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外文翻譯巖石動(dòng)態(tài)強(qiáng)度和巖石物理性質(zhì)的力量中文版

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外文翻譯巖石動(dòng)態(tài)強(qiáng)度和巖石物理性質(zhì)的力量中文版

- 1 - 學(xué) 院: 專 業(yè): 姓 名: 學(xué) 號(hào): 外文出處: 附 件: 指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ): 簽名: 年 月 日 (用外文寫 ) - 2 - 附件 1:外文資料翻譯譯文 巖石力學(xué)與巖土工程。 2009, 1( 1): 1石動(dòng)態(tài)強(qiáng)度和巖石物理性質(zhì)的力量 錢齊虎 1 *, 齊 承志 2, 王明陽(yáng) 1 1工程學(xué)院工程作物 協(xié)會(huì) ,解放軍理工 大學(xué) ,南京, 210007,中國(guó) 2學(xué)校的公民權(quán)利和通信工程,北京建筑工程學(xué)院,北京, 100044,中國(guó) 收到 2008年 12月 18日,在經(jīng)修訂的形式收到的 2009年 4月 19日, 接受 2009年 5月26日 摘要 : 由 時(shí)間 引起 的巖石變形和破裂的依賴是常常被忽視 的 。 然而, 時(shí)間依賴 對(duì)于材料的 變形和破裂過(guò)程 有至關(guān)重要的作用 ,特別是對(duì)那些受強(qiáng)大的動(dòng)態(tài) 荷載的研究 。在本論文中,我們調(diào)查 巖石 的變形和裂縫,巖石強(qiáng)度依賴 的 物理 特性 起源于微觀尺度,以及當(dāng)時(shí)的機(jī)制。 利用熱激活和 宏觀粘性機(jī)制 , 我們解釋了巖石強(qiáng)度應(yīng)變率 的 敏感性。 這些巖石強(qiáng)度在不同的范圍 內(nèi) 機(jī)制占主導(dǎo)地位的的應(yīng)變率。 這也表明 應(yīng)變速率依賴莫爾庫(kù)侖型構(gòu) 關(guān)系可以用來(lái)描述應(yīng)變動(dòng)態(tài)巖石破碎率的影響。裂隙巖體的應(yīng)變率和粒徑 之間的關(guān)系還 將提議 。 本文對(duì) 若干時(shí)間相關(guān) 破壞 準(zhǔn) 則進(jìn)行了討論,并 對(duì) 它們的內(nèi)在關(guān)系進(jìn)行了討論。最后, 對(duì) 動(dòng)態(tài)強(qiáng)度理論的運(yùn)用進(jìn)行了討論。 關(guān)鍵詞: 巖石 動(dòng)態(tài); 變形和裂縫 ; 時(shí)間依賴性 ; 動(dòng) 態(tài) 強(qiáng)度 ; 斷裂準(zhǔn)則 1 引言 傳統(tǒng)的強(qiáng)度理論的主要 考慮的是 宏觀變形和連續(xù) 性的 材料 破壞 。 材料強(qiáng)度的 時(shí)間依賴 性 通常被忽略。 在這些理論, 當(dāng)巖石中一點(diǎn)的壓力或應(yīng)力結(jié)合時(shí)并達(dá)到極限值時(shí),失效將會(huì)發(fā)生。 應(yīng)力應(yīng)變的選擇組合以及其限值的是 取決于 基礎(chǔ) 特別強(qiáng)度理論。 其實(shí),材料破壞過(guò)程通常需要 一定 的時(shí)間。 由于巖石的 失效 在有限的速度 下 導(dǎo)致 從成核逐步 開(kāi)始 生長(zhǎng)和內(nèi)在的 微觀裂紋的聚結(jié) , 從而材料 宏觀變形和裂縫 有 時(shí) 間依賴性。當(dāng)強(qiáng)度極限達(dá)到極值,強(qiáng)度應(yīng)變率的敏感性和巖石材料裂紋破壞的時(shí)間是特殊例子中物質(zhì)反映的時(shí)間依賴性。 因此, 對(duì)于研究材料變形和破碎的過(guò)程, 認(rèn)真考慮的時(shí)間依賴性 - 3 - 是必要的 ,特別是對(duì)那些受強(qiáng)大的動(dòng)態(tài)負(fù)載 的情況 。因此,時(shí)間依賴性對(duì)巖石變形和 開(kāi)裂的 時(shí)間依賴性,在它的起源 有一定的 微觀規(guī)模, 巖石的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度機(jī)制在此篇文章中得到調(diào)查。 2 傳統(tǒng)的強(qiáng)度理論 傳統(tǒng)的強(qiáng)度理論(或標(biāo)準(zhǔn))可能會(huì)劃分為 5類:( 1)最大正應(yīng)力理論,( 2)最大正應(yīng) 變理論,( 3) 最大剪應(yīng)力理論,( 4)最大的特定應(yīng)變能理論(米塞斯標(biāo)準(zhǔn)),和( 5)莫爾庫(kù)侖( 標(biāo)準(zhǔn)。 在這些 強(qiáng)度 理論 中 , 過(guò) 剪切應(yīng)力理論 修正 ,被廣泛應(yīng)用于巖土工程 實(shí)踐。 據(jù)指出, 準(zhǔn) 和 在德魯克一普拉格 ( 標(biāo)準(zhǔn),這些在 巖土工程中 也得到 廣泛 應(yīng)用 ,是 修改 的 1 上述標(biāo)準(zhǔn)適用于 在 特殊壓力 狀態(tài)下的 失 效 的模式。 