岩石、混凝土损伤协同特征研究
于广明1 潘永战2,1 王国艳1,3
1.青岛理工大学土木工程学院,青岛,266033;
2.河南科技大学建筑工程学院,洛阳,471003;
3.辽宁工程技术大学力学与工程科学系，阜新,123000
摘 要:岩石、混凝土的力学性能在很大程度上取决于初始损伤。现有的损伤力学研究观点和理论都是基于某种：假定(或简化)对岩石、混凝土损伤演化进行研究，很难从本质上对混凝土损伤演化过程进行描述。本文尝试从系统的观点出发，采用热力学和协同学的基本理论和方法研究岩石、混凝土受载条件下的损伤演化问题。应用协同学的绝热消去法得到了岩石、混凝土材料考虑初始损伤条件下的非线性力学模型,研究岩石、混凝土破坏过程中的相变问题,并加以深入分析，获得了岩石、混凝土材料受载破坏过程中裂纹的平均取向规律,揭示了岩石、混凝土破坏过程中的声发射现象和体征规律,并应用数值模拟验证了理论分析的正确性。初步建立了岩石、混凝土协同破坏理论框架。通过研究,有望得到岩石、混凝土损伤演化过程、本构关系等更本质的描述,为进一步研究岩石、混凝土损伤演化问题指明了方向。
关键词：岩石 混凝土初始损伤 协同演化
1引言
材料的损伤和破坏是一类极为普遍的现象,也是当前力学界与工程界均十分关注的一个焦点。似乎可以认为,它与湍流并列,堪称力学中最复杂、最困难的两大难题,也是非线性科学中两个重要范例。虽然对材料损伤和破坏问题已进行了多年、广泛的研究,但大多数基本问题仍未找到令人满意的答案。事实上,损伤问题跨越了固态物质从原子键断裂到固体出现宏观分离,高达100多倍的尺度差异，哪些尺度上的哪些因素对宏观破坏是不可忽略的重要因素,至今尚不十分清楚。
在损伤演化过程中，出现在细观层次的过程包括微损伤的成核、扩展、连接及愈合等不同类型的过程。一般而言,这些过程既受确定性动力学控制、又受无序性因素影响。在各种不同的条件下,有时有些过程基本上呈现为一种随机过程,而有些过程则主要表现为一种确定性的动力学过程。不同的元过程通常需采用不同的描写方法。原则上,材料损伤问题可采用基本的微观模型,从分子、原子出发，用传统的统计物理方法处理。但是，材料的损伤,尤其是有外应力作用的情形,通常是远离平衡条件下的演化现象。在这种情形下，宏观现象与微观运动之间没有简单的联系。
作为一种非均匀的多相介质，混凝土材料由于成型工艺、养护条件等原因,在构件承载之前,混凝土不同层次的相界面及水泥浆本身,已经存在着大量的由干缩及凝结硬化所引起的各种尺度的随机分布裂纹,即初始损伤。对于岩石材料,在我们所研究的荷载施加之前，在岩石内部也大量存在具有一定方向、宽度、间距和迹长的随机分布的不连续结构面。这些材料初始缺陷不仅在荷载作用下进一步扩展,而且对岩石、混凝土材料破坏起着关键性的控制作用。
基于岩石、混凝土材料破坏的以上特征，外界条件的复杂性，以及岩石、混凝土材料自身的非线性，这些都导致采用常规研究方法时，损伤的动态演化规律的研究十分困难[1-2]。传统的观点将混凝土受载破坏的过程看作外力作用的结果进行研究。然而，研究损伤演化所考察的系统，通常处于远离平衡的条件下，损伤的演化过程中一般包含互相耦合的多种非线性过程,涉及从微观到宏观各种尺度的过程,是多尺度、多层次子系统之间的相互耦合。单纯的细观理论和只涉及宏观描述的唯象理论并不能充分反映损伤演化的机理。损伤演化过程是材料内包,含各种不同尺度、不同类型的复杂微结构自身演化的一种群体效应，依赖于复杂微结构的集体相互作用。从本质上来说，材料的力学性能是其微结构在自组织状态下对作用的一种反应。本文尝试应用协同学的处理方法，从岩石、混凝土材料破坏过程中的相变、声发射等特征参量的变化特征来研究材料破坏过程。
