研究生毕业论文_岩石材料损伤-断裂转换实验研究.doc

分类号 TU458+.3 单位代码 10618 密 级 学 号 2120081007 硕士学位论文岩石材料损伤-断裂转换实验研究研 究 生 姓 名： 张金浩 导师姓名及职称： 唐红梅 教授 导师姓名及职称： 陈洪凯 教授 申请学位类别 工 学 学位授予单位 重庆交通大学 一级学科名称 土木工程 论文答辩日期 2015年5 月 日 二级学科名称 岩土工程 学位授予日期 2015年6 月 日 20 年 月 日Testing Study on Damage and Fracture Translation of Rock MaterialA Dissertation Submitted for the Degree of MasterCandidate：Zhang Jinhao Supervisor：Prof. Tang Hongmei Prof. Chen Hongkai Chongqing Jiaotong University, Chongqing, China 重庆交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信息服务（包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等），同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名： 指导教师签名：日期： 年 月 日 日期： 年 月 日本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊（光盘版）电子杂志社CNKI系列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定享受相关权益。学位论文作者签名： 指导教师签名：日期： 年 月 日 日期： 年 月 日摘 要岩石材料的损伤与断裂破坏是一个初始缺陷的演化，宏观裂纹的产生及扩展，最后导致材料宏观断裂破坏的连续变化过程。本文以水泥砂浆试件模拟岩石材料作为研究对象，将试件分为有裂隙和无裂隙（完整）两种，分别进行单轴压缩实验，得到了试件受力时的相关力学参数。在加载过程中，采用超声仪测量试件受力时的波形和波速，获得了波形和波速随加载过程的变化规律，系统性的研究了岩石材料的损伤与断裂破坏特性，本文取得研究成果如下：（1）用砂浆裂隙试件模拟含裂隙岩石进行单轴压缩实验，获得了三种倾角45o、60o、75o下的三种裂隙长度45mm、60mm、75mm下9种试验工况下的不同裂隙长度、倾角试件的初裂隙扩展角度和初裂强度，并分析了不同工况下的受压破坏机理；实验结果表明：当裂隙长度相同时，初裂强度随倾角的增加而增加，且倾角由60增加到75，初裂强度增加得更快；当裂隙倾角一定时，初裂强度随裂隙长度的增加而降低。应用最大周向正应力理论分析了含裂隙试件的受压破坏机理，获得了裂隙扩展角理论表达式；通过比较可知：裂隙扩展角的实测值和理论值基本吻合。（2）通过对裂隙试件进行单轴压缩荷载实验，加载到每一级荷载时，利用超声仪对每个测点进行超声波的波形的采集，获得了每个侧点的波形图。实验结果表明：在低荷载，试件内部存在原有微缺陷，导致部分测点的波形出现不规则变化。说明在这些测点周围小范围内，试件的微缺陷比较集中。随着荷载的增大，微裂纹之间相连并发生贯通，超声波的波形也会随着裂纹的扩展而发生不规则变化，即波形异常变化很大、连续性差。（3）通过对裂隙试件进行单轴压缩荷载实验，加载到每一级荷载时，利用超声仪对每个测点进行超声波的波速的采集，获得了波速随加载过程的变化值，绘制了裂隙试件的波速应变特征图，分析可知：当荷载施加较小时，整个波速应变曲线表现平稳，波速基本无变化或稍微有增加和下降的现象。随着荷载的增加，试件表面出现裂隙，波速随应变的增加而下降。随着裂隙的扩展至完全贯通试件发生失稳破坏时，整个波速应变曲线都处于下降的趋势。（4）通过对完整试件进行单轴压缩实验，得到了试件的初裂强度和单轴抗压强度。将试件的应力应变关系曲线分为五个阶段，即压密阶段线弹性工作阶段裂纹稳定发展阶段裂纹快速发展阶段断裂扩展阶段。（5）利用超声仪记录了完整试件在加载过程中超声波传播的波形，分析了波形随加载过程的变化规律。实验结果表明：在无荷载时，由于试件在制作过程中，不可避免的存在气泡、微孔洞和收缩变形等初始损伤，导致部分测点的波形出现异常。在加载过程中，随着微裂隙的扩展至试件的破坏，各个测点的波形都表现出不规则现象，即波形异常变化很大、连续性差、波形明显不规则。（6）利用超声仪记录了完整试件在加载过程中超声波传播的波速，实验结果表明：在试件表面没有出现裂纹之前，波速随荷载的增加没有明显的变化。当试件表面出现裂纹之后，波速随荷载的增加明显降低，试件内部缺陷已延伸至试件表面，试件损伤程度严重。