例如, 在 式中 不考慮 中間主應(yīng)力 對(duì)材料 強(qiáng)度的影響。 此標(biāo)準(zhǔn) 只需 考慮在剪應(yīng)力平面上的 剪切和正常 壓力 。 因此, 也 可以說(shuō)是單剪 切 應(yīng)力理論。 單剪應(yīng)力理論 進(jìn)一步的發(fā)展產(chǎn)生了 雙剪應(yīng)力理論, 反過(guò)來(lái) 又是統(tǒng)一應(yīng)力理論的基礎(chǔ) 4, 5。單剪 應(yīng)力 理論,雙剪應(yīng)力理論及其他強(qiáng)度理論適用于具體案件,或線性近似的統(tǒng)一強(qiáng)度理論。 統(tǒng)一強(qiáng)度理論代表更普遍的強(qiáng)度理論的 最新 發(fā)展。然而,上述強(qiáng)度理論,遠(yuǎn)遠(yuǎn) 沒(méi)有達(dá)到 完善和成熟。 這些強(qiáng)度理論的 主要 缺陷 包括忽視 變形和固體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的時(shí)間依賴效應(yīng)。 3 固體強(qiáng)度的動(dòng)力學(xué)性質(zhì) 調(diào)查微觀物理性質(zhì)和固體失效機(jī)理可分為兩類:靜態(tài)方法和動(dòng)力學(xué)方法。 靜態(tài)方法的特點(diǎn)是從作為彈性或粘彈性固體媒體 , 觀察過(guò)渡視為原子或分子固體系統(tǒng)。在這些 系統(tǒng),原子 們 或分子 們通過(guò) 凝聚力連接 了起來(lái), 與外部勢(shì)力應(yīng)用于固體的分布在原子或分子之間的聯(lián)系。這樣 ,內(nèi)部力量的作用 將會(huì)減小 。因此, 固體失效前的穩(wěn)定性是 是由 ( 1)原子 或分子 之間的 凝聚力 ( 2) 外部因素造成內(nèi)部影響力兩者之間的關(guān)系決定的 。如果內(nèi)部力量比 凝聚力 少,彈性變形將被誘導(dǎo), 否則,不可逆的變形和破裂 將會(huì) 發(fā)生。 在靜態(tài)理論的 微觀中,固體 強(qiáng)度特性 被 描述 為 極限強(qiáng)度 這一 概念,材料 的失效這一情況 被認(rèn)為是一 個(gè)標(biāo)準(zhǔn), 關(guān)鍵事件發(fā)生時(shí)的瞬間 是 在任何原子鍵內(nèi)力達(dá)到其關(guān)鍵值。根據(jù)對(duì) 固體 原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí), 巖石強(qiáng)度理論即可確定 。 - 4 - 但是, 通過(guò)觀察材料,在 靜態(tài)微觀破壞機(jī)理與實(shí)驗(yàn) 中存在兩個(gè)矛盾 。第一個(gè)是實(shí)際材料的強(qiáng)度( 1) 要 比理論強(qiáng)度( 次 其中 楊氏模量) 小很多 。根據(jù)以往的調(diào)查, 理論和 實(shí)際強(qiáng)度 顯著性差異 可以歸結(jié)為一個(gè)顯著地原因 ,就是 其中的重大缺陷附近的應(yīng)力集中 的 發(fā)生。 第二個(gè)矛盾是,靜態(tài)微觀 失效 的概念瞬間事件 失效的假定 ,但實(shí)驗(yàn)表明,材料 失效是一個(gè)時(shí)間依賴的過(guò)程。 失效持續(xù)的時(shí)間 可能取決于茹爾科夫的公式。 試圖解決的第二個(gè)矛盾 ,由此 引起動(dòng)力學(xué)理論,理論的第二類 描述了 材料的變形和破裂 。 在動(dòng)力學(xué)理論,原子系統(tǒng) 取決于 熱 振動(dòng),并與之交互的外部負(fù)載。 那個(gè) 原子振動(dòng)改變了 原子間的距離和隨之改變的原子的力量。粗略估計(jì) 顯示,頻率上熱分子振動(dòng)大約持續(xù) 1012 1013平均動(dòng)能分配給每一 原子 自由度為原子是 2(其中 K 是 波爾茲曼常數(shù), T 為絕對(duì)溫度)。 當(dāng) T = 300 K 時(shí),由此產(chǎn)生的平均原子力是在 9 800及 原子鍵斷裂具有相同的順序 所需的 14 70000 者能量 之間的區(qū)別被稱為能源的障礙。 這個(gè)問(wèn)題 經(jīng)常聯(lián)系到 非均勻性原子振動(dòng), 被 稱為熱力波動(dòng), 由此 從混沌運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生熱原子。 這意味著,分發(fā)個(gè)別原子 的動(dòng)能 可能遠(yuǎn)高于平均振動(dòng)能量 原子。 因此,在單個(gè)原子 之間原子力量 可能超過(guò)限額的力量 從而導(dǎo)致 原子鍵斷 裂 。 因此,將發(fā)生聯(lián)系,從而導(dǎo)致斷裂。 顯然,從以上分析,熱波動(dòng) 對(duì)原子束 起著破裂的根本作用 。 適用于固體的外部力量的作用是 2倍。 首先,外部勢(shì)力比 原子 能量 斷裂 的 屏障 壞的原子束被定義為 U ( f) =其中 f 是力在每一個(gè)誘導(dǎo)原子 束, 和外部勢(shì)力r 是在原子之間的距離變化引起的 外部力量。 