[科普中国]-岩石断裂理论

岩石断裂理论是指研究裂纹在岩石中扩展所需的条件及岩石断裂机理的理论。在荷载作用下，岩石将发生变形，随着荷载的增加，其变形量也增加，当荷载达到某一数值后，就会导致岩石发生断裂破坏。岩石的变形和破坏，是荷载作用下岩石形态变化的两个不同阶段。

简介岩石断裂理论是指研究裂纹在岩石中扩展所需的条件及岩石断裂机理的理论。

原理在荷载作用下，岩石将发生变形，随着荷载的增加，其变形量也增加，当荷载达到某一数值后，就会导致岩石发生断裂破坏。岩石的变形和破坏，是荷载作用下岩石形态变化的两个不同阶段。在变形阶段，岩石也有局部微破裂，虽不占主要地位，却是形成不可恢复变形的主要因素;荷载继续增加，在变形进一步发展的同时，局部破损的份额越来越大，微破裂发展成岩石的宏观破坏。天然岩石在地质史的演变过程中，无论从大范围或小范围看，也无论从宏观或微观的角度考察，都将存在新层带、层理、节理、裂随等缺陷。因此天然岩石是由完整岩块(结构体）和结构面（节理、裂隙等)组成的。

岩石破裂的类型岩石的破坏可以是在完整的岩块中，也可以是在结构面中其破环有两种基本类型，

1.由弹性变形随即转化为突然破裂，称为脆性破坏，破坏时不产生明显的变形，这往往是岩石中裂隙产生和发展的结果。

2.弹性变形大后，又产生明显的塑性变形，但不呈现明显的破坏面，甚至可以处在塑性流动状态，称为塑性破坏，这是由于组成物质颗粒间相互滑移所致。由于缺陷的存在，造成岩石可能在低于强度的范围内就发生破坏，这就不能用传统的强度概念，但往往可用断裂力学的观念和理论加以解释1。

理论分析岩石中裂纹的扩展问题就可以用断裂力学理论进行分析。由于岩石裂纹尖端的应力集中效应，应力一般都非常大，因此常产生一个非弹性的应力区。对大子数岩石而言，除非处于高温、高围压下，其裂纹端部均不会发生塑型变形现象，通常是以发生众多微裂隙来解释非弹性区的出现。当非弹性区与分析对象尺寸相比很小时，则可以为满足线弹性条件，可用线弹性断裂力学理论分析。

探岩芯的圆截面三点弯曲试件，此外，V形切口短棒拉伸试件和V形切口三点弯曲试件也广为采用，为研究裂纹扩展速率则常用双扭试件。影响岩石KIc的因素主要是岩石的各向异性、裂隙中是否有水、围压大小、高温和超低温等。

当荷载与岩石中裂纹有夹角时，则产生复合型断裂，从工程应用而言，研究岩石的复合断裂具有重要意义。关于复合断裂的理论和判据。仍可用断裂力学的有关理论和方法。

压剪断裂是岩石中较为普遍的一种断裂形态。例如，板块内部地震和切层破裂中，与工程有关的坝基开裂;岩体中孔口、洞室周边开裂等问题中，都存在压剪断裂现象。压剪断裂的机理是当岩石在剪应力作用下发生微破裂时，必然引起局部范围内岩石体积的改变，即产生扩容现象，因而引起围压对这种断裂膨胀的抑制。

岩石剪压阶段有切口的岩石试件的压剪试验表明，岩石压剪断裂过程可分为4个阶段：

1.初裂前阶段，无裂纹扩展。

2.微裂纹扩展阶段，切口端部体积应变出现扩容。

3.失稳扩展阶段，试件脆断。

4.摩擦阶段，脆断后试件的两部分沿破裂面摩擦运动2。

本词条内容贡献者为:

周敏 - 副教授 - 西南大学