準(zhǔn)脆性固體的災(zāi)變破壞及其物理前兆

1、準(zhǔn)脆性固體的災(zāi)變破壞及其物理前兆準(zhǔn)脆性固體如巖石內(nèi)部包含有如空洞、裂隙等天然缺陷, 這些內(nèi)部損傷一方面導(dǎo)致了材料的實(shí)際強(qiáng)度比其理想強(qiáng)度低 2 到 3 個(gè)量級(jí), 另一方面這些損傷在外載如力、溫度等作用下會(huì)演化發(fā)展最終導(dǎo)致材料的宏觀破壞. 固體的破壞是一個(gè)持續(xù)了三百年的科學(xué)難題, 至今尚未能真正解決, 今日由于固體材料的破壞而造成的經(jīng)濟(jì)損失, 據(jù)西方國(guó)家統(tǒng)計(jì)高達(dá)國(guó)民生產(chǎn)總值的百分之八至十一.一般來(lái)說(shuō), 準(zhǔn)脆性固體在外力作用下有兩種破壞形式, 一種是損傷漸進(jìn)式發(fā)展, 材料的應(yīng)力和變形準(zhǔn)連續(xù)演化直至最后的宏觀失效; 另一種失效模式是材料損傷發(fā)展到一定程度后誘發(fā)突然的宏觀脆性破壞, 破壞時(shí)材料的應(yīng)力和變

2、形等響應(yīng)量會(huì)發(fā)生突跳, 這種破壞稱(chēng)為災(zāi)變式破壞.災(zāi)變式破壞會(huì)發(fā)生在自然界或?qū)嶋H工程中的不同尺度上. 從自然界中的地震、雪崩這類(lèi)巨大的災(zāi)變破壞到地下工程開(kāi)挖中的巖爆、煤氣體突出等事故, 從航天飛機(jī)失事到礦柱的失穩(wěn)等等, 給人們生產(chǎn)和生活帶來(lái)了深重影響. 但是, 災(zāi)變破壞的不確定性和突發(fā)性使得其預(yù)防和預(yù)測(cè)十分困難, 是困擾工程界和科學(xué)界的復(fù)雜難題.當(dāng)前, 固體災(zāi)變破壞的研究一方面集中于損傷演化過(guò)程及機(jī)理的認(rèn)識(shí)和理解, 另一方面在于探索災(zāi)變破壞的前兆特征. 隨著研究的深入, 對(duì)其中的一些根本性的問(wèn)題進(jìn)行綜合性的思考和總結(jié)顯得十分必要. 譬如, 非均勻效應(yīng)對(duì)探索災(zāi)變破壞預(yù)測(cè)途徑有哪些影響? 災(zāi)變破壞前

3、兆研究面臨哪些機(jī)遇與挑戰(zhàn)?理論和數(shù)值模擬模型建立面臨什么樣的新問(wèn)題?等等. 這些問(wèn)題清晰的認(rèn)識(shí), 將有助于理解自然界和工程中災(zāi)變破壞的觸發(fā)機(jī)理及其預(yù)測(cè)途徑的探索, 并為相關(guān)理論和數(shù)值模型的建立提供概念上的支撐.基于此, 本文將對(duì)準(zhǔn)脆性固體災(zāi)變破壞的四個(gè)基本問(wèn)題: 災(zāi)變破壞的含義和特征、無(wú)序非均勻效應(yīng)、局部化行為和統(tǒng)計(jì)物理前兆進(jìn)行綜合性分析和探討.1 災(zāi)變破壞的含義與特征災(zāi)變破壞是一類(lèi)急劇發(fā)展的強(qiáng)烈破壞現(xiàn)象, 在數(shù)學(xué)上可表征為控制變量的一個(gè)無(wú)窮小增量導(dǎo)致系統(tǒng)的一個(gè)有限響應(yīng). 很多重大的災(zāi)變破壞現(xiàn)象呈現(xiàn)出突發(fā)性和自持性. 突發(fā)性指的是災(zāi)變破壞一旦觸發(fā)便迅速發(fā)展, 使人猝不及防; 同時(shí), 災(zāi)變破壞一

