《凍土斷裂破壞準(zhǔn)則及其試驗(yàn)研究》主要從斷裂力學(xué)理論出發(fā)，在考慮凍土自身特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，建立凍土破壞的統(tǒng)一模式，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)原狀凍土的Ⅰ型、Ⅱ型斷裂韌度測(cè)試及對(duì)翼型裂紋試樣研究，得到其對(duì)試樣斷裂韌度值影響的規(guī)律。此外，針對(duì)原狀凍土的非線性斷裂破壞，充分考慮凍土特有的膠結(jié)力作用，提出凍土非線性膠結(jié)力斷裂破壞模型，然后對(duì)表征膠結(jié)力裂紋模型的裂紋尖端張開位移表達(dá)式及裂紋尖端擴(kuò)展表達(dá)式進(jìn)行推導(dǎo)計(jì)算，再結(jié)合有限元法，提出一種新的計(jì)算方法，從而為凍土工程應(yīng)用提供更堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。
《凍土斷裂破壞準(zhǔn)則及其試驗(yàn)研究》可供從事凍土力學(xué)及凍土工程方面的科學(xué)研究與工程技術(shù)人員參考，也可作為相關(guān)專業(yè)的研究生、本科生的教學(xué)參考書。
序
前言
第1章緒論1
1.1研究背景及意義1
1.1.1研究背景1
1.1.2研究目的及意義3
1.2斷裂力學(xué)理論及其應(yīng)用現(xiàn)狀4
1.2.1線彈性斷裂力學(xué)理論4
1.2.2彈塑性斷裂力學(xué)理論5
1.2.3斷裂力學(xué)對(duì)復(fù)雜材料的應(yīng)用研究5
1.3凍土力學(xué)研究現(xiàn)狀7
1.4凍土斷裂力學(xué)研究現(xiàn)狀9
第2章凍土斷裂破壞準(zhǔn)則研究11
2.1凍土傳統(tǒng)抗剪強(qiáng)度理論11
2.1.1莫爾-庫(kù)侖強(qiáng)度理論11
2.1.2莫爾-庫(kù)侖強(qiáng)度理論存在的局限性13
2.2斷裂力學(xué)理論對(duì)凍土材料的適用性13
2.2.1凍土材料自身的適用性14
2.2.2滿足小范圍屈服的條件17
2.2.3實(shí)際工程問(wèn)題中的適用性18
2.3凍土斷裂破壞準(zhǔn)則19
2.4凍土斷裂破壞準(zhǔn)則研究的問(wèn)題23
2.4.1張拉強(qiáng)度破壞問(wèn)題23
2.4.2剪切強(qiáng)度破壞問(wèn)題24
2.4.3拉、剪復(fù)合型強(qiáng)度破壞問(wèn)題24
2.4.4壓縮斷裂強(qiáng)度破壞問(wèn)題24
2.5小結(jié)26
第3章凍土彎曲斷裂韌度試驗(yàn)研究27
3.1原狀凍土現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法27
3.1.1現(xiàn)場(chǎng)取土27
3.1.2試樣初始裂紋的制作28
3.1.3試樣裂紋長(zhǎng)度的測(cè)量28
3.1.4試驗(yàn)裝置29
3.2原狀凍土斷裂韌度測(cè)試原理29
3.2.1I型斷裂韌度KIC測(cè)試原理29
3.2.2II型斷裂韌度KIIC測(cè)試原理31
3.2.3復(fù)合型斷裂韌度測(cè)試原理32
3.3大連地區(qū)原狀凍土斷裂韌度測(cè)試試驗(yàn)33
3.3.1土質(zhì)分析33
3.3.2凍結(jié)歷史的確定33
3.3.3I型斷裂韌度KIC測(cè)試結(jié)果34
3.3.4II型斷裂韌度KIIC測(cè)試結(jié)果36
3.3.5復(fù)合型斷裂韌度測(cè)試結(jié)果37
3.4沈陽(yáng)地區(qū)原狀凍土斷裂韌度測(cè)試試驗(yàn)37
3.4.1土質(zhì)分析37
3.4.2凍結(jié)歷史的確定38
3.4.3I型斷裂韌度測(cè)試結(jié)果39