第二,力 的概率 ,因?yàn)?加了原子間的距離。因此,之間的相互補(bǔ)償外部勢(shì)力和熱波動(dòng)存在:熱力波動(dòng)使 破壞的 原子 粘合 成為可能 ,外部勢(shì)力排除恢復(fù)打破原子 粘結(jié) 的可能性(某些化學(xué)過(guò)程可能 恢復(fù)中斷原子 粘結(jié) , 例如由密封裂紋在粘土)。 與前面的討論 解決了 對(duì)斷裂性質(zhì)的原子 尺度 涉及動(dòng)力學(xué)。然而,在材料開(kāi)發(fā)壓裂 中應(yīng)被視為對(duì)破損 原子粘結(jié)扎實(shí)的 積累,導(dǎo)致 骨折(微裂紋和微空隙) 的啟動(dòng) 。這一過(guò)程被稱為壓裂本地化 。 - 5 - 熱波動(dòng)是時(shí)間依賴隨機(jī)的過(guò)程。 此外,力 去 克服能源 障礙 提供的阻力和增加原子之間的距離。 壓裂的本地化進(jìn)程也需要一段時(shí)間來(lái)激活和發(fā)展。 所有這些事實(shí)表明,建立在物質(zhì) 失效時(shí)是 在原子水平的熱波動(dòng)是 時(shí)間的依賴性 的過(guò)程, 大概 需要時(shí)間是 啟動(dòng)和發(fā)展。 較大的外部力量 , 越短 時(shí)間對(duì) 克服 能量阻礙將越有好處 ,即會(huì)發(fā)生更多的壓裂 很快 。 仍然有問(wèn)題要解決很多問(wèn)題 涉及到 變形和固體壓裂動(dòng)力學(xué)理論。 這種理論正在開(kāi)發(fā)中。 4 動(dòng)態(tài)強(qiáng)度理論 從上面的討論,我們可以得出結(jié)論, 材料的強(qiáng)度 不是物理常數(shù) 和 固體壓裂被激活需要時(shí)間 去 發(fā)展 和完善 。這些結(jié)論還基于 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 事實(shí)上,許多固體顯示應(yīng)變 內(nèi)力 敏感度 的速率 。 在這種情況下,新的參數(shù),例如: 應(yīng)變速率和應(yīng)力變化率,應(yīng)考慮到 固體 在變形 和壓裂 。 動(dòng)態(tài)強(qiáng)度理論擴(kuò)展 是 根據(jù)傳統(tǒng)的固體強(qiáng)度理論和動(dòng)力學(xué) , 通過(guò)考慮誘導(dǎo)的高動(dòng)態(tài)效果 應(yīng)變率加載。 巖石的破裂實(shí)力顯著提高 是 在密集的動(dòng)態(tài)加載 情況下產(chǎn)生的 。一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表 1 6。 圖 1和 2是 根據(jù)收集的數(shù)據(jù)加載速率恒定 7的情況下得到的 ,其中 是從最初的應(yīng)用加載 到 負(fù)荷 失效的 時(shí)間, 是應(yīng)變率, 效情況下的 壓力。 表 1巖石斷裂的優(yōu)勢(shì) 6。 圖表 1斷裂時(shí)間和負(fù)載振幅 間的關(guān)系 7 圖表 2巖石強(qiáng)度應(yīng)變率依賴性 8 可 以看出,從圖 1,當(dāng) >10,失 效 的壓力準(zhǔn)靜態(tài)和疲軟的時(shí)間依賴性得到了觀察 。當(dāng) 108時(shí), 可以觀察到 的動(dòng)態(tài)實(shí)力 迅速增加。 對(duì)于 巖石隧道 的周圍 建立變形及壓裂模型,就必須申請(qǐng) 動(dòng)態(tài)強(qiáng)度理論和 失效 的標(biāo)準(zhǔn)。 圖表 3應(yīng)變限制產(chǎn)量或 屈服限制 8。 瑕疵率 - 6 - 在 適當(dāng) 的單軸拉伸 情況下,巖石 的預(yù)期壽命(教唆加載失敗) 也許取決于 茹爾科夫的公式: ( 1) 在 有序的 原子熱振動(dòng)期 9中, 是激活數(shù)量, 茹爾科夫的公式表明熱激活性質(zhì)和固體變形,斷裂的給出了作為實(shí)力的依賴時(shí)間生命 。 ( 2) 也就是 是在加載過(guò)程恒應(yīng)變率 。 ( 3) ( 4) 其中 0 = o/ 況下 最大的可能應(yīng)變率。 持有類似的公式為動(dòng)態(tài)剪切真實(shí)力 ( 5) 其中 激活量是根據(jù)剪切變形, 是剪應(yīng)變率, 0 是極限剪應(yīng)變, 0 =0/0 。 原則上, 固體 在獨(dú)立壓力的情況 對(duì)應(yīng)變率 與拉伸強(qiáng)度類似 ,但該參數(shù)的值 的 公式是不同的。只有壓縮和剪切 的 優(yōu)點(diǎn)將 會(huì) 在本文件 可以 審查。齊 和 錢 10已 在微觀理論的基礎(chǔ)上 重新獲得 了 茹爾科夫公式 。 由斯塔夫羅和 驗(yàn) 11顯示 了 均衡器。( 4)及( 5)可以描述應(yīng)變率 壓縮的 敏感性, 巖石的 剪切和拉伸強(qiáng)度 在 相對(duì) 較低應(yīng)變速率 的情況下實(shí)現(xiàn) 。他們的研究結(jié)果表明,熱激活機(jī)制 對(duì) 力量應(yīng)變率敏感性占主導(dǎo)地位。當(dāng)應(yīng)變率超過(guò)某一閾值,應(yīng)變速率力量 的 靈敏度 將達(dá) 到一個(gè)新的 形式 ,其中 強(qiáng)度伴隨拉緊的增加而快速增加! 