积岩土结构的破坏以剪切为主， 失效以后的孔隙面积仍能承
力 补偿〔而摩擦力的大小 与 试样所受的围压有密切关系。 这样， 低围压「 的试样因摩擦力小而表现为软化型， 围压升
１ ． ０
担摩擦阻力引； 二是前面介绍的与断裂力学相结合， 建立含
１２ 一 条裂缝的等效连续介质模型引 。另外还有人从损伤的
Ａｐ ｎｎｏＨｄ ｕｃ ． ｇ ａ ｃ ｉ， ｇ ０４ －） －ｒ ｅ ｆ ｒｌ Ｅｇ ， ｌ Ｕｉｎ Ｂｌ １ ８ Ｃｉ ａ ｒ ｙａ ｉ ａ Ｔ ａ ａ ｔ ｅｎ ０ ｔ ｓ ｕ ｅｙ ｔ ｉ ０ ｈ
Ａｓａ Ｉｔｓ ｅｔ ｐ ｓ ｔ ｉｕｄｒ ｎｎ ｆｄｍｎｌ ｅｉ ｏｔ ｇ ｌｉｌ ｒｌｅｓ ｇ ｒｓ ｍｔｄｆ ｂ ｒ ｔ ｈ ｐｐｒ ｒｅ ｓｔ ｎ ｅｔｄ ｇ ａｅｔ ｐ ｐｒ ｓ ｅ ｏｃ ｍｔｉｓ ｘｔ ｔｏｅａｄ ｈ ｓ ｔ ｃ ｎ ａ ｈ ｅ ｎ ｔｅ ｎ ｓ ｉ ｕ ｉ ｅ ａ ａ ｎ ａ ｒ ｔ ｆ ｅ ｇａ ａ ａ ， ｉ ｈ ｉ ｎ ｅｏ ｏ ｏ ｅ ｈ ｏ ｅ ｉｎ ｅ ｒ ｔ ａａｓ ｏｔｉｄｏｍｉ ａ， ｗｄ ａｐ ｉｄＡ ｃ ｓｔｉ ｔｏ－ｂ ａ ｇｍｃ ｎｓ ｒ ｏ ｄ７ｅ ｉｃ ｃ ｔ ｈ ｎｙｓ ｅ ｅｒａｏ ｎｒ ｉ ｅ ａ ｐｒｓ ． ｗ ｔ ｔｅ ｒ ｒｋ ｅ ｈ ｉ ｉｐ ｐ ｅ． ｂ ｃ ｅｓ ｅ ｌｉ ｆ ｆ ｔ ｈ ｒ ｎ ｅｅ ｎ ｖ ｄ ａｅ ｎ ｏ ｉ ｖ ｈ ｙ ｅ ａ ｅ ａｃ ｓ ｓ ｈ ａ ｏ ｐ ， ｅ ｎ ｕ ｅ ｏ ｓ ｎ ｇ ｔ ｔｋ ｈ ｔｏ ｍ ｓ ｇ ｔ ． ｎ ａ ａ ｏｔ ｈ ｒ ｕ ｅｅ ａ ｎ ｓ ｆ ｅ ｅ ｓｄ ｄ ｅ ｙ ｇ
： 。｝ ＝（ｎ 、２ Ｐ ． ３
明 ｌ， Ｊ ．
１２ 剪胀性 ．
剪切作用下土的体积变化特性在 ２ 世纪３ ０ ０年代研究 砂土的临界孔隙此时已受到注意。到２ 世纪印年代初， ０ 土
兵有剪胀— 剪缩特性的观点已被普遍接受， 并在著名的剑
如枯土有絮凝结构、 蜂窝结构， 裂隙岩休有块裂结构、 碎裂结
构等川。岩土材料的结构性正是体现于胶结力在空间的系 统变化上。胶结力强的地方形成结构体， 如团粒或岩块， 胶 结力弱或无胶结的地方形成结构面， 如团粒之间的接触面或 岩块之间的节理面。因此， 天然岩土 材料可以抽象成为由结
草金项 日 国家 自然科学基金项 目（９７０９ ５９９０）
构体和结构面组成的结构性材料。
反之 则 表现 为软 化 塑， 图 如 ｚ１ 如果进 一 （） ， 步把左边 一 列弹簧代换成几列弹黄， 每列
１ 刁 卜 卜 卜 “ １ “ “ １ 人 ． ｅｓ ｅｓ ａ
的 胶结强度为ｑｎ则所得的 ／，
硬化型和软化型应力应 变曲
线将如图２中锯齿形曲线所
示（ 图中 。 ） ＝５ 图 １ 并列元件模型
关键词 岩土材料， 破损力学， 本构模１， ） ９结构性
ＢＲＥ ＡＫＡＧＥ ＥＣＨＡＮＩ Ｍ ＣＳ ＯＲ ＯＬＯＧＩ Ｆ ＧＥ ＣＡＬ
ＭＡＴ ＲＩ Ｓ Ｉ Ｃ Ｅ ＡＬ Ｂ ＡＳ Ｃ ＯＮＣＥ Ｔ ＧＯＡＬ Ｐ Ｓ， ＡＮＤ ＡＳ Ｔ Ｋ
Ｓｅ Ｚｕａｇ ｈｎ ｌ ｎ ｈｎ ｊｎ Ｃｅ Ｔ ｉ ｈｉ ｉ ｅ
桥模型中得到反映。岩石一般表现为剪胀， 或称扩容， 剪缩
