準脆性材料宏觀特性
出類拔萃
作者：夏豔華
摘 要： 準脆性材料在宏觀力學介質模型中所遇到的問題實質上是尺度問題，或者說，準脆性材料應變局部化和斷裂過程本質上是微觀或細觀尺度上的力學行為。
關鍵詞： 準脆性材料 土木工程 岩土工程 滲透性
準脆性材料廣泛存在於土木工程領域，如混凝土、砌體、某些金屬材料等人工材料及岩石、硬黏土等天然材料，大量古典和現代土木工程結構均由這些材料構成。準脆性材料一般具有如下力學性質：不均勻性、各向異性、結構的離散性及非線性等。變形局部化及斷裂是準脆性材料的一種基本現象，損傷是其在外載荷作用下強度衰減的主要原因。與脆性材料不同，準脆性材料破壞過程伴隨有一些變形和能量的釋放。在外載荷的作用下，準脆性材料內部弱介質的破壞和微缺陷的形成、擴展及相互作用將決定其宏觀變形破裂特性。這些性質將會對土木工程生產及結構的安全及穩定性產生決定性的影響。如在水利、采礦、交通等岩土工程活動中，開采工作麵的岩石破裂、水壓致裂、岩石爆破、礦石的粉碎等工程活動及經常會遇到“岩爆”、“煤爆”等衝擊地壓現象，這些都要求深入地了解岩石這類準脆性材料從連續到不連續破裂的演變過程。又如岩體中存在大量的節理和裂隙，在外載荷的作用下裂紋會發生擴展，擴展後的裂紋會導致岩體的力學性質發生極大變化，甚至會引起岩體的破壞，導致地下工程結構失穩。另外，岩體裂隙的擴展導致岩體的滲透性發生變化，這可能導致如石油的生產、地下水的開采、透水事故等工程生產、安全問題。
準脆性材料應變局部化和斷裂過程，即連續介質模型和離散模型。第一類模型處理不連續位移的手段之一是將其近似視為連續的或光滑連續的，前者位移可導，但應變不連續，這類模型即為弱不連續模型，後者是前者的一種改進，位移、應變均連續可導，這類模型稱為正則化模型；另一種處理方法是，將不連續麵或潛在不連續麵視為接觸麵或邊界，計算裂隙擴展時需要重新劃分網格。連續模型主要基於接觸力學、斷裂力學、損傷力學、軟化塑性力學等理論和方法，典型的連續模型包括：非線性彈性模型、率無關塑性模型、損傷理論模型、內蘊時間塑性理論模型、耦合損傷塑性理論模型、微平麵理論模型。第二類模型采用直觀的手段處理不連續麵，將不連續麵或潛在的不連續麵顯示表達出來，采用離散計算力學理論進行計算。離散計算力學是計算力學中相對較新的技術，其主要處理運用連續模型時本構關係難以獲得的工程問題和過程，離散模型通過模擬介質微觀結構的行為表現介質宏觀力學行為，典型的離散模型有分子動力學模型、離散元、非連續變形和格構模型等。