3.4.4II型斷裂韌度KIIC測(cè)試結(jié)果40
3.4.5復(fù)合型斷裂韌度測(cè)試結(jié)果41
3.5室內(nèi)重塑凍土斷裂韌度的測(cè)試41
3.5.1試驗(yàn)方法42
3.5.2斷裂韌度試驗(yàn)43
3.6現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與室內(nèi)測(cè)試結(jié)果比較49
3.6.1斷裂韌度KIC的比較49
3.6.2斷裂韌度KIIC的比較50
3.7凍土非線性應(yīng)變能釋放率測(cè)試51
3.7.1凍土非線性斷裂韌度（應(yīng)變能釋放率GC）的測(cè)試原理51
3.7.2凍土非線性斷裂韌度測(cè)試結(jié)果54
3.8凍土非線性斷裂韌度J～I(xiàn)C及J～I(xiàn)IC試驗(yàn)58
3.8.1凍土非線性斷裂韌度測(cè)試原理59
3.8.2試樣制作及試驗(yàn)裝置62
3.8.3原狀凍土非線性斷裂韌度試驗(yàn)結(jié)果62
3.8.4兩種方法試驗(yàn)結(jié)果的比較分析64
3.9小結(jié)65
第4章凍土壓縮斷裂韌度試驗(yàn)研究66
4.1翼型裂紋壓縮斷裂模型66
4.2試驗(yàn)原理67
4.2.1壓裂斷裂模型試驗(yàn)原理(方法一)67
4.2.2壓剪斷裂模型的試驗(yàn)原理(方法二)68
4.3試驗(yàn)設(shè)計(jì)70
4.3.1試樣制備70
4.3.2試樣初始裂紋的制作70
4.3.3試驗(yàn)裝置71
4.3.4測(cè)試數(shù)據(jù)71
4.4對(duì)試驗(yàn)原理（一）所得結(jié)果的討論75
4.4.1斜裂紋角度對(duì)KIC值的影響75
4.4.2試驗(yàn)溫度對(duì)KIC值的影響77
4.4.3試樣加載速率對(duì)KIC值的影響78
4.5對(duì)試驗(yàn)原理（二）所得結(jié)果的討論79
4.5.1斜裂紋角對(duì)KIC和KIIC值的影響79
4.5.2試驗(yàn)溫度對(duì)KIC和KIIC值的影響81
4.5.3試樣加載速率對(duì)KIC和KIIC的影響83
4.6兩種方法結(jié)果比較84
4.6.1斜裂紋角對(duì)KIC值影響的比較84
4.6.2試驗(yàn)溫度對(duì)KIC值影響的比較86
4.6.3試樣加載速率對(duì)KIC值影響的比較87
4.7原狀凍土的壓縮試驗(yàn)89
4.7.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)89
4.7.2試樣制作89
4.7.3試驗(yàn)裝置89
4.7.4測(cè)試結(jié)果90
4.8小結(jié)91
第5章凍土非線性斷裂破壞的膠結(jié)力裂紋模型及其特征值計(jì)算92
5.1凍土微裂紋尺寸的觀測(cè)與識(shí)別93
5.1.1凍土中微結(jié)構(gòu)的觀測(cè)與微裂紋識(shí)別93
5.1.2凍土中微裂紋尺寸的確認(rèn)95
5.2凍土裂紋尖端微裂紋損傷區(qū)形貌測(cè)試分析98
5.2.1微裂紋損傷區(qū)觀測(cè)試驗(yàn)99
5.2.2微裂紋損傷發(fā)展過(guò)程分析100
5.2.3凍土的微裂紋損傷區(qū)的理論計(jì)算102
5.2.4微裂紋損傷區(qū)轉(zhuǎn)化當(dāng)量裂紋尺寸的計(jì)算104
5.3凍土張拉破壞的膠結(jié)力裂紋模型105
5.4凍土壓縮破壞的膠結(jié)力裂紋模型106
5.4.1翼型裂紋試樣的宏觀斷裂過(guò)程研究107
5.4.2翼型裂紋壓縮斷裂模型108
5.5膠結(jié)力裂紋模型特征值計(jì)算110
5.5.1膠結(jié)力裂紋模型裂紋尖端位移場(chǎng)解析表達(dá)式110
5.5.2裂紋尖張開位移表達(dá)式115
5.5.3裂紋擴(kuò)展位移表達(dá)式117