4、般是一種自持過(guò)程, 可在內(nèi)部?jī)?chǔ)存的能量驅(qū)動(dòng)下發(fā)展, 災(zāi)變破壞一旦出現(xiàn)便難以逆轉(zhuǎn)或控制.災(zāi)變破壞的含義可以從控制量-響應(yīng)量演化曲線來(lái)給出一個(gè)直觀解釋. 圖 1 是準(zhǔn)靜態(tài)單調(diào)加載下(可以是位移控制或力控制), 控制變量與響應(yīng)量之間的關(guān)系曲線. 該曲線演化到臨界點(diǎn) F 時(shí), 控制變量的單調(diào)增加, 將使得曲線不能按路徑 FHR 連續(xù)演化, 而是突跳到 R 點(diǎn). 這個(gè)突跳就是災(zāi)變破壞在控制量-響應(yīng)量曲線上的反映. 可以看出, 當(dāng)完整的控制量-響應(yīng)量曲線上沒(méi)有峰值點(diǎn)時(shí), 控制變量的單調(diào)增加不會(huì)導(dǎo)致曲線的突跳, 即不會(huì)誘發(fā)災(zāi)變破壞, 此時(shí)宏觀破壞是連續(xù)的漸進(jìn)式失效.為了對(duì)這個(gè)問(wèn)題有一個(gè)更清晰的認(rèn)識(shí), 讓我們

5、來(lái)看看實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)靜態(tài)單調(diào)加載下準(zhǔn)脆性固體的試驗(yàn)結(jié)果. 圖 2(a)是實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)靜態(tài)位移控制單軸加載下災(zāi)變破壞的力-位移曲線. 可以看出, 災(zāi)變破壞時(shí), 試樣的載荷-位移曲線并沒(méi)有完整地走完全過(guò)程, 而是在最大載荷點(diǎn)之后的, 發(fā)生了一個(gè)從 F 點(diǎn)到 R 點(diǎn)的突跳.而漸進(jìn)式失效時(shí)(如圖 2(b)所示), 試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線連續(xù)演化, 直到最終完全失去承載能力.2 災(zāi)變破壞的無(wú)序非均勻效應(yīng)很早時(shí), 列奧納多達(dá)芬奇(Leonardo da Vinci)注意到金屬絲的拉伸強(qiáng)度會(huì)隨其長(zhǎng)度增加而降低.但是, 基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的一個(gè)簡(jiǎn)單分析, 我們就能知道具有相同橫截面積的金屬絲應(yīng)該具有相同拉伸強(qiáng)度. 為什么會(huì)

6、產(chǎn)生這個(gè)矛盾呢? 現(xiàn)在, 我們知道是材料的無(wú)序非均勻性效應(yīng)的結(jié)果. 連續(xù)介質(zhì)力學(xué)有一個(gè)重要假設(shè), 就是將材料處理成理想均勻體. 在具有顯著非均勻效應(yīng)的樣本中, 這個(gè)假設(shè)常常會(huì)與真實(shí)情形產(chǎn)生較大偏差. 基于材料強(qiáng)度的無(wú)序非均勻性特征的認(rèn)識(shí), 人們認(rèn)為固體的斷裂首先會(huì)在微裂紋或微缺陷這些弱點(diǎn)成核, 而當(dāng)橫截面積相同時(shí), 金屬絲越長(zhǎng), 其包含弱點(diǎn)的概率越高, 所以其強(qiáng)度越低. 更為復(fù)雜的是, 無(wú)序非均勻效應(yīng)及其導(dǎo)致的復(fù)雜的應(yīng)力重分布過(guò)程, 有時(shí)會(huì)使得強(qiáng)度高的單元先于強(qiáng)度低的單元發(fā)生破壞.正如前文所述, 準(zhǔn)脆性固體通常是由多種礦物晶粒(或骨料)、膠結(jié)物及孔隙缺陷等隨機(jī)分布組成的混合體. 這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)直