随着损伤的进一步扩展到达试件的抗压强度后，试件内部的完整性遭到严重破坏，超声波在试件内部的波速值降低很大。（7）通过对完整试件超声波波速应变关系的分析，揭示了波速随试件裂隙扩展的变化规律；将完整试件损伤断裂特征演化规律分为五个阶段，即初始损伤阶段弹性损伤阶段损伤累积阶段损伤继续累积、表面出现裂纹阶段出现宏观裂隙（断裂）、宏观裂隙扩展导致断裂破坏阶段。对研究岩石材料损伤到断裂的扩展机理提供有力的依据。（8）通过对完整试件进行单轴压缩实验，利用超声仪记录了脉冲波的波速在实验过程中的相对变化，定义了以波速变化的损伤变量。（9）将岩石损伤视为各向同性，采用各向同性损伤原理建立了损伤演变本构模型，并将实验所得参数值代入本构模型进行对比分析。（10）通过应变与波速之间的变化建立关系，将整个波速应变曲线分为三个阶段，即弹性损伤区损伤扩展区断裂扩展区，损伤扩展区末端对应的应力峰值定义为损伤与断裂的转换点，进而得出加载过程中试件的损伤-断裂演化规律，从而解释其损伤断裂转换机理。通过对完整试件测点的波速应变关系曲线图的分析，得到了波速与应变关系表达式，对研究岩石材料损伤到断裂的扩展机理提供理论参考。关键词：岩石力学，损伤与断裂特性，转换效应，实验研究，岩石材料本文依托于项目（120301）。107ABSTRACTDamage and fracture broken of rock material is an continuous change process including the initial imperfection evolution, macroscopic cracks formation and propagation. This paper takes rock material simulated by cement mortar specimens as the research object, the specimen is divided into two kinds: fissure and non-fissure (complete) , uniaxial compression experiment is carried out respectively, the relevant mechanical parameters are obtained. In the process of loading, with the help of ultrasonic apparatus, waveform and wave velocity changing rules are obtained in the process of loading, damage and fracture broken characteristics of rock material are also studied systematically, the main research results are as follows: (1) mortar fractured specimens have been simulated as fissured rock to do the uniaxial compression experiment, different crack length, the initial propagation angle of specimens and initial crack strength have been obtained by setting 9 experimental conditions, such as 3 angles 45o、60o、75o and 3 crack length 45mm、60mm、75mm, the compression failure mechanism are also analyzed. The results show: when the crack length is the same, the initial crack strength is increased by the increase of angles and when the angle is increased from 60 to 75, the initial crack strength is increased faster. When the crack angle stays at a certain level, the initial crack strength is decreased by the increase of the crack length. By employing the theory of maximum circumferential stress, failure mechanism of fractured specimens under compression is interpreted, theoretical expression of crack propagation angle is acquired; By comparison, it is know that that measured values and theoretical values of crack propagation angle are in good agreement.