固體變形和破裂 會(huì)更加絕熱。 在這種情況下,根據(jù) 現(xiàn)有 的知識(shí),聲阻尼(宏觀粘度)發(fā)揮主導(dǎo)作用。 調(diào)查顯示的一般在圖 4情況下 固體 11原始動(dòng)態(tài)強(qiáng)度的特征 。在低應(yīng)變率 機(jī)制下 ,材料的強(qiáng)度 伴隨著 應(yīng)變速率增加 而緩慢增加 。這個(gè) 機(jī)制 是暫時(shí)定名為制度 1。當(dāng)應(yīng)變率超過(guò)閾值,強(qiáng)度隨應(yīng)變速率的增加而增加迅速 , 這一制度被命名制度 2。當(dāng)應(yīng)變速率非常高,在 制度 1, 應(yīng)變率的依賴力量 與 再次變得薄弱的情況有點(diǎn)類似。這一制度被命名 - 7 - 制度 3(圖 4)。 圖 4應(yīng)變率對(duì)動(dòng)強(qiáng)度的脆性 材料( 110 0s - 1的, s10 3的 S - 1, 210 4)。 從制度 1 至 2 平穩(wěn)過(guò)渡代表著變形逐步發(fā)生變化, 和 在過(guò)渡期間 實(shí)效 的機(jī)制,即制逐步失去優(yōu)勢(shì) , 與聲子阻尼(宏觀粘度)逐漸出現(xiàn)的主要機(jī)制。但是,兩個(gè)機(jī)制不并存。 在制度 2,材料的 性能表現(xiàn)與它的粘度 有密切的關(guān)系。一般來(lái)說(shuō),粘度可以被定義為沿著速度梯度運(yùn)輸?shù)膭?shì)頭。在一個(gè)穩(wěn)定的沖擊波的 過(guò)程中,粘度可看作是動(dòng)量沿軸線擴(kuò)散波的傳播 12。通常的粘度被認(rèn)為是物質(zhì)屬性,它描述相稱之間的粘性應(yīng)力分量和速度梯度或應(yīng)變率,并依賴于溫度。然而,更復(fù)雜的構(gòu)行為可以出現(xiàn)在沖擊負(fù)荷。 從制度 2到制度 3 的過(guò)程 同時(shí) 伴隨著 較弱的應(yīng)變實(shí)力的依賴 于 比率 、 基普等。 13確定 了在 不同應(yīng)變率的壓裂壓力 下的 竹形裂紋。 這些 表明,當(dāng)應(yīng)變率的增長(zhǎng) 時(shí) ,壓裂 的裂縫應(yīng)力增加幅度,并非常高應(yīng)變率 下 成為有效獨(dú)立的裂紋尺寸。在應(yīng)變率非常高 的情況下 , 更 廣泛的裂紋 開(kāi)始形成和失效的增長(zhǎng)是在多種形式裂紋增長(zhǎng)和聚結(jié)情況下進(jìn)行的。 這種示范效應(yīng)的卡爾特 霍夫報(bào)告 運(yùn)用了 肖基 14使用短脈沖加載裂縫有限長(zhǎng)度。研究結(jié)果意味著,在從進(jìn)程 2到 3過(guò)渡中 ,變形 和 壓裂 的地方的位置 是逐漸減少 的 ,均勻性的變形和裂縫逐漸出現(xiàn)。 在高應(yīng)變率, 原子裂變數(shù)量的迅速增加 除了非熱增長(zhǎng)裂縫 ,其他都是基于在完整部分內(nèi)部破裂分子的熱漲。 換句話說(shuō),在熱激活機(jī)制是在缺少了一個(gè)重要的應(yīng)力集中 情況下的反饋 。那個(gè)唯一存在的缺陷導(dǎo)致的 破壞 率上升 , 這些斷裂是于當(dāng) 時(shí) 的具體特 點(diǎn) 能量消耗的變形 的 一生 中 。在非常高的染色率 下,因?yàn)閹r石的整個(gè)過(guò)程中的積累,材料碎片在破壞后是非常小的。 因此,根據(jù)現(xiàn)有的 珍貴實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的 分析,另一種結(jié)論關(guān)于巖石強(qiáng)度的應(yīng)力率可以得出 。在低應(yīng)變率, 巖石的變形和裂縫的控制 由熱激活機(jī)制和力量 應(yīng)變率敏感性可以通過(guò)均衡器表示。( 4)和( 5)。 當(dāng)應(yīng)變速率增加,聲子阻尼 (宏觀粘度)機(jī)制出現(xiàn)了,逐步發(fā)揮主導(dǎo)作用。 由于 巖石裂紋的傳播速度受限于瑞麗波速度, 粘度隨系數(shù) 隨著應(yīng)變率的下降而下降。 在結(jié)構(gòu)層面上,減少 粘度與應(yīng)變速率激活內(nèi)部度自由和細(xì)觀顆粒相關(guān)的議案。 在 非常高應(yīng)變率,固體取得的應(yīng)力接近理論極限的 應(yīng) 力。 在這 種 情況下,裂紋尺寸范圍 是 - 8 - 從一開(kāi)就開(kāi)始積累的 。 在完整的地區(qū),分子間 鍵被 打破。 這些斷鍵作為成長(zhǎng) 無(wú)熱細(xì) 胞核的損傷,以及熱激活機(jī)制激活。 這意味著 本地化的變形和破壞正在逐步丟失。 因此,熱激活機(jī)制再次 出現(xiàn)伴隨著在高應(yīng)變率下出現(xiàn)的機(jī)制變形和破碎 。 此外,敏感性強(qiáng) 度 對(duì)應(yīng)變率可以作為熱激活和宏觀粘性機(jī)制競(jìng)爭(zhēng)之間的結(jié)果。 粘性 機(jī)制及其數(shù)學(xué)公式研究 下文。 巖 石 內(nèi)的粘度 是有區(qū)分的 ,甚至這是經(jīng)歷了不斷的變形率 且 是非常大。這顯然與事實(shí) 的 變形和破裂的地方采取 了 不同的 方法尺度。 