5.6小結(jié)120
第6章凍土非線性斷裂破壞數(shù)值模擬121
6.1斷裂力學(xué)主要的算法研究121
6.1.1數(shù)值計(jì)算方法121
6.1.2半解析數(shù)值方法的研究126
6.2凍土非線性斷裂過(guò)程的數(shù)值模擬的計(jì)算方法127
6.2.1張拉型及壓縮型的破壞過(guò)程數(shù)值模擬方法127
6.2.2 I-II混合型的數(shù)值模擬130
6.3數(shù)值算例133
6.3.1三點(diǎn)彎曲梁模型133
6.3.2壓縮模型結(jié)果135
6.3.3 I-II復(fù)合型斷裂試樣的數(shù)值模擬結(jié)果137
6.4小結(jié)138
第7章結(jié)論139
7.1研究的主要結(jié)論139
7.2主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)141
7.3不足及后續(xù)研究建議143
參考文獻(xiàn)146
第1章緒論
根據(jù)工程斷裂力學(xué)中應(yīng)力強(qiáng)度因子理論［1］，將斷裂韌度引入凍土中，針對(duì)凍土這種同時(shí)包含固、液、氣三相體的極其復(fù)雜的材料，斷裂力學(xué)思維的引入［2］，同時(shí)運(yùn)用試驗(yàn)手段對(duì)原狀凍土、重塑凍土進(jìn)行各種模型的線性和非線性測(cè)試，能夠從斷裂力學(xué)的角度研究?jī)鐾林袛嗔训陌l(fā)生、發(fā)展和破壞的機(jī)理，從而在豐富和發(fā)展現(xiàn)有凍土力學(xué)研究的基礎(chǔ)上，擴(kuò)大凍土力學(xué)的研究領(lǐng)域，這必將為凍土工程的設(shè)計(jì)、施工及工程凍害評(píng)價(jià)和防治提供新的方法和手段，這已成為凍土力學(xué)新的研究課題和方向。
1.1研究背景及意義
1.1.1研究背景
凍土是一種溫度低于零攝氏度且含有冰的土巖，是由固體礦物顆粒、理想塑性的冰包裹體（膠結(jié)冰和冰夾層）、未凍水（薄膜結(jié)合水和液態(tài)水）、氣態(tài)成分（水蒸氣和空氣）組成的典型的非均勻多相顆粒材料。由于凍土各相混合體之間的相互作用，凍土表現(xiàn)出的力學(xué)性能也非常復(fù)雜。凍土中膠結(jié)冰的存在，使得凍土的物理力學(xué)性質(zhì)強(qiáng)烈依賴于溫度，這一點(diǎn)與相應(yīng)的融土不同。凍土變形過(guò)程中微結(jié)構(gòu)的掃描電鏡及電子計(jì)算機(jī)X射線斷層掃描技術(shù)（computed tomography，CT）分析表明，在受載之前，凍土內(nèi)部已經(jīng)存在大量的空隙、洞隙和管狀空隙，組構(gòu)單元與礦物顆粒呈無(wú)序化分布。在外荷載作用下，土顆粒表現(xiàn)出明顯的定向排列趨勢(shì)，與外荷載作用方向垂直的原生裂縫閉合。隨著荷載的增加，新的微裂紋就會(huì)萌生和擴(kuò)展。如果荷載進(jìn)一步增加，微裂紋將進(jìn)一步發(fā)育和擴(kuò)展成宏觀裂紋，并*終導(dǎo)致凍土材料的破壞。
地球上凍土地區(qū)相當(dāng)廣泛，大多集中在俄羅斯、加拿大等高緯度國(guó)家，我國(guó)也是凍土資源極其豐富的國(guó)家之一，其中多年凍土占國(guó)土面積的22%左右［3］。主要分布在東北、西北、華北地區(qū)，這些地區(qū)蘊(yùn)藏著豐富的森林、礦藏資源，對(duì)這些資源的充分合理開發(fā)和利用，將對(duì)人類的生存和發(fā)展起到至關(guān)重要的作用。因此，在資源日漸匱乏的今天，凍土的存在及演變已經(jīng)在人類的生產(chǎn)活動(dòng)、生存環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展中扮演著越來(lái)越重要的角色。