(2) In view of fracture specimens, uniaxial compression experiment is done, also, using ultrasonic apparatus to collect every measuring points waveform figure. The experimental results show that: in low load stage, initial micro defects inside lead to irregular change waveform figure. Micro defects gathers around measuring points. With the increase of load, micro defects connect with each other and penetrating, waveform also changing along with crack propagation, performance for changed lot, poor continuity waveform. (3) In view of fracture specimens, uniaxial compression experiment is done, using ultrasonic apparatus to collect every measuring points waveform figure, wave velocity-strain characteristic figure is drown, from analysis we know that: in low load stage, wave velocity-strain curve looks more smooth, wave velocity changes little. With the increase of load, cracks appear in the specimen surface, wave velocity falls down with the increase of strain. Throughout the process, wave velocity-strain curve shows a trend of declining. (4) Through uniaxial compression tests of non-fissure specimens, the initial crack strength and the uniaxial compressive strength are obtained. Stress-strain relationship curve of the specimens can be divided into five stages, namely the pressure dense stage, linear elastic work stage, crack stable development stage, rapid development stage of crack, fracture extension stage.(5) Using ultrasonic apparatus, waveform of non-fissure specimens is obtained, also, changing rule of waveform is analyzed. The experimental results show that: there are initial imperfection including air bubbles, micro holes and so on in specimens in the process of production, this leads to abnormal wave. In the process of loading, all measuring points waveform are unusual, performance for changed lot, poor continuity waveform.