巖石具有多層次結(jié)構(gòu)。這一觀察 對(duì)它們的物理及機(jī)械性能的變形至關(guān)重要。 例如,巖石的多層次結(jié)構(gòu)直接關(guān)系到它的 黏度 。 在工程實(shí)踐中,粘度可分為 3 級(jí),即宏觀,中觀,微觀水平 。 在數(shù)學(xué)上,粘度 所表達(dá)的是 通過(guò) 公式如下: = ( 6) 其 中 是 松弛 時(shí)間 15。 該 材料 的松弛 不僅 由于 結(jié)構(gòu)元素之間的相對(duì)滑動(dòng),而且 還猶豫這些要素的重組和內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化 。 因此, 巖石的松弛伴隨著 放寬擴(kuò)容 。 當(dāng)巖石結(jié)構(gòu) 斷裂 ,應(yīng)力 集中 出現(xiàn), 伴隨 著時(shí)間 增長(zhǎng) 而減少。這 松弛的 時(shí)間 與結(jié)構(gòu)元素的大小 成正比和增長(zhǎng)速 率 感應(yīng) 的 缺陷 成反比 。在 膨脹的 過(guò)程 中 ,結(jié)構(gòu)缺陷往往發(fā)生 在不規(guī)則的巖石里 。 該增長(zhǎng)速度引起的缺陷(如位錯(cuò)和微型和 宏觀破壞 ) 受到限制 。 此外,它 還 依賴于 外部壓力的應(yīng)用和應(yīng)力松弛。 從現(xiàn)象學(xué)的角度來(lái) 看, 缺陷增長(zhǎng)的速率 被假定為一個(gè)應(yīng)變功能率,即 (7) 擴(kuò)大式。( 7泰勒系列),我們得到 (8) 其中 率的 增長(zhǎng) 缺陷 在固定的變形程度 下 有必要在這里指出, 熱激活機(jī)制有助于缺陷增長(zhǎng)的速率。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,傳播速度的 缺陷(增 長(zhǎng)速度 缺陷)僅限于從 慮到 這, 我們選擇下面的公式來(lái)近似 的概括應(yīng)變速率的增長(zhǎng)不只是因?yàn)楹暧^粘度: ( 9) 其中 b, , 和 另一方面,根據(jù) 型作者:季奧諾夫等。 23, 當(dāng) 變形率 超過(guò) = ()時(shí), 與內(nèi)部元 素巖尺寸 其中 2×106 cm/個(gè) 參數(shù)表征,由于應(yīng)力集中 是由于 巖石 的非均質(zhì)性所決定的 。 - 9 - 因此,應(yīng)變率是 與 尺寸 23 ( 10)( 11)( 12) 在這種情況下,對(duì)右邊的第一個(gè)任期式。( 12),可作為熱激活機(jī)制變形 16的最大貢獻(xiàn)式, 第二 個(gè)是宏觀黏度的貢獻(xiàn)機(jī)制 。 因此,宏觀黏度機(jī)制可以表達(dá)為: ( 13) 從上面的分析,結(jié)果表明,變形率 的增加 導(dǎo)致粘度降低,這意味著 巖石的 變形和破裂逐漸收斂在宏觀和微觀尺度 內(nèi) 。 抗壓強(qiáng)度 對(duì)于 應(yīng)變率 比較 敏感 , 然后 可以總結(jié)出 以下兩個(gè)條款: ( 14)( 15) 對(duì)右邊 等式 第一個(gè) 條款 。( 14) 和 ( 15) 是對(duì)于熱力學(xué)機(jī)制的總結(jié) ,第二項(xiàng)代表這些機(jī)制的粘度。 對(duì)于( 13)等式,宏觀的黏度可以通過(guò)以下式子表達(dá)為: ( 16)和( 17) 其中 b與 制最大 的貢獻(xiàn) , 度的影響是隱含在這 些 公式 里 。 最后, 強(qiáng)度 和 應(yīng)變率 之間的關(guān)系 統(tǒng)一 得到。它包括熱激活 和黏度機(jī)制作為兩個(gè)相互競(jìng)爭(zhēng)的機(jī)制 ,即 ( 18)( 19) 通過(guò)影響巖石的強(qiáng)度將引起溫度的增加。大體上,當(dāng)溫度達(dá)到其消融溫度的 85%,金屬的強(qiáng)度將降低,它的產(chǎn)生不同于上式( 18)( 19)的計(jì)算結(jié)果。然而,巖石的消融溫度對(duì)于那些金屬來(lái)說(shuō)是相當(dāng)高的。大體上對(duì)于巖石產(chǎn)生的影響的溫度與其消融溫度不是很接近。因此,( 18)( 19)等式更適用于巖石。 熱激活機(jī)制 在靠近 應(yīng)力集中區(qū)和在低應(yīng)變速率 下的邊界巖晶表現(xiàn)的更加明顯 。在非常高應(yīng)變率 下 , 完整的巖石區(qū)域下熱激活機(jī)制再次被激活, 但 在這些制度下, 均衡器的參數(shù)( 4) 和 ( 5)應(yīng)該是不同的,與 , 是高應(yīng)變率 下表現(xiàn) 較低。 在圖標(biāo) 5中,通過(guò) 碳化硅 、 鋁 、 氧化氮 、 花崗閃長(zhǎng)巖和白云石的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 被展現(xiàn)出來(lái)。 左邊 部分 的 實(shí)驗(yàn)曲線幾乎 是筆直的 水平線(圖 5( a)。因此,它是很容易 通過(guò)( 18) - 10 - ( 19)的數(shù)據(jù)擬合來(lái)確定 項(xiàng)目 U / , K / , S G /和 K /。 