例如，在工業(yè)與民用建筑中，出現(xiàn)了建筑物的凍脹破壞，地基基礎(chǔ)由于多年凍土層的消失產(chǎn)生了沉陷，輸水涵渠的基礎(chǔ)也出現(xiàn)凍脹或融沉破壞；在交通運(yùn)輸工程中，出現(xiàn)了凍脹造成的道路路面裂縫、破碎、積水及路基破壞，凍土退化造成的路面塌陷，以及橋梁橋墩凍拔隆起，機(jī)場(chǎng)跑道及停機(jī)坪的基礎(chǔ)破壞等。特別是在我國(guó)實(shí)施的西部大開發(fā)戰(zhàn)略中的青藏鐵路和青藏公路建設(shè)中，凍土及凍土環(huán)境問(wèn)題是其中的重要環(huán)節(jié)。這些影響在北方地區(qū)的水工建筑物工程中表現(xiàn)得尤為突出，無(wú)論哪種水工建筑物總是在水中才發(fā)揮作用，可是到了冬季特別是天氣突然降溫時(shí)，由于存在于水工建筑物本身的縫隙以及基礎(chǔ)土壤、巖石等縫隙中的大量水分還沒(méi)來(lái)得及蒸發(fā)就結(jié)冰，導(dǎo)致體積膨脹，造成建筑物凍脹或融沉破壞，此種情況若不及時(shí)防護(hù)或維修，將對(duì)其第二年發(fā)揮作用產(chǎn)生重大隱患，甚至給國(guó)家和人民帶來(lái)無(wú)法估計(jì)的損失，如圖1.1和圖1.2所示。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，凍融現(xiàn)象的反復(fù)出現(xiàn)導(dǎo)致這些地區(qū)土地的鹽漬化，從而給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成困難；在生態(tài)環(huán)境方面，人類活動(dòng)影響及氣候變化導(dǎo)致凍土帶的退化，*終影響凍土地區(qū)的分布和凍土地區(qū)生態(tài)環(huán)境平衡。這些都給人類的生產(chǎn)和生活帶來(lái)了極大的影響，阻礙了經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步。
圖1.1擋墻及渠道凍害破壞
圖1.2橋和樁凍害破壞
目前國(guó)內(nèi)外對(duì)凍土強(qiáng)度破壞問(wèn)題的研究，已取得長(zhǎng)足的進(jìn)展，現(xiàn)有強(qiáng)度理論雖然已廣泛應(yīng)用于工程實(shí)際，但都還存在明顯的不足和局限性。例如，剪切強(qiáng)度理論及蠕變理論，都沒(méi)有把凍土的凍脹特性反映出來(lái)，這就把凍土力學(xué)所特有的凍脹問(wèn)題給忽略了，失去了凍土力學(xué)自身的特點(diǎn)；其次是沒(méi)有把凍土自身客觀存在的多種缺陷作為主要參量加以考慮，因?yàn)閮鐾潦嵌嘞囿w復(fù)合材料，因而存在著大量微裂隙、孔穴以及土顆粒與冰晶之間的薄弱點(diǎn)等多種缺陷，它們的存在制約著凍土的宏觀性質(zhì)和強(qiáng)度特性。現(xiàn)有理論存在的不足致使目前對(duì)強(qiáng)度破壞理論的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足寒區(qū)工程建設(shè)的需要。另外，凍土力學(xué)正面臨著前所未有的新挑戰(zhàn)，大量的寒區(qū)工程的開發(fā)（如青藏鐵路工程、南水北調(diào)工程等）以及氣候、環(huán)境條件的全球新變化，均給凍土力學(xué)提出了一系列亟待解決的新課題。因此，發(fā)展學(xué)科新的生長(zhǎng)點(diǎn)，建立與發(fā)展凍土力學(xué)的新理論勢(shì)在必行。有鑒于此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者相繼開展了凍土損傷理論、凍土斷裂力學(xué)理論以及熱力學(xué)和分形理論等新理論和新技術(shù)的研究，從新的角度研究?jī)鐾恋姆蔷�性本構(gòu)關(guān)系、強(qiáng)度理論和破壞準(zhǔn)則，已成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外凍土力學(xué)理論研究的一大趨勢(shì)。