7、接導(dǎo)致了其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的無(wú)序非均勻性. 微損傷、微缺陷等在空間上的隨機(jī)分布導(dǎo)致了材料的彈性模量、強(qiáng)度等在空間上的非均勻特征, 也導(dǎo)致了固體損傷演化和應(yīng)力重分布過(guò)程在時(shí)間和空間上的復(fù)雜性. 從而, 也直接導(dǎo)致了其宏觀響應(yīng)行為的復(fù)雜性和樣本個(gè)性. 也就是說(shuō)初始平均宏觀性質(zhì)大體相同的樣本, 其宏觀破壞特征會(huì)呈現(xiàn)顯著差別. 這種差異一方面表現(xiàn)為樣本最終宏觀破壞模式是災(zāi)變破壞還是漸進(jìn)式連續(xù)損傷失效的不確定性; 另一方面表現(xiàn)為各樣本的災(zāi)變破壞點(diǎn)的顯著差異.3 局部化行為局部化是準(zhǔn)脆性固體損傷演化誘致宏觀破壞的一個(gè)普遍現(xiàn)象. 局部化指的是固體損傷演化過(guò)程中, 其初始階段的隨機(jī)損傷和隨機(jī)漲落的變形會(huì)逐漸集中到

8、一個(gè)比樣本尺度小得多的較窄區(qū)域.所以, 局部化本身也是一種重要的非均勻特征. 這里把它單獨(dú)提出來(lái), 一方面是考慮到其在準(zhǔn)脆性固體破壞中的重要影響, 另一方面是因?yàn)榫植炕黠@區(qū)別于早期整體平均場(chǎng)意義下的無(wú)序非均勻性.一般來(lái)說(shuō), 線性穩(wěn)定性方法導(dǎo)出的是均勻場(chǎng)線性失穩(wěn)的條件, 回答的是對(duì)平均場(chǎng)發(fā)生微小偏離時(shí)是否進(jìn)一步發(fā)展的問(wèn)題. 但是, 局部化演化是一種宏觀局部尺度的現(xiàn)象, 與微損傷的細(xì)觀尺度不在一個(gè)層次上, 很難基于微小擾動(dòng)下的線性失穩(wěn)分析方法來(lái)處理. 基于細(xì)觀損傷(微損傷)表象和基于細(xì)觀物質(zhì)單元表象, 研究者們提出了描述非均勻準(zhǔn)脆性固體損傷演化和災(zāi)變性破壞現(xiàn)象的統(tǒng)計(jì)細(xì)觀損傷力學(xué). 在這個(gè)理論框架

9、基礎(chǔ)上, 通過(guò)對(duì)固體微損傷成核、擴(kuò)展與愈合的統(tǒng)計(jì)描述, 發(fā)現(xiàn)損傷演化是由幾個(gè)無(wú)量綱參數(shù)決定的, 局部化是微損傷非線性發(fā)展的結(jié)果.4 響應(yīng)函數(shù)(量)的災(zāi)變破壞前兆行為應(yīng)對(duì)地震等災(zāi)變破壞這類(lèi)極端小概率事件的一個(gè)重要途徑就是尋找其前兆特征, 前兆研究也是研究災(zāi)變破壞這類(lèi)復(fù)雜性事件的一個(gè)重要途徑. Nature和 Science 兩個(gè)著名期刊關(guān)于地震預(yù)測(cè)的討論,加深了研究者們對(duì)捕捉災(zāi)變破壞前兆重要性的認(rèn)識(shí).特別是近年來(lái)汶川等地震給人類(lèi)帶來(lái)的深重災(zāi)難,促使人們重新審視以往的災(zāi)變破壞前兆行為, 并對(duì)新的災(zāi)變前兆的尋找提出了要求.響應(yīng)(量)函數(shù)在臨近災(zāi)變破壞時(shí)呈現(xiàn)的異常行為, 可以視為一類(lèi)災(zāi)變破壞前兆. 響