(6) Using ultrasonic apparatus, wave velocity of non-fissure specimens is obtained. The experimental results show that: before there are initial imperfections on the specimen surface, wave velocity changes little. After there are initial imperfections on the specimen surface, wave velocity decreased obviously with the increase of the load, specimen is badly damaged in this stage. With further extension of damage, the integrity of the specimen are severely damaged, wave velocity falls down lot.(7) Through the analysis of wave velocity-strain relationship of non-fissure specimens, reveals the wave velocity changing rule with the specimen fracture extension; Complete specimen damage and fracture characteristics of evolution can be divided into five stages, namely initial damage stage, stage of elastic damage, damage accumulation stage, injuries continue to accumulate, cracks on the surface stage, macro fracture extension lead to fracture failure stage. The relevant conclusions provide a powerful theoretical basis for the study of damage and fracture mechanism. (8) Through uniaxial compression tests of non-fissure specimens, using ultrasonic apparatus, wave velocity is obtained, also, damage variable is defined. (9) Taking rock damage as isotropic, adopting the principle of isotropic damage, damage evolution constitutive model is established, lastly, the parameter values from experimental into the constitutive model are analyzed. (10) Through the established relationship between wave velocity and strain, wave velocity-strain curve can be divided into three stages, namely elastic damage area,damage extension area, fracture extension area, the peak stress at the end of the damage extension area are defined as the point translating damage to fracture, then damage-fracture evolution rule is obtained, so, translating mechanism is revealed. Analyzing wave velocity-strain curve, relation between wave velocity and strain is obtained, relevant conclusions provide a theoretical basis for the study of damage and fracture mechanism. KEY WORDS: rock mechanics, damage and fracture