20世紀(jì)80年代開始了凍土斷裂力學(xué)的研究，但到目前為止，還只限于凍土脆性破壞和線彈性斷裂問(wèn)題，如建立了脆性破壞的斷裂準(zhǔn)則，進(jìn)行了線彈性斷裂韌度的測(cè)試研究等。但是凍土從本質(zhì)上說(shuō)是非線性的，是非均質(zhì)的黏彈性（或黏塑性）體，不但具有明顯的塑性，而且具有明顯的蠕變性，故其變形和破壞過(guò)程都具有明顯非線性，線彈性斷裂研究有局限性，必須研究非線性斷裂破壞問(wèn)題。
也正是在此大背景下，將斷裂力學(xué)引進(jìn)凍土力學(xué)中來(lái)，才能促進(jìn)凍土科學(xué)的創(chuàng)新和發(fā)展，同時(shí)，凍土科學(xué)的創(chuàng)新和發(fā)展又會(huì)對(duì)人類開發(fā)利用凍土地區(qū)提供理論指導(dǎo)，為人類的生存與發(fā)展作出貢獻(xiàn)。
1.1.2研究目的及意義
從上述出發(fā)點(diǎn)考慮問(wèn)題，本書的基本目的：基于凍土體的非線性本質(zhì)，充分考慮凍土特有的黏聚力的作用和凍土自身存在的大量缺陷，利用非線性斷裂力學(xué)理論原理，對(duì)凍土的破壞過(guò)程從宏觀、細(xì)觀相結(jié)合的角度去研究，建立有關(guān)的物理模型和力學(xué)理論，建立全新的凍土非線性斷裂破壞準(zhǔn)則，提出非線性斷裂參數(shù)計(jì)算的半解析有限元法，從而發(fā)展凍土非線性斷裂破壞的基本理論，增強(qiáng)處理實(shí)際工程問(wèn)題的實(shí)用性，以便對(duì)因素多、環(huán)境差、條件苛刻、要求高的凍土工程做出準(zhǔn)確可靠的決策。克服現(xiàn)有強(qiáng)度破壞理論的不足，考慮黏聚力的作用和凍土自身的缺陷，充分體現(xiàn)凍土力學(xué)特有的問(wèn)題；克服線彈性斷裂破壞的局限性，充分考慮凍土體的非線性特征；建立非線性斷裂模型和破壞準(zhǔn)則，引進(jìn)非線性斷裂參量和非線性斷裂韌度，提出解析法與有限元法相結(jié)合的一種算法，可進(jìn)行斷裂過(guò)程計(jì)算和非線性斷裂參量計(jì)算。
凍土非線性斷裂破壞準(zhǔn)則的研究，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)學(xué)科的交叉，發(fā)展了凍土力學(xué)新的生長(zhǎng)點(diǎn)，拓寬了凍土力學(xué)的研究?jī)?nèi)容。因此，有關(guān)非線性斷裂準(zhǔn)則的建立、非線性斷裂的測(cè)試方法和技術(shù)、非線性斷裂參量的計(jì)算以及非線性斷裂準(zhǔn)則在工程中的應(yīng)用等一系列問(wèn)題，均處于學(xué)科前沿課題。面向21世紀(jì)的凍土力學(xué)和凍土工程科學(xué)的發(fā)展，建立先進(jìn)的理論和方法，是本學(xué)科發(fā)展的必然趨勢(shì)，對(duì)寒區(qū)資源開發(fā)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義。
1.2斷裂力學(xué)理論及其應(yīng)用現(xiàn)狀
