[科普中国]-破断应力

能够导致岩体或材料发生破坏的应力，或破坏释放的，代表岩体或材料破裂特点的应力称为破坏应力。一般来说，岩石受力如果超过其极限强度时，将发生破裂。但不同的岩体或岩体所处的外部条件发生变化时，其破裂状态也会有所变化。有些研究认为，地震时，地震震源的应力降就表征了岩体破坏应力的大小。

简介破断应力是材料的拉应力或剪应力达到极限。材料受力一旦超过强度极限，材料将会受到破坏，这里强度极限一般多指拉应力极限和剪应力极限，有时也指材料受压强度极限，如混凝土经常会因为受压强度达到极限发生破断。材料经拉伸试验时，开始断裂时在最小 横截面积上所受到的真实应力，也可以称做破断应力。一般采用无缺口的 试样经拉伸试验得到的应力值。断裂是材料受力后，在低于其本身结合强度的情况下作应力在分配，当外加应力的增加速率超过应力再分配速率时，就会发生断裂，无任何先兆。

岩石破坏岩石的破坏过程总是伴随着损伤（分布缺陷）和裂纹 (集中缺陷) 的交互扩展，这种耦合效应使得裂纹尖端附近区域材料必然具有更严重的分布缺陷。岩石的破坏，如脆性断裂和塑性失稳，虽然有突然发生的表面现象，但是，从材料损伤的发生、发展和演化直到出现宏观的裂纹型缺陷，伴随着裂纹的稳定扩展或失稳扩展，是作为过程而展开的。经典的断裂力学广泛研究的是裂纹及其扩展规律问题。物体中的裂纹被理想化为一光滑的零厚度间断面。在裂纹的前缘存在着应力应变的奇异场，而裂纹尖端附近的材料假定同尖端远处的材料性质并无区别。裂纹这样的缺陷可称它为奇异缺陷，因此经典断裂力学中物体的缺陷仅仅表现为有奇异缺陷的存在。断裂力学的一个突出的特点是考虑了材料与结构中宏观缺陷的效应，在方法论上，其优点是把强度与韧性结合起来一起考虑。在断裂力学中，由于应力场的奇异性，即裂纹尖端的应力场将趋于无穷大，所以无法利用应力的大小来判断材料中的裂纹是否继续扩展，所以就提出了应力强度因子和断裂韧性的概念，认为如果裂纹尖端处的应力强度因子大于材料的断裂韧性，那么该裂纹将处于扩展状态，反之，裂纹将不会发生扩展。而距离裂纹远处的应力场仍可以按照由经典断裂力学推导出的公式来进行计算。随着材料损伤程度的加剧，材料本身抵抗断裂的能力会越来越低，表现为材料的力学性能指标上就是材料的断裂韧性会越来越低，所以可以认为随着损伤的变化，断裂韧性也是在变化的，二者之间肯定存在着一定的关系1。

岩石拉伸断裂破坏岩石的抗拉强度是岩石试件在单轴拉力作用下抵抗破坏的极限能力，或极限强度，它在数值上等于破坏时的最大拉应力。与岩石抗压强度的研究相比，对抗拉强度的研究较少，对裂隙岩石材料的抗拉强度的研究则更少。从丰富断裂力学和服务实际工程的角度来说，研究裂隙岩石受拉的力学特性具有积极的意义。在实验室尺度下，总是可以找到含有宏观裂纹的岩石试件，此时，无法将其当作无限大体进而使用传统断裂力学的理论进行处理。含斜裂纹的受拉岩石的断裂形式为拉剪复合型断裂。裂纹倾角、裂纹长度对开裂角的影响，随裂纹倾角的增大而增大的结论;对于具有宏观裂隙的试件，基于最大周向应力理论计算的开裂角和基于有效应力理论计算的开裂角随裂隙长度增加有逐渐递减的趋势；基于最大周向应力理论计算的开裂角最大值为70. 5°，基于有效应力理论计算的最大开裂角度约为86°；一般情况下试件尺度下计算的开裂角要大于在无限大体尺度下计算的开裂角。裂隙试样的抗断裂能力可按无限大体理论进行计算;随着裂隙长度的增加， 使用无限大体的理论计算结果与按有限大体的计算结果差异越来越大2。

有关术语拉应力

拉应力就是物体对使物体有拉伸趋势的外力的反作用力。材料受到的外力称为外载荷（tensile stress），材料内部产生的反作用力称为应力。一个物体两端受拉，那么沿着它轴线方向的抵抗拉伸的应力就是拉应力。应力的施力者为物体，受力者为外界。分析一个应力是为拉应力，还是为压应力，主要看作用在物体上的力的反作用力的效果，即外界施加在物体上的力的效果，是使物体的尺寸有变大的趋势，还是变小的趋势，变小即为压应力，变大即为拉应力。材料两端受压，材料受到的应力是压应力。因为，即使受压，把受压物体分割成小块，各小块之间即使有想要抵抗挤压的趋势，相互之间还是挤压，还是应该是压应力；反之，就是拉应力。

剪应力

物体由于外因 (受力、温度变化等) 而变形时，在 它内部任一截面的两个方向即出现相互作用力，称为内力。单位面积上的内力称为应力。剪应力即为同截面相切的应力。剪应力可使相邻的岩块沿截面发生相对滑动。

本词条内容贡献者为:

耿彩芳 - 副教授 - 中国矿业大学