feature, translation effect, testing study, rock material目 录第一章 绪论11.1 研究的目的和意义11.1.1 研究背景11.1.2 研究的目的意义21.2 国内外研究现状31.2.1有关岩石材料的损伤机理研究31.2.2有关岩石材料的断裂理论研究51.2.3超声波技术在岩石材料的损伤与断裂机理研究中的应用61.2.4 当前研究中存在的主要问题81.3本文研究的主要研究内容9第二章 岩石损伤与断裂力学基本理论介绍112.1 岩石损伤力学基本理论112.1.1 损伤力学的发展现状112.1.2 损伤的定义112.1.3 损伤的分类和研究方法122.1.4 损伤变量和损伤模型132.1.5 岩石损伤研究存在的问题162.2 岩石断裂力学基本理论172.2.1 断裂力学的发展现状172.2.2 断裂韧度和应力强度因子的概念172.2.3 断裂力学的分类和研究内容182.2.4 岩石断裂研究存在的问题232.3 本章小结24第三章 含裂隙试件的断裂特性实验研究253.1 实验模型设计253.1.1 试件的制作253.1.2 实验准备和实验仪器283.2 实验过程303.3 实验结果分析303.3.1 裂隙试件的单轴抗压强度测试结果303.3.2 裂隙扩展角度的变化规律393.3.3 裂隙试件断裂特征规律393.4裂隙试件的断裂特征机理研究413.4 本章小结45第四章 含裂隙试件损伤特性检测实验研究474.1 实验模型设计474.1.1 试件的制作474.1.2 实验准备和实验仪器474.2 实验过程514.2.1 单轴压缩实验过程514.2.2 超声仪检测实验过程514.3 实验结果分析524.3.1 裂隙试件受压过程中超声波波形测试结果524.3.2 裂隙试件受压过程中超声波波形的变化规律534.3.3 裂隙试件受压过程中超声波波速测试结果554.3.4 裂隙试件受压过程中超声波波速的变化规律584.3.5 裂隙试件受压过程中超声波波速与应变的关系594.4 裂隙试件受压过程中内部损伤演化规律634.5 本章小结64第五章 完整试件的损伤断裂特征实验研究655.1 实验模型设计655.1.1 试件的制作655.1.2 实验准备和实验仪器655.2 实验过程675.2.1 单轴压缩强度实验675.2.2完整试件的损伤检测实验685.3 完整试件的实验结果分析685.3.1 完整试件的单轴压缩强度实验分析685.3.2 完整试件损伤检测的超声波波形实验结果705.3.3 完整试件损伤检测的超声波波形的变化规律735.3.4 完整试件损伤检测的超声波波速测试结果745.3.5 完整试件损伤检测的超声波波速与应变的关系765.4完整试件的损伤-断裂特征演化规律805.5本章小结80第六章 完整试件的损伤断裂转换机理研究836.1 损伤变量的定义836.2 损伤演变本构模型的建立856.2.1 损伤演变本构模型856.2.2 损伤模型反演值的对比分析886.3 损伤-断裂转换机理研究906.3.1 基于波速变化的损伤-断裂演化规律906.3.2 基于波速变化的损伤-断裂演化实验模型916.4 本章小结94第七章 结论与建议957.1 结论957.2 建议97致谢99参考文献101附录：在学期间发表的论文和取得的学术成果107第一章 绪 论第一章 绪论1.1 研究的目的和意义1.1.1 研究背景早在石器时代，人们为了生存，开始使用岩石制作工具，利用岩洞做居室；大约4700年前，岩石材料被用于古埃及金字塔的建造，高度可达146.5m；19世纪，铁路和公路的建造，导致岩石材料的应用越来越广泛；20世纪，土木工程、水利工程、采矿工程等建设项目都对岩石基础、边坡、隧道等工程提出了更高的要求；进入21世纪以来，因为有矿产资源勘测开发、能源开采、交通运输工程、城市建设和地下空间建造的必要（图1-1），岩石工程的规模愈来愈大，所涉及的岩石力学问题也越来越庞大和繁杂。 （a）煤矿开采图片 （b）隧道开挖图片 （c）石油开采图片 （b）地下商场图片图1-1 岩石工程建设项目图片岩石和岩体是岩石力学的直接研究目标。岩石是地壳的基本组成物质，它是在地质作用下，由矿物、岩屑按照某一规律凝集而成的自然地质体。岩体是指在一定工程范围之内的自然地质构造体，是地质演化的历史产物。岩体包涵结构面和结构体两个基本要素，岩体结构面是具有一定延展方向、厚度非常小的平面地质界面，包括岩层分界面和间断面；被岩体结构面分割而形成的块体，周围均被结构面所围裹，由不相同产状的岩体结构面切割而成的单元岩体称为岩质结构体。由于不连续间断面的存在，导致岩体的强度比岩石的强度低很多。岩石力学是在工程地质定性的基础上，定量地分析岩体稳定性和研究岩石材料在不同应力条件下产生变形和破坏的规律的一门学科。当前，我国正处于蓬勃发展的现代化工程项目建设阶段。