超经典损伤力学讲义讲课讲稿.ppt

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1、超经典损伤力学讲义岩石中的自然微孔隙注：LARC—低纵横比孔隙；HARC—高纵横比孔隙孔隙类型形状接近尺寸（）气孔（泡）状球形100~10000+孔穴球形10~2000裂纹或孔隙LARC—晶界上长和薄，纵横比＜10-1HARC—晶内等分的，＞10-1结晶岩石中的自然孔隙率岩石裂纹(%)孔隙率晶粒尺寸最大LARC表观的总的辉绿岩(Diabase)00.10.118030辉长石(Gabbro)00.20.22000180Raymond花岗岩0.220.40.620000180Katahdin花岗岩（Ⅰ）0.200.70.92000260Katahdin花岗岩（Ⅱ）0.460.81.23

2、000600西部花岗岩0.200.70.9750100Chelmsford0160.91.01500150花岗闪长岩Granodiorite0.290.81.12000360扫描电镜技术也充分证明了岩石是一种自然损伤材料，其自然损伤大致有下面几种：（1）孔隙在沉积岩中最为常见，在颗粒支撑、接触式胶结物连接或颗粒连接等胶结类的碎屑岩（如砂岩）中，孔隙的体积含量相当高。砂岩孔隙的类型主要是粒间孔隙，分布比较均匀，孔隙的大小与沉积颗粒的尺寸和分选性有关，形态取决于颗粒形态和颗粒粒径的级配。石灰岩中的孔隙含量低于砂岩，形态还与胶结物有关。孔隙是一种典型的三维细观损伤。（2）颗粒边界及界面裂

3、纹沉积岩中，颗粒与颗粒之间或颗粒与各种胶结物之间的结合一般都比较薄弱；或者结晶质岩浆岩中矿物颗粒之间或者结晶界面，以及变质岩中重结晶矿物之间的结合相对较弱。所以岩石中的颗粒边界成为重要的初始细观损伤。在颗粒边界常形成界面裂纹、或者结晶界面裂纹的细观损伤的形状受碎屑颗粒、矿物颗粒或者晶体颗粒的外形所控制。（3）微裂纹实质上是细观裂纹，既可以在成岩过程中形成，也可以在后期改造过程中产生，比如花岗岩中由于结晶作用及构造应力作用所形成的大量微裂纹（包括晶体界面裂纹）、大理岩中原岩残留的微裂纹和重结晶作用产生的裂纹；沉积岩中基质裂纹及颗粒原有微型裂纹等。（4）解理面方解石解理面是大理岩重要的

4、细观损伤。（5）微层理、劈理面、软弱包含物等。2.岩石损伤的宏观力学表现（1）单轴压缩全应力——应变曲线岩石材料承受压缩荷载情况下变形与强度特性表现出明显的四个变形阶段：第一阶段：即oa段，表现出明显的上凹形状，这主要是由于岩石内的微裂纹、孔隙、空洞的闭合效应引起，而这种微裂纹、孔隙和空洞就是岩石材料初始损伤的实质性表现。第二阶段：即ab段，应力与应变近似的成正比，岩石材料的刚度为常数。原始损伤闭合使其达到一个较稳定的阶段。第三阶段：即bc段，应力、应变曲线表现出下凹形状，由于岩石材料的强度超过了其屈服极限，内部又产生了新的微裂隙和损伤，使得体积明显膨胀和增大，这一阶段是岩石损伤

5、扩展的最初表现。一直到达到强度极限的峰值。第四阶段：即cd段，一般也称作应变软化阶段。当超过了岩石峰值极限后，应力随着变形的继续增大而降低，岩石内的损伤裂隙急剧扩展，体积明显增大，一直到d点直至断裂破坏，这一阶段是岩石材料损伤扩展的实质性表现。岩石材料单轴压缩全应力——应变曲线（2）单轴循环加载下岩石的全应力——应变曲线单轴循加载条件下岩石全应力——应变曲线表现出下面几个特性：①从总体轮廓上看循环加载与单调加载的全应力一应变曲线有着极为相似的特点，即初始的损伤裂隙闭合与后期的应变软化阶段。②卸载弹性模量与加载弹性模量不同，即就是在卸载曲线和加载曲线中间形成了一个“滞回环”。③随着加

6、卸载循环次数的增加，其加载弹性模量、卸载弹性模量和前一级相比较逐渐减小。其实②、③两个特性也即就是岩石塑性理论中讨论的岩石的弹塑性耦合效应与关联、非关联流动法则问题。这两个特性从本质上看就是岩石损伤的实质性表现，若从损伤力学角度研究岩石材料的这两个特殊性质，可能更为方便，也更能揭示问题的本质特性。循环加载下岩石的全应力——应变曲线（3）三轴受力状态下岩石全应力-应变曲线典型的3轴受力状态下岩石材料全应力-应变曲线主要特征是：①不同的受力状态下表现出不同的变形和破坏特性②在较低的围压作用下表现为塑性应变软化特性，而在较高围压下表现出应变硬化特性，理想塑性只是在一定受力状态下，变形达到

7、某一限度后的特殊情况。③塑性的体积变形与岩石的应变软化和硬化是相互对应的。应变软化时表现出明显的体积膨胀，而硬化状态后表现出体积压缩。上述特点表明岩石材料除了初始损伤特性外，其损伤扩展特性与其受力状态密切相关。通过以上岩石材料单轴、3轴的宏观力学试验特性可以看出，岩石材料是一种典型的损伤介质，从损伤力学角度出发，会更方便地揭示问题的本质。岩石三轴压缩全应力-应变曲线2.2岩体损伤及层次分析岩体是岩石材料的集合体，并且由于岩体材料是一种经历了漫长成岩历史，并赋存于一定地