10、應(yīng)量的演化既依賴于微觀細(xì)節(jié), 同時(shí)也是這些細(xì)節(jié)在宏觀上的反映. 當(dāng)前, 基于響應(yīng)量演化過(guò)程的監(jiān)測(cè)來(lái)探索災(zāi)變前兆信息并借此預(yù)測(cè)災(zāi)變破壞, 已成為了探索災(zāi)變破壞預(yù)警的重要手段, 這也是近年來(lái)研究者們關(guān)注的熱點(diǎn).5 巖石斷裂與摩擦庫(kù)侖定律通常作為完好巖石的破裂準(zhǔn)則. 石耀霖等人通過(guò)考慮震后主應(yīng)力方向改變, 修正了傳統(tǒng)庫(kù)侖應(yīng)力計(jì)算中沿地震破裂面滑動(dòng)方向計(jì)算剪應(yīng)力變化的方法. 庫(kù)侖定律主要考慮第一、三主應(yīng)力影響. 但中間主應(yīng)力對(duì)巖石強(qiáng)度、破裂前兆有著重要影響. 將斷裂力學(xué)基本原理引入巖石力學(xué)是巖石物理學(xué)的一個(gè)重要研究方向. 脆性巖石中的斷層破壞通常與剪切破壞密切關(guān)聯(lián), 同時(shí)實(shí)驗(yàn)室?guī)r石受壓破壞時(shí)通常呈現(xiàn)宏

11、觀剪切破壞形式. 所以, 相對(duì)于張開(kāi)型(I 型)破壞, 人們更多關(guān)注的是巖石的剪切(II 型或III 型) 破壞. 在剪切滑動(dòng)初始階段, 剪切破壞區(qū)剪應(yīng)力隨滑動(dòng)位移增加逐漸升高, 達(dá)到峰值后剪應(yīng)力會(huì)隨滑動(dòng)位移的增加而下降, 表現(xiàn)出滑動(dòng)弱化行為. 當(dāng)滑動(dòng)位移繼續(xù)增加達(dá)到某一數(shù)值后, 剪應(yīng)力趨近于其殘余摩擦應(yīng)力, 不再變化.6 結(jié)束語(yǔ)固體的失效破壞是涉及斷層破壞、巖爆等災(zāi)害和航空、航天領(lǐng)域的重要基本問(wèn)題. 強(qiáng)地震等災(zāi)變破壞的一個(gè)鮮明特點(diǎn), 就是其屬于帶有突發(fā)性和不確定性的小概率極端事件. 對(duì)付這種不確定性事件的一個(gè)重要的途徑就是尋找其中的關(guān)聯(lián)性特征, 比如穩(wěn)定發(fā)展階段與破壞脆性和破壞時(shí)間之間的關(guān)聯(lián)

12、.局部化是準(zhǔn)脆性固體通向?yàn)?zāi)變破壞的一個(gè)重要途徑或前兆特征, 理解固體局部化演化特征及其與災(zāi)變破壞之間關(guān)聯(lián)是這里的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題. 局部化演化研究表明, 基于整體平均場(chǎng)近似的災(zāi)變破壞預(yù)測(cè)誤差較大, 其計(jì)算值比實(shí)際測(cè)量值要大. 而基于局部化區(qū)的演化特征來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè)具有良好的預(yù)測(cè)效果, 應(yīng)更具意義. 當(dāng)前, GPS和合成孔徑雷達(dá)干涉(InSAR)測(cè)量技術(shù)在地面變形場(chǎng)和滑坡等監(jiān)測(cè)中得到了廣泛應(yīng)用, 具有較高的測(cè)量精度. 這些測(cè)量結(jié)果提供了豐富的變形演化分析數(shù)據(jù), 從而, 局部化演化誘致災(zāi)變破壞的工作深入研究將會(huì)為地震、滑坡等災(zāi)害預(yù)測(cè)提供指導(dǎo)性的新途徑和探索思路.災(zāi)變破壞前兆研究既是探索其預(yù)測(cè)方法的重要途徑, 又是理解災(zāi)變破壞機(jī)理的一個(gè)重要方法. 在提取災(zāi)變破壞物理前兆的響應(yīng)函數(shù)過(guò)程中, 前兆特