特别是，中国长江三峡工程的大力建设和西部大发展的加速，在我们面前出现了大量岩石力学与岩土工程问题，给中国的岩石力学的发展创造了机遇和挑战。这些工程大多数建造在中西部山区，涉及很多庞大和繁杂的岩石力学难题。例如工程地质勘查与设计、施工和稳定性评价以及岩体加固都直接仰赖于岩体的强度和变形，岩体结构面的破坏特征规律的研究。许多工程实践发现，近乎所有工程岩体的失稳破坏都不是先前就存在的，由于初始裂纹或者裂隙缺陷的存在，岩石材料的裂隙缺陷尖端处极易发生应力集中的现象，从而导致应力场和位移场重新分布，在一定外部因素（荷载、温度和地下水等）作用下，引起裂纹缺陷起裂扩展，相应会引起材料结构性质的改变。随着裂隙缺陷的不断合并与延伸，最终致使岩石材料的宏观力学性能的衰化，形成损伤裂纹和宏观断裂。因此，利用岩石力学和损伤-断裂力学理论相结合的方法来研究含有初始缺陷的岩石材料，现在被认为是最有效的方法。1.1.2 研究的目的意义大多数岩石工程（岩石地基、桥墩、矿山隧道）都是处于受压状态，在受压过程中的岩石材料内部裂缝逐渐延伸和扩展，造成损伤的积累，随着压力的增加，微裂纹之间的产生交叉贯通现象，最终出现材料的断裂，导致工程岩体整体发生破坏，人民的生命财产安全受到严重损害。例如， 2012年4月14日，重庆市嘉华大桥南段鹅公岩立交桥下突发岩石垮塌事故，造成附近施工公司临时居住工棚倒塌，6人死亡。2013年5月6日，西安市地铁三号线的D3TJSC-12标段顶部突然发生坍塌，造成5名人员遇难，一人受伤。2014年3月27日，某省煤矿集团公司在山体掘进作业时，发生岩爆事故，6人被困。从以上事故实例可以看出，岩石损伤与断裂诱发的山体崩塌、滑坡以及隧道塌方事故每年都会发生，给我国带来巨大的经济损失和人员伤亡，更严重的影响着山区城镇、铁路和隧道的安全。因此，实施岩石材料损伤与断裂的实验研究是相当的重要，在工程实践中常常遇到受压岩石的变形断裂问题，岩石材料的变形断裂是其内部损伤裂纹扩大与合并的结果，损伤与断裂之间必然存在着一定联系。本论文以损伤与断裂之间的转换效应为着重点，深入研究单轴受压岩石材料的变形与断裂机理，对岩质区域的地质灾害的预防与控制提供重要的理论依据。1.2 国内外研究现状随着岩石力学的深入研究和发展，许多学者已经开始从定性描述岩石的宏观变形与破坏转变为建立基于弹性力学、损伤力学、断裂力学基础的力学研究和数值模拟。近年来，超声波技术以仪器体积小、操作快捷、判别缺陷清晰等优点，在检测结构的损伤缺陷中得到了广大学者的高度重视和青睐。超声波技术在研究岩石材料的损伤与断裂特性中也获得了惊人的成果。1.2.1有关岩石材料的损伤机理研究最先提出材料损伤机理“连续度”的概念的是Kachanov（1958）1，其后在1963年，“损伤因子”的概念被Rabotnov提出2，直到1977年，损伤力学（damage mechanics）的概念才被Jansen与Hult等人提出，一直沿用至今3，损伤力学理论取得重要进展。较早开始研究岩石材料的损伤机理的是Dougill等人，他们（1976）4,5提出“断裂面”的概念，用来描述岩石的脆弹塑性损伤力学行为，并建立了连续介质损伤模型。Mazars（1986）采用有限元法对岩石、混凝土等脆性材料进行细观分析，建立各向同性损伤本构模型6。Kachanov（1982）认为，可以从不同角度对岩石材料的损伤演化机理进行求解，基于此建立了以损伤柔度为求解公式的岩石损伤演化方程7。Feng（1993）等人根据相关理论推导，建议用微裂纹扩展区的概念，进行岩石、混凝土等类脆性材料的损伤形态的描述8,9。Krajcinovic和Fanalla（1986）是把集料看作集合的多面体，考虑裂纹扩展的各个侧面对宏观力学性能的影响，采用柔度等效张量的方法来描述微观界面扩展裂纹的传播规律10。在国内最先从事岩石材料的损伤研究工作和提出损伤分形理论的是谢和平（1991），他发展了第一个分形几何，并把它和岩石微观损伤与宏观断裂联系起来，定量阐述了类岩石材料的损伤行迹，提出了损伤分形理论11。杨更社等（1994）提出：以不同的岩石屈服准则为标准，基于岩石材料的损伤应变能释放率，把单轴压缩损伤变量和纯剪切损伤变量作为研究对象，探究了两者之间的关系12,13。缪协兴等（1995）以岩石的蠕变效应为研究对象，经过大量试验研究，用蠕变模量作为参数建立损伤方程，系统性的描述了岩石蠕变损伤历史14。百晨光等（1996）根据分形理论中分维的概念，基于微元强度分布函数Weibull分布假设，把岩石材料的损伤演化和初始缺陷分维数建立了关系，同时提出另一种本构关系15。张长庆等（1997）在岩石损伤CT扫描实验结果的基础上，将岩石材料损伤CT数和岩石损伤变量联系起来，创立了以损伤CT数为变量的岩石损伤公式16。温世游等（2000）基于岩石材料损伤模型，采用分形理论和损伤力学与相结合的方法，推导出节理岩体的本构损伤演变方程，定性分析反映岩体损伤程度的分形维数M与D的关系，最后给出了M、D的确定方法17。