表 5( a)和( b) 考慮到低應(yīng)變率 的情況下, 宏觀粘度是非常小,它可能會(huì)認(rèn)為的熱激活機(jī)制的 通過(guò)表 ( 4)及( 5) 表現(xiàn)是非常 小 的 ,而 依靠于應(yīng)變率物質(zhì)強(qiáng)度也是很微弱的。 另一方面,宏觀粘度在表( 18)和( 19) 右側(cè)的兩個(gè)條件下 , 高應(yīng)變率 是占主導(dǎo)地位。為方便,左(水平)的曲線 在 圖 5 中 可能延長(zhǎng)到右側(cè)。 這 之間的直線連線被選為 對(duì) 宏觀粘度疊加的基礎(chǔ)。 根據(jù)上述描述, 例如通過(guò)運(yùn)用 ( 18)和( 19) 的例子已經(jīng)可以得到計(jì)算結(jié)果 。對(duì)這些計(jì)算的結(jié)果與格雷迪 報(bào)告 12的 實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較 , 計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合(圖5)。這表明,所建模型具有良好的物理基礎(chǔ),它是適用于廣泛的應(yīng)變率 領(lǐng)域 , 而且它對(duì)于實(shí)際的應(yīng)用更加簡(jiǎn)單方便。 ( 20) 慮時(shí)間 因素 的強(qiáng)度理論 沖標(biāo)準(zhǔn) 根據(jù) 沖 標(biāo)準(zhǔn) 17,當(dāng)脈沖總額 到了極限值,即 t) o 時(shí),即將發(fā)生失效。 在一個(gè)一維的情況 下,之間的關(guān)系固體中應(yīng)力 和粒子速度 V 兩者之間的關(guān)系可以 表示為 =其中 是 巖石 的密度和 D 是沖擊波的傳播速度。 通過(guò) 沖標(biāo)準(zhǔn)及以上關(guān)系可以歸納出公司( 21)。 其中 標(biāo)準(zhǔn)的沖動(dòng)表示壓裂工藝 中 損傷累積性質(zhì),壓裂工藝,恰逢與朱可夫的標(biāo)準(zhǔn) 吻合 。 另一方面,如果沖擊波 的特征長(zhǎng)度 是 L,然后 u = L , 然后 ( 21)變?yōu)?( 22)式。 這表明, 當(dāng)應(yīng)變 達(dá)到臨界 標(biāo)準(zhǔn)下時(shí), 壓裂發(fā)生 。因此 ,第二 強(qiáng)度 理論可以應(yīng)用到動(dòng)態(tài)壓裂問(wèn)題。蠕變現(xiàn)象和力量應(yīng)變速率 的 敏感性顯示 壓裂時(shí)間效應(yīng) ;他們的物理起源是一致。通過(guò) 乘以朱可夫的公式與亞歷山德羅蠕變公式 時(shí)可以得到的。因此 ,同樣得出結(jié)論,即臨界應(yīng)變破壞是相同的,無(wú)論應(yīng)變率 是怎樣應(yīng)用的。 實(shí)驗(yàn)表明,在剪切,三軸壓縮和其它復(fù)雜加載條件下,一個(gè)覆蓋 9級(jí) 范圍內(nèi)的應(yīng)變率 ,標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變率是只基于溫度 ,應(yīng)力和應(yīng)變率 的影響 。因此,它可以被看作是一 - 11 - 個(gè)常數(shù) 18。這情況表明變形和 破壞之間有 密切 的 關(guān)系 。因此 ,第二強(qiáng)度理論可以被視為一個(gè)準(zhǔn)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。 傷演化 下的 破壞準(zhǔn)則 根據(jù)公式( 19),進(jìn)化破壞的相對(duì)參數(shù)可以通過(guò)以下公式描述出:公 式( 23)( 24)。 根據(jù) 固體 斷裂力學(xué)原理, 當(dāng)平均應(yīng)力 ( t,x)超過(guò)時(shí)空單元 t ?,t×0,d 達(dá)到其靜態(tài)應(yīng)力 c,開(kāi)始失效,例如公式( 25) 其中 r 是空間 坐標(biāo)。這個(gè) 標(biāo)準(zhǔn)被稱為莫羅佐夫 20。 如果我們產(chǎn)生出新的相對(duì)參數(shù) J=, ,然后公式( 25)可以變?yōu)椋?26)。 因此,莫羅佐夫 在物理上表現(xiàn)為一個(gè)關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)。 庫(kù)侖 模型是 應(yīng)變 率 本構(gòu)模型 的基礎(chǔ) 準(zhǔn)對(duì)于邏輯材料來(lái)說(shuō) 是一個(gè) 簡(jiǎn)單實(shí)用的 標(biāo)準(zhǔn) , 地質(zhì)材料的強(qiáng)度顯 示出明顯的應(yīng)變率依賴(靈敏度)。 因此 ,在分析地質(zhì)力學(xué)問(wèn)題,有必要考慮對(duì)應(yīng)變 率。在 綜合 壓力 的狀態(tài) 下,解釋了壓力的 主要條款,莫爾 效 準(zhǔn)則可以寫成 為( 27)。 隨著單軸壓縮試驗(yàn),內(nèi)部凝聚力 式( 28) 決定 。 通過(guò)( 18)到( 28)的代換,我們可以得到公式( 29)。 在方程式( 29)的最后一部分 , 1/ 3是應(yīng)力狀態(tài)參數(shù)。 