摘要：目前對巖石斷裂性能的研究主要從兩個角度進行:應力場觀點和能量觀點。對線彈性材料而言，二者是等效的。而對于彈塑性材料，二者之間不能直接劃等號。而巖石類材料內部存在許多裂隙和各種微缺陷，這些微觀缺陷將會對巖石類材料的力學性能產生強烈的影響。
　　關鍵詞：巖石；斷裂力學；能量；缺陷
　　能量是一個能夠貫穿不同結構層次的通用物理量，巖石變形破壞的過程是和外界產生能量交換的過程，服從能量守恒及轉化定律，遵守熱力學第二定律及疊加原理，在分析巖石破壞過程中應用能量概念要比應力場觀點更為有利，可能更為接近實際情況。迄今為止，已有不少學者從能量的觀點出發研究了巖石在各種載荷作用下的力學行為特點，并取得了大量有價值的成果。
　　Griffith最早提出斷裂力學基本概念時所采用的方法就是能量法，他用一種基于表面能的能量平衡方法研究了玻璃的斷裂破壞問題，并提出一個眾所周知的概念。這個概念指出，如果物體的總能量降低，則體系中原有的裂縫將擴展。而且他設想，當裂縫擴展時，彈性應變能降低，用于產生新裂縫表面，在兩者之間有一個簡單的能量平衡。
　　Irwin將與釋放的應變能相平衡的表面能中，又加入了塑性變形功這一項，而且將能量釋放率G定義為裂縫擴展過程中增加單位裂縫長度和單位厚度所吸收的能量，是一種不可逆的能量損失。
　　Nemat-Nasser和Obata較早研究了脆性材料由于滑移型裂紋擴展引起的應變問題。在他們的研究中，總的應變由三個部分形成：(1)沿初始裂紋的滑動；(2)垂直于裂紋方向的剪脹；(3)拉伸裂紋的擴展。
　　Kemeny基于Catigiano的能量平衡理論，提出一種簡單的方法計算含滑移型裂紋的巖石材料在壓應力作用下的應變發展。
　　Basista和Gross根據內變量理論研究了含滑移型裂紋的應變問題。在他們的分析中，非線性應變的計算分成兩個階段。在第一階段，沒有拉伸裂紋產生，能量的耗散由初始裂紋的滑移形成；在第二階段，拉伸裂紋形成，并沿著最大主應力的方向擴展。在這一階段，能量的耗散主要由拉伸裂紋的擴展形成。他們的結果與Nemat-Nasser和Obata的結果近似。
　　Ravichandran和Subhash根據能量平衡理論研究了含滑移型裂紋的擴展問題。在他們的研究中，考慮了由初始裂紋滑移引起的能量耗散以及造成的非線性應變。
　　Cook指出，當在彈性巖體中進行開挖時，將會引起巖體中的重力勢能和水平應力勢能的變化。這兩項勢能改變的總和等于儲存的彈性能、耗散的能量以及儲存在被開挖掉的巖體中的應變能的總和。總之，當地下工程進行開挖時，就會發生勢能的改變，應變能儲存在圍巖中，而多余的能量就被耗散掉。
　　Ravichanran和Subhash在考慮由摩擦引起的能量耗散情況下，通過應變能等效確定有效柔度張量，進而確定本構模型。
　　Kemeng和cook對含隨機分布的斷續節理、裂隙巖體，從斷裂力學的觀點出發，利用應變能等效原理推求出了等效各向異性本構模型。
　　Zheng等研究了洞室巖爆的現象，并指出對于洞壁附近的薄板巖層來說，開挖引起的洞室響應可以用剛度來進行分類。對于非常薄的巖板，所釋放的總的能量等于儲存的應變能及非常少量的動能。而對于厚一點的巖板來說，則釋放出大量的動能。
　　謝和平等從能量的角度出發，分析研究了巖石的變形破壞過程，揭示了這一過程的能量耗散及能量釋放特性。理論及試驗研究表明，在巖石變形破壞過程中，能量起著根本的作用。巖石的失穩破壞就是巖石中能量突然釋放的結果，這種釋放是能量耗散在一定條件下的突變。從力學角度而言，巖石的變形破壞過程實際上就是一個從局部耗散到局部破壞最終到整體災變的過程；從熱力學上看，這一變形、破壞、災變過程是一種能量耗散的不可逆過程，包含能量耗散和能量釋放。
　　謝和平等討論了巖石變形破壞過程中能量耗散、能量釋放與巖石強度和整體破壞的內在聯系。指出巖石變形破壞是能量耗散與能量釋放的綜合結果。
　　朱維申、張強勇、李術才根據Betti能量互易定理、修正自洽法理論和節理裂隙斷裂擴展過程中的能量轉換與能量耗散建立了巖體的能量損傷演化方程,在此基礎上通過有效應力體現損傷與塑性變形的耦合效應,建立了裂隙巖體的三維脆彈塑性斷裂損傷本構模型。
　　華安增分析了原巖彈性應變能、隧道四周圍巖應變能的釋放與集聚情況、圍巖應變能轉移的條件、地下工程開挖前方的圍巖能量變化以及該能量的突然變化指出圍巖的能量達到該點的極限儲存能時,多余的能量將釋放,造成塑性變形或破碎,并自動向深部轉移。如果釋放的能量特別大,又不能向深部轉移,將造成巖石沖擊。
　　趙忠虎、謝和平從理論上分析了用能量方法研究巖石破壞問題的合理性,以及巖石在變形過程中彈性能、塑性能、表面能、輻射能、動能之間相互轉化的過程、計算原理、以及對巖石破壞所起的不同作用。并分別從宏觀和微觀的角度研究了在不同的變形階段中巖石能量耗散與釋放問題。
　　尤明慶和華安增利用伺服試驗機對粉砂巖試樣進行常規三軸加載，測量軸向和環向的應力、變形全程曲線，計算巖樣屈服破壞過程中的能量變化。在軸向壓縮破壞過程中，巖樣必須持續吸收能量，主要用于克服內部剪切摩擦。三軸加載后保持軸向變形恒定降低圍壓，巖樣同樣會發生破壞；在此過程中，試驗機不對巖樣做功，而巖樣環向膨脹對液壓油做功持續釋放能量
　　蘇承東、張振華利用伺服試驗機對大理巖巖樣在不同圍壓下軸向壓縮屈服之后完全卸載，再對損傷巖樣進行的單軸壓縮試驗，研究巖樣不同圍壓下三軸壓縮的塑性變形量、能耗與損傷巖樣單軸壓縮時的強度、平均模量、能耗特征的變化規律。
　　李海波、趙堅等應用滑移型裂紋模型，基于裂紋擴展過程中的能量平衡原理，建立了花崗巖材料的動態本構模型，分析結果表明，模型結果與實驗結果符合得比較好。并進一步分析了裂紋擴展引起的非線性應變特征，結果表明，在裂紋的擴展過程中，由于裂紋擴展引起的非線性應變對側向應變的影響比軸向應變大，初始裂紋的滑移在花崗巖材料的非線性應變的貢獻不能忽略。
　　參考文獻
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