杨小林等（2001）为了探究爆破作用对岩石损伤程度的影响，对岩石爆破损伤力学特性进行了试验研究，阐释了岩石的细微观扩展规律以及爆破损伤特性18。朱珍德等（2003）讨论了刚性渗透水压力的恶化规律，着重探究了脆性岩石损伤劣化硬性的变化过程和岩石材料变形中渗透特征的演变规律，分析渗透水压作用下岩石的微观破裂力学机制19。张勇（2005）对不同含水率下红砂岩进行了单轴压缩实验和光学细观单轴压缩实验，得到岩石应力应变曲线、破坏形式、细观结构破坏的演化图像，建立了损伤力学理论为基础的细微观损伤演化本构模型20。吴献强等（2006）分析了荷载周期作用下岩石材料的疲劳损伤特性，把微观损伤演化的表现归纳为岩石宏观力学的疲劳损伤特性21。项向荣（2008）研究了以有限元分析方法为基础的爆破震动作用下围岩的损伤破坏特性，在此方法上建立了岩石爆破动态损伤演变模型22。贾善坡等（2009）运用连续介质损伤力学和不可逆热力学，建立了以修正的Mohr-Coulomb准则的泥岩弹塑性损伤本构演变模型23。周家文等（2010）研究了岩石材料的循环加载和卸载应力-应变曲线和断裂损伤力学特性，提出以应力-应变曲线为特征的一种损伤变量计算方法24。汪亦显等（2011）对脆性岩石板块损伤断裂演化进行模拟研究，在冲击荷载作用下的试验表明，裂缝的发生和发展有明显的孕育期，当入射能量达到临界值之前，重点突现的是裂缝的孕育生长，当达到临界值之后，就会产生宏观断裂失稳破坏，裂缝面积呈现负增加的趋势，断裂扩展区面积明显增加25。周峙等（2012）针对粉砂泥质岩进行了三轴试验研究，对岩岩试样的初始损伤特性进行了分析，将推导出的岩石微元强度作为参量，构建了岩石的损伤软化和断裂破坏全过程的本构模型26。赵闯等（2013）以损伤变量理论为基础，分析了不同围压下岩石的损伤变形和循环荷载作用下岩石的能量转化特征，揭示岩石破坏过程的能量转化规律27。杨建华等（2014）对统计损伤演变模型的使用，推导出了符合某种材料的弹塑性本构关系，模拟重复爆炸荷载作用下的圆形隧道全断面爆破过程当中岩体累积损伤效应28。以上学者的研究理论都为研究岩石材料的损伤开辟了新的道路，还有许多学者在岩石材料的损伤研究中作出了非常重要的贡献，由于篇幅问题都不在一一介绍。岩石的损伤破坏力学认定这种材料都或多或少地存在着原始的内部缺陷，这种岩石类材料的失稳破坏便是这些内部缺陷在外力荷载作用下的生长和演变的过程。探究在外荷载、温度效应与环境效应作用下，岩石类材料中微观缺陷、初始损伤孕育成形、发展延伸、汇集成宏观裂纹，致使岩石类材料的强度以及力学性质发生变化，就是损伤力学研究的课题。1.2.2有关岩石材料的断裂理论研究近年来，岩石材料的断裂力学理论和实验研究发展的特别快速，并广泛运用于许多大型工程的设计与施工中，岩石断裂力学的研究也越来越多，并取得新的成就。国外学者Brace和Bombolakis于1963年，Hoek等人于1965年通过实验详细的指出，在压应力作用下，原先存在于材料内部的单一微裂纹的伸展并不是宏观断裂失稳破坏的原因，而是各微裂纹、晶粒边界及孔洞会聚所导致的29,30。Price于1966年，首次将理论研究与实验分析相结合，用来分析构造运动中的脆性岩石类材料的断裂破坏现象31。Robertl将微裂隙的相互作用归结为雁型式、牵引式和裂纹、空穴式三种类型32。后来，研究者的注意力转移到雁式断裂结构的断裂力学机理研究中，如Segall等33,34，Horii35，Gramberg36、Aydin37和Olson等38都在岩石材料的断裂力学机制研究方面做出了卓越的贡献。国内众多学者也开展了实验室相似材料模型实验。宫能平等（1996）利用岩石类材料的拉伸弹性模量与压缩弹性模量实际上不相等的变形性质对液压破裂抗拉强度的计算公式作了修正39。朱维申等（1998）采用相似材料在双轴压缩荷载作用下进行实验模拟研究，分析了闭合雁形式裂缝的起始、延伸和岩桥的贯穿机理40。曾亚武等（2001）经过大量实验提出了弹塑性材料分叉研究的基本概念和基本理论，介绍了岩石材料受力变形和破坏过程中的一些典型的分叉现象，并判断了岩石材料的应力-应变曲线全过程的两类分叉点，通过算例验证了判断 41,42。李银平等（2003）根据岩石类材料的复杂性和异质性，分析了内张型滑动裂纹和单翼滑动裂纹这两种形状较为复杂的裂纹的应力强度因子43。姜福兴等（2004）采用边缘检测的方法，求解出在加载过程中岩石材料可能发生的破坏发展，并用构建的既定某一概率密度函数的模拟加载方式得到了可能的破裂结果44。胡柳青（2005）系统性的对冲击荷载作用下岩石破碎机理进行了研究，较全面的从微观、细观、宏观这三个基本层次分析了岩石断裂破碎过程的动力响应关系45。张平等（2006）与裂隙岩石类材料模型实验观察结果相结合，用细链模型和均匀化方法，将损伤的细观特征与宏观力学特征相结合，构建裂隙岩石类材料渐进破损局部化模型的理论公式46；黄滚（2007）为了研究岩石在断裂破坏过程中的变化规律，通过室内实验，采用混沌理论和非线性分叉理论相结合的方法，重点研究岩石的局部破坏特征和冲击地压作用下的混沌特性47。