把( 29)式代入( 27), 強(qiáng)度失效標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)力基礎(chǔ)可以確定。 對(duì)于高應(yīng)變率加載條件 下, 熱激活 的形式可以 取代靜態(tài) 單軸壓縮強(qiáng)度 為這是熱激活理論在強(qiáng)度影響下的微弱影響:( 30)( 31)。 針對(duì) 地下爆炸,爆炸 通過(guò) 剪切機(jī)制引起的骨折發(fā)生在鄰近的中心 的位置 。該問(wèn)題此外 還可能簡(jiǎn)化 ,因?yàn)?r >> ,其中 r 是徑向應(yīng)變和 是切向應(yīng)變。因此,剪應(yīng)變 = 和體積應(yīng)變 更 近似為 + 2 。此外,它可以 寫為 r = 。兩者之間的主應(yīng)力 之間的關(guān)系 為 = ,其中 = =/ ( 1 , 是泊松比。 ( 32) . 態(tài) 荷載 加載 下破碎巖石的碎塊大小 - 12 - 一個(gè)裂隙巖體強(qiáng)度取決于樣本 大小。一般來(lái)說(shuō), 材料的 抗壓強(qiáng)度 如下 21, 22: ( 33)( 34)( 35)( 36) 方程( 36)表明,平均尺寸的片段裂隙巖體平均尺寸的片段與 外部負(fù)載 的增長(zhǎng)而減小。 這一結(jié)論也證實(shí)了準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)。在一個(gè) 1倍骨折的情況下, 根據(jù)動(dòng)態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)條件下,圖 6顯示了 具體剪變形能 23給定的同一曲線平局粒徑 這種關(guān)系適用既剪切斷裂和劈裂骨折 兩種形式 ,可近似的 得到 公式如下: ( 37)圖六 ( 38) 為了預(yù)測(cè)單軸 動(dòng)態(tài)荷載下 片段的平均大小, 該由式 ( 36) 的 就可以通過(guò) ( 18)和( 19) 分別進(jìn)行確定。 對(duì)于接近爆炸中心的碎片平均片段大小的 預(yù)測(cè) ,公式 ( 36) 可以被 使用。但是, 巖石強(qiáng)度的 動(dòng)態(tài)剪切應(yīng)取決于下面的公式: ( 39) 根據(jù)外部負(fù)載, 壓裂發(fā)生在結(jié)構(gòu)的表面,這些表面位于中心部位最大規(guī)模的碎片中。片段大小 是 在這種規(guī)模的結(jié)構(gòu)性因素 性下的特征尺寸 。 應(yīng)力強(qiáng)度的 進(jìn)一步增加 將導(dǎo)致在下一較低規(guī)模下的壓裂。在這種規(guī)模下結(jié)構(gòu)元素的特征大小是有碎片的尺寸 。應(yīng)變率 的上升 ,圍壓和塑性應(yīng)變硬化可提高中等強(qiáng)度。因此,變形和破裂可能會(huì)覆蓋巖體和 碎片尺寸在 小規(guī)模 等級(jí)下將會(huì)減 少。 5 現(xiàn)代強(qiáng)度理論的應(yīng)用 強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)理論中實(shí)效性等因素的介紹提高了我們對(duì)于實(shí)效結(jié)構(gòu)的理解。 并可能產(chǎn)生的結(jié)果 與傳統(tǒng)強(qiáng)度理論 有顯著差異。作為一 個(gè)例子 , 在沒(méi)有增加時(shí)間的情況下,一個(gè)三角應(yīng)力脈沖波傳播散列的問(wèn)題可以考慮如下。 根據(jù)傳統(tǒng)的強(qiáng)度理論,當(dāng)應(yīng)力波從自由表面反射回來(lái)時(shí)拉伸盈利產(chǎn)生。當(dāng)產(chǎn)生的啦應(yīng)力遠(yuǎn)離自由表面且達(dá)到臨界值,剝落發(fā)生在距離 x = t /(2 m ) ,其中代爾塔時(shí)應(yīng)力波的振幅。然而,根據(jù)最新的強(qiáng)度理論, 每一個(gè)由反射波覆蓋下的巖石點(diǎn)拉伸應(yīng)力和拉伸容易 導(dǎo)致 壓裂,即剝落。 在 一個(gè)特定的時(shí)間,巖石部分可能承受的拉伸應(yīng)力較小, 它 可以合理的假設(shè)巖石將需要較長(zhǎng)的時(shí)間才能破壞 。這樣 的部分可能伴隨著其他部分拉應(yīng)力的增長(zhǎng)而發(fā)生同時(shí)破 - 13 - 壞,孵化破壞的時(shí)間可能較長(zhǎng),例如在連接巖石的一定長(zhǎng)度內(nèi)可能同時(shí)破壞,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這一假設(shè)。因此, 一般都剝落區(qū)定義為具有 寬度 (或厚度), 反過(guò)來(lái)也 意味著剝落區(qū)有自己的 內(nèi)部結(jié)構(gòu)。很明顯,如果我們 用 傳統(tǒng)的靜態(tài)強(qiáng)度 理論去 模擬動(dòng)態(tài)斷裂。這類事件模擬將 不切合實(shí)際。 由爆炸引起的地面振動(dòng)可能會(huì)損壞地面基礎(chǔ)設(shè)施和地下設(shè)施。 