岩石断裂力学.pdfVIP

李世愚 尹祥础 岩石断裂力学 中国科学院研究生院 中国地震局地球物理研究所 二○○六年二月 序 言 断裂力学最初是从材料强度问题的研究中发展起来的。断裂力学的研究对象，是含有裂纹型 缺陷的固体材料中的应力分析、材料强度以及裂纹的扩展规律。它是近廿多年来迅速发展起来的 固体力学的一个新的分支。虽然时间很短，却在工程技术及许多科学领域中获得广泛的运用，成 为固体力学中一个极为活跃的部分。自上世纪 60 年代以来，断裂力学被引入地学中，较好地解释 了地震震源的低应力降和差应力引起岩石膨胀-扩容的现象, 成为震源物理学科发展的新起点。利 用断裂力学的方法与成果，研究地震及断层的产生与运动，已经成为国际地震学界的重要研究内 容。本教材的编写，就是为了满足这方面的教学与科研的需求。 岩石断裂力学是固体力学、统计力学、岩石力学和非金属断裂力学的结合。在论述岩石断裂 力学内容时，需要不断地引用这些基础内容。为了保证教材的系统性, 我们有针对性地吸收了部 分基础内容。考虑到扁椭圆裂纹模式在岩石力学中仍然在普遍采用，我们保留了椭圆孔周围应力 分布的内容。多年来的教学实践表明，在讲义中编入这些内容对于方便读者是十分必要的。我们 假定多数读者已经有一定的材料力学或弹性力学的基础, 但为了兼顾读者在基础上的差异，我们 在预备知识部分里将不加推导地介绍一些弹性力学的基本概念和基本公式。这方面基础较强的读 者可以作为复习。有关详细的论述在所有经典的弹性力学书籍中都可以查到。在课题进展部分， 我们也尽量详细地列出参考文献。 岩石断裂力学已经有许多优秀的著作和文献。本书力求博采众家之长，同时能反映该学科的 最新进展。在断裂力学部分，我们介绍了国内外有关线弹性断裂力学、非线性断裂力学、损伤导 致失稳研究的进展，也吸收了近年来本课题组在受压闭合裂纹的破裂、微破裂演化导致成核与失 稳、三维破裂、不同距离力源对破裂稳定性和止裂、断层之间的相互作用等问题上的实验与数值 模拟方面的研究成果。 岩石断裂力学所研究的对象实际是极为复杂的。为了研究方便，在线弹性断裂力学部分，我 们假定材料是连续、均匀、各向同性的。众所周知，这些假定和岩石的实际情况有较大差距。这 里的关键是如何把握其尺度。当我们所研究的是宏观断层时，其尺度远大于岩体不均匀的颗粒与 节理尺度，将断层两盘的岩体近似作为连续、均匀的介质还是可以的。但是，一旦涉及到更小尺 度的问题时，这种假定就不成立了。在深入到岩石断裂力学的部分时，对材料的连续、均匀的假 设就不成立了。在弹塑性断裂力学部分，就改进为非均匀、非线性、非弹性的模型。这正是学科 进步的历史。 破裂判据是断裂力学的核心问题。本书涉及到许多类型的判据，但迄今为止，还没有哪一个 判据能覆盖所有介质和所有尺度层次。任何一个判据只是在一定范围，一定尺度，一定层次上成 立。岩石断裂力学是门新学科，其中不成熟的东西远多于已有的结论性认识，因此还有更多值得 开拓的未知领域。本书各个章节的内容，主要采取介绍和讨论的形式。我们更多地注重的是提出 问题并启发读者去思考。 三维破裂是本书的重要特色。该项研究对于板内地震成因具有特别重要的意义。尽管在实验 和理论上已经取得了一定进展，但是在断层破裂问题上还有待于更多实际资料的充实。 关于应力符号问题，岩石断裂力学的基本理论来自与材料强度有关的断裂力学，习惯上以拉 应力为正，本教材前九章部分着重介绍弹性力学和断裂力学的基础知识，因此以拉应力为正。在 地学问题中的应力环境不同，以压应力为主，主要是面向工程和地学中的应用, 因此在第九章以 后部分章节的应力表示的符号中以压应力为正。为了不和统一的运算规则冲突，剪应力的正方向 ii 规定也仿照 Jaeger 和 Cook(1979)做了统一规定。 本书将作为中国科学院研究生院的教材，也可以作为高等院校有关专业的教学参考和有关研 究人员的参考。书中凡属有不正确的地方，希望能得到读者的批