從20世紀(jì)二三十年代開始，斷裂事故在人們的生產(chǎn)生活中頻繁發(fā)生，給人類社會(huì)造成了巨大的損失。全焊接鐵橋無(wú)任何異常現(xiàn)象時(shí)突然斷裂倒塌、輪船因斷裂造成的事故屢屢出現(xiàn)、飛機(jī)在飛行的過(guò)程中機(jī)翼突然脫落等等，當(dāng)時(shí)人們對(duì)上述事件利用傳統(tǒng)的材料、力學(xué)理論難以給出正確合理的解釋，事后研究表明：結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞的原因是由于材料本身存在著各種缺陷和宏觀裂紋，這些缺陷和宏觀裂紋的存在明顯降低了結(jié)構(gòu)材料本身的實(shí)際強(qiáng)度。這種裂紋可能是冶金缺陷，也可能是在加工的過(guò)程中、使用過(guò)程中產(chǎn)生的，對(duì)于大多數(shù)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，這種缺陷和裂紋是不可避免的［4］。后來(lái)隨著現(xiàn)代生產(chǎn)的發(fā)展，許多新材料、新產(chǎn)品、新工藝不斷出現(xiàn)，為了解決其在工程實(shí)際中的斷裂問(wèn)題，斷裂力學(xué)應(yīng)運(yùn)而生。因此，可以說(shuō)斷裂力學(xué)是從生產(chǎn)實(shí)踐中產(chǎn)生和發(fā)展起來(lái)的一門學(xué)科。它是在繼承了傳統(tǒng)的彈性力學(xué)、塑性力學(xué)和黏彈性力學(xué)等學(xué)科理論的同時(shí)，克服了傳統(tǒng)力學(xué)理論中物體的連續(xù)性假設(shè)，承認(rèn)物體中是含有缺陷和裂紋的，并從這一前提出發(fā)，確定含裂紋體的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)分布，以此找出決定裂紋擴(kuò)展的物理量。同時(shí)，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定出材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力，并建立兩者之間的關(guān)系。它補(bǔ)償了傳統(tǒng)理論的不足和不合理之處，成為現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)方面的有力工具。
1.2.1線彈性斷裂力學(xué)理論
早在1920年，英國(guó)的物理學(xué)家Griffith在對(duì)玻璃的斷裂研究中便提出來(lái)斷裂力學(xué)概念。Griffith用材料內(nèi)部有缺陷（裂紋）的觀點(diǎn)解釋了材料實(shí)際強(qiáng)度要小于理論強(qiáng)度的現(xiàn)象，同時(shí)當(dāng)裂紋受力時(shí)，如果裂紋擴(kuò)展所需的表面能小于彈性能的釋放值，則裂紋就擴(kuò)展直至斷裂破壞。這一理論在對(duì)玻璃的斷裂研究中得到證實(shí)，可該理論只適用于完全彈性體，即完全脆性材料，所以沒(méi)得到發(fā)展。1921年，Griffith又提出了能量釋放理論，即G準(zhǔn)則。認(rèn)為一旦含裂紋的脆性材料物體的能量釋放率等于表面能，裂紋就會(huì)失穩(wěn)擴(kuò)展，導(dǎo)致脆斷。Griffith建立的脆性材料斷裂理論，為斷裂力學(xué)奠定了理論基礎(chǔ)［5，6］。1948年，Irwin等分別對(duì)Griffith理論進(jìn)行了修正，指出將裂紋尖端區(qū)的塑性功計(jì)入耗散能后，就能將其應(yīng)用到金屬材料中。1957年，Irwin提出了應(yīng)力強(qiáng)度因子理論和斷裂韌性概念，建立了臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子準(zhǔn)則，即K準(zhǔn)則，從而奠定了線彈性斷裂力學(xué)的理論基礎(chǔ)。線彈性斷裂力學(xué)（linear elastic fracture mechanics， LEFM）既適用于線彈性材料的斷裂分析，又適用于裂紋尖端具有小范圍屈服的情況。所謂小范圍屈服就是指裂紋尖端附近雖然達(dá)到塑性變形狀態(tài)，但是只要塑性區(qū)尺寸遠(yuǎn)小于研究對(duì)象尺寸，而在塑性變形局部區(qū)以外的整體仍為彈性變形狀態(tài)的情況。