ｔ 岩土材料的力学特性
１１ 压硬性 ．
珠硬性在西方文献中常称压力敏感性， 指材料的强度和 刚度随ｌ ｉ力的增大而增加。 卜 Ｍｈ Ｃｕ ｍ 抗剪强度法 列 ｏ －ｏ ｏｂ ｒ ｌ
现象不明显。 岩土材料的压硬性 和剪胀性球张量与偏张量 之间的交叉影响 ’ 一
１ 结构性 ． ３
哲学上结构指物质系统内各组成要素之间的相互联 系 和相互作用的方式。对岩土材料来说， 结构就是颗粒 ， 团粒 则就是ｆ硬性的明确表示 ｌ ． ］ 结 砂二 ＋ ｔ ｒ ａｒ ｇ ｐ （） 和块体的儿何排列和相互之间的力学作用。在生）学中， ］ 构性常指颗粒之间的胶结特性。无胶结的散粒 上 和胶结被 ｆ 学中刚度随围压增加而增大的规律常用下列 Ｊ ｂ 力 ａｕ ｎ 破坏以后的重塑粘 上常称无结构 Ｉ的土类。岩体则因断裂 ｔ 公式 表示 面的存在而形成结构。 （） ２ 借用毛泽东在矛盾论中的 一 句话．差异就足矛盾” 可 ‘ ， 以说． ‘ 差异就是结构” 。但是差异有两种， 种是随机变异； 尸为 人和。为两个参数。坚硬岩体的刚度受 。 大气压， 另一 种是系 统性的变化。显然只有后者才是结构性的根源 围ｌ的Ｉ响小明显， ｉ ｛ ｄ ｖ 但软岩的刚度随围压而变化的规律也较 这是因为天然的岩土材料是在漫长的地质过程中形成的， 例
胶结应力， 了为摩擦应力
４ 现有分析方法的局限性
４１ 有限元法 ．
岩卜 损伤力学仍把岩上材料当作连续介质， 有限元法仍 是主流分析方法。随机损伤理论 也仍用有限元法进 行分
５３ 代偿应变 ．
前面讲过 结构体破损引起的变形 ：是 一 种补偿变形，
以后将借用医学上的名词称为代偿应变。胶结应力由摩擦
与断裂力学的裂缝扩展准则类似， 破损力学首先要建立
结构体的破碎准则， 即在应力空间建立一个相当ｆ 结构体抗
破碎强度的破碎面
起Ｉ 许多新的方案的提出， 例如所谓的梯度塑ｒ理论就是当 ｔ ：
５２ 胶结应力和康擦应力 ．
破损力学中将放弃损伤力学中的有效应力概念。理由 有二， 是为Ｔ 避免与土力学中的有效应力名称相冲突； 二
是岩上材料损伤以后仍能承受摩擦阻力。因此， 损伤力学 与
中有效应力相当的部分将称为胶结应力， 而另 一 部分由摩擦 阻力分担的应力 将称为摩擦应力 按图 １ 所示的符号 ａ为
Ｋ ｙ ｄ ｇ ｋ ｃ ｍｔｉｓ ｍ ｋｇ ｍｃ ｎ ｓｃ ｓｕｖ ｍ ｄ ， ｔａ ｐ ｐ ｉ ｅ ｗ ｒｓ ｏ叻 ａ ａｒｌ ｂ ａ ｅ ｈ ｉ ， ｎｉｔｅ ｅ ｓ ｃ ｒ ｒ ｅ ｅ ｏ ｅ ｌ ａ ， ａ ｅ ａ ｃ ｏ ｔ ｉ ｏ ｌ ｔ ｕ ｌ ｒ ｓ ｅ ｔ ｏ ｒ ｏ ｔ
中国岩石力学与工程学会第 七 次学术大会论文集
中国
西安
２０ ． ０２９
岩土破损力学： 基本概念、 目标和任务‘
沈珠江 陈铁林
（ 清华大学水利水电」程系 北京 １ ０４ ＿ ０８ ０
摘 要 本文首先对岩土材料的基本特性、 分析理论和分析方法进行回顾和评述， 在此基础上 提议了 一 种有别于现有塑性力 １， １ 断裂力 学和损伤力学的新的数学模型理论— 岩土破损力学， 定义ｒ 这一理论的基本概念及其目 标和任务。
应力代偿的情况可分三种， 即硬化情况下的完全代偿， 软化 情况 下的部分代偿和受拉情况下的不能代偿厂
