性。无胶结的τ=c+σtgϕ（1）f散粒土和胶结被破坏以后的重塑粘土常称无结构性的土土力学中刚度随围压增加而增大的规律常用下列类。岩体则因断裂面的存在而形成结构。Janbu公式表示借用毛泽东在矛盾论中的一句话，“差异就是矛nσ盾”，可以说“差异就是结构”。但是差异有两种，一种3E=Kp（2）apa是随机变异，另一种是系统性的变化。显然只有后者才pa为大气压，K和n为两个参数。坚硬岩体的刚度受是结构性的根源。这是因为天然的岩土材料是在漫长的围压的影响不明显，但软岩的刚度随围压而变化的规律地质

5、过程中形成的，例如粘土有絮凝结构、蜂窝结构，[2]也较明显。裂隙岩体有块裂结构、碎裂结构等。岩土材料的结构2．剪胀性性正是体现于胶结力在空间的系统变化上。胶结力强的剪切作用下土的体积变化特性在上世纪30年代研地方形成结构体，如团粒或岩块，胶结力弱或无胶结的究砂土的临界孔隙比时已受到注意。到60年代初，土具地方形成结构面，如团粒之间的接触面或岩块之间的节有剪胀——剪缩特性的观点已被普遍接受，并在著名的理面。因此，天然岩土材料可以抽象成为由结构体和结剑桥模型中得到反映。岩石一般表现为剪胀，或称扩容，构面组成的结构性材料。剪缩现象不明显。当然，岩土材料还有许多其它特性，

6、例如各向异性、—————————————基金项目：国家自然科学基金项目（59979009）[1]流变性等。但与其它材料相比，这些特性不如以上三个以用图1的双弹簧模型表示。当胶结力q较小而摩擦特性突出，所以此处不再讨论。力f较大时，双弹簧模型的应力应变曲线表现为硬化型，二、岩土材料的变形机理如图2a,反之则表现为软化型，如图2b。如果进一步把左边一列弹簧代换成几列弹簧，每列的胶结强度为q/n，在土力学中，人们早就知道式（1）右边的凝聚成份则所得的硬化型和软化型应力应变曲线将如图2中锯齿c和摩擦成份σtgϕ并不是同时发挥作用的。结构性粘土形曲线所示（图中n=5）。的凝

7、聚力在变形很小时就达到峰值，而摩擦力则要有相但是，以上元件模型尚不能反映由坚硬结构体组成[3]当的变形才能充分发挥出来。因此，由胶结引起的凝的节理岩体可能产生的变形。为此，上述双弹簧模型上聚力具有脆性，岩块的脆性则表现更明显。如果粘滞性述还必须串联一个滑片元件以模拟由于节理面滑移引起暂时不加考虑，则一般地说，天然岩土材料的变形兼有的塑性变形，如图3。这样，结构性岩土材料的完整的弹性，塑性和脆性三种成份，可用由弹簧，滑片和胶结变形模式应当包括三部分，即①结构体和结构面的弹性杆三种元件组成的模型来说明。ep变形ε；②结构面滑移引起的塑性变形ε和③结构体σc破损引起的变

8、形ε。后者