1. 能量釋放率準(zhǔn)則
能量釋放率準(zhǔn)則可以簡(jiǎn)單表示為如下形式：
G≤GC（1.1）
其中，G代表能量釋放率，其表達(dá)式為
式中，A為裂紋面積；Ue為彈性應(yīng)變能；下標(biāo)Δ為恒位移條件。G的量綱為N/m，其物理意義為單位厚度上的裂紋擴(kuò)展力，與荷載、裂紋的幾何尺寸、應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。GC為材料對(duì)裂紋臨界擴(kuò)展的抗力，可由試驗(yàn)測(cè)定，代表著材料的性質(zhì)。
當(dāng)G2. 應(yīng)力強(qiáng)度因子理論
應(yīng)力強(qiáng)度因子理論可簡(jiǎn)單表達(dá)為如下形式：
K≤KC（1.3）
式中，K為應(yīng)力強(qiáng)度因子，表征裂紋尖端附近應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)弱的**參數(shù)，MN/m3/2或MPa m1/2。關(guān)于應(yīng)力強(qiáng)度因子的計(jì)算，可以采用有限元法［1］或者查閱相關(guān)的應(yīng)力強(qiáng)度因子手冊(cè)［7］。KC稱為斷裂韌度，它表征材料抵抗脆性開裂的能力，是材料的本身性質(zhì)，可由試驗(yàn)測(cè)定［8］。當(dāng)K1.2.2彈塑性斷裂力學(xué)理論
對(duì)于彈塑性材料，當(dāng)受到外部荷載作用時(shí)，在材料的裂紋尖端附近將產(chǎn)生塑性變形，即所謂的大范圍屈服現(xiàn)象，此時(shí)，線彈性斷裂力學(xué)理論不再適用，為此Wells、Rice和Hutchinson、Rosengren等分別建立了J積分原理和彈塑性裂紋尖端HRR奇性場(chǎng)，為彈塑性斷裂力學(xué)奠定了理論基礎(chǔ)［9］。彈塑性斷裂在裂紋發(fā)生起始擴(kuò)展（起裂）后還要經(jīng)過(guò)亞臨界擴(kuò)展（穩(wěn)定擴(kuò)展）階段，達(dá)到一定長(zhǎng)度后才發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展破壞。相應(yīng)的彈塑性斷裂準(zhǔn)則也分為兩類，即以裂紋失穩(wěn)為依據(jù)的非線性能量釋放率準(zhǔn)則、HRR奇性場(chǎng)阻力曲線準(zhǔn)則等和以裂紋起裂為依據(jù)的裂紋張開位移（crack opening displacement，COD）準(zhǔn)則、J積分準(zhǔn)則等。
1.2.3斷裂力學(xué)對(duì)復(fù)雜材料的應(yīng)用研究
由于斷裂力學(xué)理論的日趨成熟，其應(yīng)用范圍已從金屬材料領(lǐng)域拓展到其他材料領(lǐng)域，如巖石、混凝土材料、冰體材料等。因上述材料本身可以看成是一種非均質(zhì)的復(fù)雜材料，故在其內(nèi)部都不可避免地存在一些微小的裂縫或其他缺陷，這些裂縫或缺陷會(huì)在某種應(yīng)力狀態(tài)下逐漸擴(kuò)展成構(gòu)件的斷裂破壞。所以，眾多學(xué)者將斷裂力學(xué)理論應(yīng)用于對(duì)其性能的研究之中。巖石斷裂力學(xué)的研究始于20世紀(jì)60年代中期，當(dāng)時(shí)主要集中于Griffith能量平衡理論、斷裂應(yīng)力準(zhǔn)則及其修正方面。1967年Bieniawski應(yīng)用應(yīng)變能量釋放率準(zhǔn)則研究了巖石的破壞，發(fā)現(xiàn)該準(zhǔn)則很好地解釋了深層硬巖鉆探中巖石的突然破壞機(jī)理［10］。Schnidt［11］在1976年首先按照金屬材料平面應(yīng)變斷裂韌度測(cè)試方
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