刘传孝等（2008）通过三轴MTS实验，利用在同一地点取得的不同大小尺度的岩石材料，从材料的断口痕迹、切割面的节理痕迹、现场断裂痕迹这3个标准层次分析研究了岩石材料的各个尺度（微、细、宏观）的分形机理48。谢海峰等（2009）建立了基于Drucker-Prager破坏准则的岩石剪切亚临界裂纹扩展长度公式49。吕涛等（2010）采用单一闭合裂纹构建了双轴压缩作用下的力学模型，总结出断裂初始角与岩石的抗压强度和抗拉强度的比值有关50。刘新荣等（2011）使用接触粘结模型中的微梁等效模型，导出了岩石断裂强度因子和颗粒流细观应力的相关表达式，构建了断裂韧度和强度参数关系的理论模型51。李夕兵等（2012）构建了岩石类材料的预制裂纹下的剪切压力渗流场与应力场相互作用的损伤断裂力学模型，推导出了裂纹尖端的应力强度因子演化方程52。高远等（2012）分析了岩石材料的动态力学性能以及动态破坏机理，发现花岗岩的动态断裂韧度和加载速率之间存在一定关53。任利等（2013）采用断裂力学相关理论修正了拉张压剪破坏准则，用推导的抗压强度求解公式对裂隙岩体的强度特征进行了分析，并讨论了裂隙倾角、裂隙长度、摩擦系数等参数对裂隙岩体抗压强度的响应机制54。赵延林等（2013）分析了单压荷载作用下的岩石类材料多裂纹体有序的断裂特性，采用数值模拟和室内试验证明了裂纹尖端的拉应变集中是诱发压剪型裂纹产生翼形裂纹的本质原因，并构建了含多裂纹岩石的翼形断裂扩展数值模型，并分析有序多裂纹体在压缩作用下的断裂破断机理55。邓华峰等（2014）通过对砂岩长期浸泡实验，分析了浸泡作用下砂岩的断裂力学特性和劣化机理，发现砂岩的断裂韧度具有明显的劣化趋势，劣化的趋势是先增加后降低呈，认为微观裂纹的扩展导致砂岩断裂韧度劣化的本质原因是浸泡作用所引起的56。综上所述，关于岩石材料的断裂研究大多都是从实验的角度去对岩石材料的断裂进行分析，大致研究内容包括：裂纹的起裂条件，在外载荷或者其他因素导致裂纹的扩展过程，发生断裂时裂纹的扩展程度。另外，结合实际工程的要求，还对带裂纹的岩石类材料哪种条件下发生破坏进行研究等。1.2.3超声波技术在岩石材料的损伤与断裂机理研究中的应用21世纪是高科技飞速发展的时代，例如航空航天技术、建设海上平台、桥梁的无损检测等的可靠性研究，都需要测量构件内部缺陷或残余应力。研究岩石材料的破坏，需要测量晶体滑移模式、内部应力、微裂纹的扩展等内部信息，用来解释破坏机理，并建立相关的力学模型。因此，发展岩石、混凝土、木板等非金属材料微观信息的检测技术是十分重要的。超声波具备配置精简、穿射能力强、检测范围广等优点，是一种重要的损伤检测工具，目前已经作为岩石材料损伤与断裂机理研究的重要技术设施。Brich（1960）研究了多种变质岩和火成岩的纵波波速随静水压力的变化，发现岩石的纵波波速与岩石的密度呈线性正相关特征57。Simmons（1964）在此基础上进一步分析了CaO含量对波速变化的影响，并得到了经验公式58。Walsh等人（1965）的研究发现，在单轴加载环境下，带有离散分布微裂纹的岩石呈现出横观的各向同性体，超声波波速在岩石中随荷载加大而加大，在裂纹扩展阶段随压缩荷载的的加大而减小59。Nur和Simmons针对花岗岩进行单轴压缩实验，实验表明弹性波速在花岗岩中的各向异性是应力引起的，压缩波的传播速度沿受力方向是最快的，剪切波则沿各个方向都不相同60。Willis（1980）对超声波在裂隙体中的传播特征进行了研究，认为传播模式是由狭缝长度与超声波的波长而定，还会产生折射、反射和散射等现象61。Freund（1992）研究了沉积碎屑岩的纵横波速随孔隙、粘土含量和围压共同作用的变化关系62。King等（1995）经过研究认为应力加载过程中微裂隙和裂隙的闭合直接影响到波速测试结果，剪切波速与垂直于其传播方向的微裂隙和裂隙闭合存在一定关系，这种关系与特定的岩石类型有关63。Khaksar（1999）的研究发现，干燥的含气砂岩层压缩波和剪切波波速与围压近似呈幂函数关系特征64。蔡忠理等（1989）研究了岩石在剪切、拉伸、压缩等不同受力条件下的破坏特性，以及和波形、振幅、波谱密度函数等各种声学参数之间的关系，揭示了不同应力条件下岩石的破裂特征65。裴正林等（1990）综合研究了岩石理想裂隙模型中超声波全波波形的变化特征，结合研究给出了裂隙形状与超声波首波、尾波及其耦合波的变化关系66。陈耕野等（1995）在基于岩石损伤裂隙声衰减的分析上，构建了衰减系数与损伤参数关系表达式，实行实验研究了玄武岩试样损伤应力与声衰减之间的关系67。刘新华（1997）通过大量室内岩石声波检测，检测结果表明，岩石纵、横波的大小可反映岩石部份物理力学特性68。赵明阶（1999）基于断裂力学基础理论，建立了在单轴和三轴加卸载过程的本构关系；利用波速和弹性常数提出了