为什么要用玻璃作为遥感(或其它物理力学)试验的对照样品之一.DOC

第十章 受压裂纹的扩展 §10.1 受压裂纹问题的特殊性 岩石断裂力学研究的内容，是岩石介质在地下环境下的破裂. 因此，它不仅面临岩石这样一种特殊材料，还要面临压力条件. 断裂力学首先是在材料强度领域发展起来的，首先需要解决的，是材料抗拉强度的问题. 因此，断裂力学对I型裂纹问题进行了比较充分的研究. 对于受压裂纹问题，在材料力学领域则很少遇到. 我们首先来研究一个裂纹在压力环境下的行为. 受压裂纹绝大多数是闭合裂纹. 受压闭合裂纹有两个特殊性： 1. 裂纹类型. 由于闭合裂纹面互相之间的物质不可入性，使得裂纹面只能产生滑动，从而成为剪切型裂纹. 2. 裂纹面之间有相互作用. 由于摩擦本构关系的复杂性，使得裂纹面之间的相互作用成为非线性问题，同时还影响到裂纹端部的扩展. 这两个特殊问题中，剪切裂纹问题在材料科学中有少量研究，摩擦问题在材料科学领域已有几百年的研究历史. 近几十年来，随着高技术在表面物理的应用，和赫兹接触问题的应用，摩擦学的机理研究基本结束了凹凸说和黏着说的争论(Halling, 1975), 使库伦定律的机理统一在近代摩擦学的基础上. 但摩擦学如何与断裂问题结合起来，则是近十几年来在地学中迅速发展的新课题. §10.2应力符号 图10.1 作用在二维正方形边上单位面积的力. (a) 通常材料领域采用的符号制；(b) 岩石力学领域采用的符号制 本书在第一第二部分的应力符号和通常的弹性力学书籍(Timoshenko 和Goodier, 1970;钱伟长, 叶开源, 1980)相同. 第三部分凡遇到压力条件一律与岩石力学接轨，应力符号以压力为正, 拉力为负. 剪应力的方向与符号采用岩石力学(如Jaeger 和Cook, 1979)的惯例. 这两种符号体系只是符号正负不同, 其余一切运算规则(如坐标变换, Mohr圆)完全相同. 图10.1给出了二维空间中上述两种符号体系的比较. 至于三维空间的符号制不难推广. 图10.1(a)为通常材料领域的符号制，其中正应力以拉为正. 剪应力在以坐标轴正向为法向的坐标面上，正向规定为朝向坐标的方向. 例如的正向就规定为以x轴为法向的坐标面上，以朝y轴正向的力为正. 图10.1(b)为岩石力学领域的符号制，其中正应力以压为正. 剪应力在以坐标轴正向为法向的坐标面上，正向规定为朝向坐标的反向. 例如的正向就规定为以x轴为法向的坐标面上，以朝y轴反向的力为正. §10.3 差应力下岩石的体积膨胀 Brace等(1966)通过实验研究的. Brace等(1966)测量了Westerly花岗岩在1千巴围压的三轴试验中的行为的曲线(图10.2). 图10.2 表示Westerly花岗岩在1千巴围压的三轴试验中的行为的曲线，即轴向应力－应变曲线，轴向应力－径向应变曲线和轴向体积应变的曲线. 曲线与直线的偏离代表扩容(引自Brace等，1966) 这里，我们用主应力和主应变表示岩石的变化. 由(1.2.13), 材料的体积应变为， 其中为试件压缩时的体积变化，是原来没有施加任何应力时的体积. 若在试验过程中，， 只增加, 则当压力差增加时，主应变为 (10.1) 可以看出，逐渐增大(压缩)，而和则逐渐减小(拉张). 样品的体积变化为 (10.2) 代入体积模量, 上式还可以写成 (10.3) 显然，只要和不变，也就不变，体积就会呈线性压缩, 实验中表现为. (10.2)或(10.3)所给出的就是实验中的理论直线. Brace等认为，实测的曲线对理论直线的偏离，表示了试件产生了扩容现象，表现在和发生了变化. 在接近破坏时，(绝对膨胀)，可见泊松比已达到. 为了验证这种膨胀是否在整个样品中发生，Cook等(1970)将圆柱状样品中心钻孔，并测量孔内部在围压和差应力条件下的三向应变，证明这种膨胀的确是在整个样品中发生. Brace等根据Walsh(1965)、Hoek和Bieniawski(1966)等进行的断裂力学实验结果，认为这种扩容现象是样品内部大量微裂纹的张性扩展所引起. Brace等(1966)的实验证明，即使在地下围压很高的条件下，构造应力的存在，也会导致微破裂张性扩展，从而引起体积膨胀. 这个结论成为地震孕育的膨胀-扩容模式的重要实验依据. §10.4受压闭合裂纹的扩展 10.4.1理论模型 考察无限大线弹性平板内的一条尺度的Griffith裂纹，边缘受到均布双轴压力和, 裂纹方向和作用方向的夹角为(称为裂纹角), 建立直角坐标系xoy, x轴与裂纹方向平行，y轴与裂纹中垂线重合(图10.3). 由应力分量的坐标变换，远场的应力状态为 ，