評(píng)估破壞程度的決定參數(shù)和對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施安全 的近端是地震震動(dòng)參數(shù):加速度,粒子速度,移位。 目前, 對(duì)于這些參數(shù) 問(wèn)題 達(dá)成的共識(shí)應(yīng)該應(yīng)用到 爆炸引起的地震結(jié)構(gòu)并沒(méi)有得到徹底解決 的問(wèn)題中去。世界上 的大部分地區(qū) 采用地面速度來(lái)作為主要參數(shù) 。這樣一個(gè)參數(shù)的使用 與 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查 吻合 ,也就是說(shuō),地面速度或 移位 ,不是內(nèi)部的力量控制建筑物和設(shè)施 的破壞 。 這也與 現(xiàn)代強(qiáng)度理論 達(dá)成共識(shí) 。 根據(jù)現(xiàn)代 強(qiáng)度 理論, 地下的內(nèi)部爆炸對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的破壞時(shí)有動(dòng)態(tài)失效引起的 。 對(duì)于動(dòng)態(tài)失效的 控制參數(shù)是位移或粒子速度??紤]到 隨著時(shí)間的推移 位移一體化, 引入的失效 標(biāo)準(zhǔn)涉及諸如控制振動(dòng)速度和頻率參數(shù), 與 美國(guó)礦務(wù)局,德 國(guó)和芬蘭當(dāng)局 的提出相比更為合理 。大量的觀測(cè)表明,根據(jù)同樣的地質(zhì)條件,在同一地點(diǎn)與相同的結(jié)構(gòu)類型,當(dāng)振動(dòng)速度超過(guò)了特定類型的建筑特征值 時(shí),對(duì)于建筑的破壞等級(jí)是一樣的。 6 結(jié)論 通常情況下, 在 巖土工程 中關(guān)于空間方面問(wèn) 題 的關(guān)注 ,以及時(shí)間的依賴 性 往往被忽視。然而,變形的依賴 和 壓裂過(guò)程 在 時(shí)間 情況下更傾向于下面的 一個(gè)事實(shí),即巖石破裂,需要時(shí)間來(lái) 活躍去 發(fā)展和完善,巖石強(qiáng)度取決于應(yīng)變率。 對(duì)于材料變形的時(shí)間依賴效應(yīng)的考慮提高了我們對(duì)于材料變形和破壞的認(rèn)識(shí)。 在低應(yīng)變率,巖石變形和破裂 被 熱激活機(jī)制 控制 。隨應(yīng)變率的增加,聲子阻尼 (宏觀粘度)機(jī)制,并逐步出現(xiàn) 并 占主導(dǎo)地位。 在非常高應(yīng)變率 下 , 在微觀尺度 下 變形和 壓裂逐漸發(fā)生, 在 以上的 條件下熱激活機(jī)制重新激活。在這種情況下, 巖石間的大幅度破壞范圍于 在巖石間分子 原先保持完好的部位鍵位同時(shí)受到打破 。 這些 斷鍵 替代了破壞增長(zhǎng) 核。 這意味著 變形和破壞 的部位 將逐步減少 并最終消失。 在高應(yīng)變率 下 ,熱激活 作為 變形和破裂主要機(jī)制 出現(xiàn) 。因此,應(yīng)變 率 強(qiáng)度的依賴率可能 被認(rèn) 為兩個(gè)共存機(jī)制競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果,熱激活和 宏觀粘性 機(jī)制, 對(duì)于應(yīng)變率的不同幅度輪流 起 領(lǐng)導(dǎo)作用。 - 14 - 巖石應(yīng)強(qiáng)度 應(yīng)變率 的依賴率可能 通過(guò)這兩個(gè)機(jī)制貢獻(xiàn)的和來(lái)表示。實(shí) 驗(yàn)和 計(jì)算數(shù)據(jù) 的比較 顯示 了這一假設(shè),也就是 該模型描述了 強(qiáng)度 的依賴 (靈敏度) 在 應(yīng)變率 的情況下優(yōu)于應(yīng)變率 非常廣泛的范圍 。 該模型具有良好的物質(zhì)基礎(chǔ),適用 于 應(yīng)變率 的 范圍廣泛, 它對(duì)于使用更加簡(jiǎn)單方便。 在巖石的大小碎片下加載動(dòng)態(tài)荷載的影響顯示出:由于在應(yīng)力狀態(tài)、塑性變形的積累和應(yīng)變率下,強(qiáng)度從原來(lái)開(kāi)始該改變的增加,所以在破壞的同時(shí),剪切變形能隨著依靠積累而增加。這也就指出,此種關(guān)系用來(lái)描述碎片的大小剛剛好。 阿莫爾 構(gòu)關(guān)系 已經(jīng) 有人提出 , 不同時(shí)空失效標(biāo)準(zhǔn)之間的內(nèi)在關(guān)系已經(jīng)表達(dá)出來(lái)并解釋了。這些現(xiàn)在強(qiáng)度理論的使用性 已經(jīng)顯示出并解決了一些傳統(tǒng)強(qiáng)度理論不能輕松解決的不尋常的現(xiàn)象。 參考資料 1 , T. 980, 106 (9): 1 013 1 019. 2 , T. a 1988 15 1988: 31 36. 3 C, . or 1952, 10: 157 162. 4 H, N, Y. ), 1985, 28 (11): 1 113 1 120. 5 H, N. 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