析’ 。 此新发展的分析方法， ｝ 如流形元法， 有限元法相 与 ｝只ｆｒ离散技巧和 匕 ｔ ｉ ： 插值方法上有所不同 但是， 常规有限
元法在分析脆性破坏引起的应变局部化方面遇到 ｒ 困难， 引
５４ 破碎准则和屈服准则 ．
土材料表现为硬化或软化取决于胶结力的丧失能否被摩擦
３ 岩土损伤力学 ． ３
损伤力学研究介质内因微裂隙和空洞的扩展引起有效
受力面积减小所导致的材料性质劣化问题。这 理论的关 键是建立损伤演化规律 即无效的孔隙面积的增长规律
研方［ 究 向１ ８
损伤力学引人岩土力学以后， 除了把岩体的节理裂隙当 作初始损伤外， 主要在两个方向作 ７ 改进。一是考虑到大体
地说， 天然岩 卜 材料的变形兼有弹性， 塑性和脆性三种成分， 可用山弹簧． 滑片和胶结杆三种元件组成的模型来说明。 如果结 构面的胶结作用
ｆ服面模型、 ｔ Ａ 边界面模型等一 系列弹塑性模型 ’ １ 。这些模型
能反映土的压硬性 和剪胀 性， 与其他领域的弹塑性模 型相 比， 自己的特色。但岩石塑ｒ力学却没有大的发展 ， 具有 Ｌ 除
图 ｚ 并列元件模型的应 力应变曲线
缩裂缝提出一个棋型以外ｈ， ｌ 几乎没有什么重要的进展。但
是岩土结构 总是大体积 的， 了拱 坝 支座等 个别 〔 除 程问题
但是． 卜 元件模型尚不能反映由坚硬结构体组成的节 以 理岩体可能产生的变形。为此， 上述双弹赞模型上述还必须 申联 个滑片元件以模拟由于节理面滑移引起的塑性变形，
高后摩擦力增大， 就转化为硬化型
当然， 岩」材料还有许多其它特ｒ， ｌ 例如各向异性、 流变
性等Ｉ但与 已 其 材料相比， 这些特性不如以上三个特性突
出， 所以此处不再讨论＿
３ 现有分析理论的局限性
３１ 岩土塑性力学 ．
１ ２ Ｄ ｋ 和Ｐ ｇ ｃ ｒ ｒｅ提出了 ９ 年，ｍ ｅ ５ ａｒ 适用于 岩十材料的屈服 准则和流动法则， 可以认为是建立岩土塑性力学的开端川．
了 ｍｋ－ａ ｒ 对Ｄ ｃ ｒｒｅ模型和二 ｅＰｇ 平面１ ｏ－ ｕｍ 准则作 ＿ ｈＣ ｌ ｂ 的Ｍ ｒ ｏｏ 一 些修正以及采用弹塑性节理单元外５１ ．， ６ 尚没有 一 个被厂
泛接受的新模型。另一方面， ｆ上塑ｆ力学中已提出过众 尽ｒ ｔ
忽略不ｉ， 十只考虑结构体内的 胶结作用， 同时假定结构体破
裂以前 只有弹性变形 ， 则岩 土
多的模Ｗ， ， 但这些模型不是只适用于重塑粘上， 就是针对散 粒性砂十， 没有 一 个模型能很好地反映天然土结构的脆性
破坏
材料由结构体和结构面共 ｒ Ａ ｝ 受 力的变形机理就可以用图 ！
的 双弹簧模型表示’ １ 厂当胶 结勺， 较小而摩擦力厂 较大
时， 双弹簧模吧的应力应变曲 线表现为硬化型， 如图 ２ａ； （）
此后， 土塑性力学获得较快的发展 ， 相继提出了剑桥模型 、 双
２ 岩土材料的变形机理
在土力 人们早就知道式（ 学中， Ｕ右边的凝聚成分 亡 和
摩 擦成分ａ ＇ ｔ 并不是同时发挥作用的。 ｇ Ｆ 结构性粘土的凝聚
勺 在变形很小时就达到峰值， 而摩擦力则要有相当的变形才 能充分发挥出来’。因此， ３ ｝ 由胶结引起的凝聚力具有脆性， 岩 块的脆性则表现更明枝。如果粘滞性暂时不加考虑， 一般