准脆性固体的灾变破坏及其物理前兆.docVIP

准脆性固体的灾变破坏及其物理前兆 　　准脆性固体如岩石内部包含有如空洞、裂隙等天然缺陷, 这些内部损伤一方面导致了材料的实际强度比其理想强度低 2 到 3 个量级, 另一方面这些损伤在外载如力、温度等作用下会演化发展最终导致材料的宏观破坏. “固体的破坏是一个持续了三百年的科学难题, 至今尚未能真正解决, 今日由于固体材料的破坏而造成的经济损失, 据西方国家统计高达国民生产总值的百分之八至十一”. 　　一般来说, 准脆性固体在外力作用下有两种破坏形式, 一种是损伤渐进式发展, 材料的应力和变形准连续演化直至最后的宏观失效; 另一种失效模式是材料损伤发展到一定程度后诱发突然的宏观脆性破坏, 破坏时材料的应力和变形等响应量会发生突跳, 这种破坏称为灾变式破坏. 　　灾变式破坏会发生在自然界或实际工程中的不同尺度上. 从自然界中的地震、雪崩这类巨大的灾变破坏到地下工程开挖中的岩爆、煤气体突出等事故, 从航天飞机失事到矿柱的失稳等等, 给人们生产和生活带来了深重影响. 但是, 灾变破坏的不确定性和突发性使得其预防和预测十分困难, 是困扰工程界和科学界的复杂难题. 　　当前, 固体灾变破坏的研究一方面集中于损伤演化过程及机理的认识和理解, 另一方面在于探索灾变破坏的前兆特征. 随着研究的深入, 对其中的一些根本性的问题进行综合性的思考和总结显得十分必要. 譬如, 非均匀效应对探索灾变破坏预测途径有哪些影响? 灾变破坏前兆研究面临哪些机遇与挑战?理论和数值模拟模型建立面临什么样的新问题?等等. 这些问题清晰的认识, 将有助于理解自然界和工程中灾变破坏的触发机理及其预测途径的探索, 并为相关理论和数值模型的建立提供概念上的支撑.基于此, 本文将对准脆性固体灾变破坏的四个基本问题: 灾变破坏的含义和特征、无序非均匀效应、局部化行为和统计物理前兆进行综合性分析和探讨. 　　1 灾变破坏的含义与特征 　　灾变破坏是一类急剧发展的强烈破坏现象, 在数学上可表征为控制变量的一个无穷小增量导致系统的一个有限响应. 很多重大的灾变破坏现象呈现出突发性和自持性. 突发性指的是灾变破坏一旦触发便迅速发展, 使人猝不及防; 同时, 灾变破坏一般是一种自持过程, 可在内部储存的能量驱动下发展, 灾变破坏一旦出现便难以逆转或控制. 　　灾变破坏的含义可以从控制量-响应量演化曲线来给出一个直观解释. 图 1 是准静态单调加载下(可以是位移控制或力控制), 控制变量与响应量之间的关系曲线. 该曲线演化到临界点 F 时, 控制变量的单调增加, 将使得曲线不能按路径 FHR 连续演化, 而是突跳到 R 点. 这个突跳就是灾变破坏在控制量-响应量曲线上的反映. 可以看出, 当完整的控制量-响应量曲线上没有峰值点时, 控制变量的单调增加不会导致曲线的突跳, 即不会诱发灾变破坏, 此时宏观破坏是连续的渐进式失效. 　　为了对这个问题有一个更清晰的认识, 让我们来看看实验室准静态单调加载下准脆性固体的试验结果. 图 2(a)是实验室准静态位移控制单轴加载下灾变破坏的力-位移曲线. 可以看出, 灾变破坏时, 试样的载荷-位移曲线并没有完整地走完全过程, 而是在最大载荷点之后的, 发生了一个从 F 点到 R 点的突跳.而渐进式失效时(如图 2(b)所示), 试样的应力-应变曲线连续演化, 直到最终完全失去承载能力. 　　2 灾变破坏的无序非均匀效应 　　很早时, 列奥纳多·达·芬奇(Leonardo da Vinci)注意到金属丝的拉伸强度会随其长度增加而降低.但是, 基于连续介质力学的一个简单分析, 我们就能知道具有相同横截面积的金属丝应该具有相同拉伸强度. 为什么会产生这个矛盾呢? 现在, 我们知道是材料的无序非均匀性效应的结果. 连续介质力学有一个重要假设, 就是将材料处理成理想均匀体. 在具有显著非均匀效应的样本中, 这个假设常常会与真实情形产生较大偏差. 基于材料强度的无序非均匀性特征的认识, 人们认为固体的断裂首先会在微裂纹或微缺陷这些“弱点”成核, 而当横截面积相同时, 金属丝越长, 其包含“弱点”的概率越高, 所以其强度越低. 更为复杂的是, 无序非均匀效应及其导致的复杂的应力重分布过程, 有时会使得强度高的单元先于强度低的单元发生破坏. 　　正如前文所述, 准脆性固体通常是由多种矿物晶粒(或骨料)、胶结物及孔隙缺陷等随机分布组成的混合体. 这种结构特点直接导致了其内部微观结构的无序非均匀性. 微损伤、微缺陷等在空间上的随机分布导致了材料的弹性模量、强度等在空间上的非均匀特征, 也导致了固体损伤演化和应力重分布过程在时间和空间上的复杂性. 从而, 也直接导致了其宏观响应行为的复杂性