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災變破壞及前兆過程 版權信息
- ISBN：9787030742636
- 條形碼：9787030742636 ; 978-7-03-074263-6
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
災變破壞及前兆過程 內容簡介
從六個大的方面闡述災變破壞的物理圖像與災變破壞預測的物理前兆過程。首先敘述災變破壞現象與研究發展，然后，在第二章闡述災變破壞的基本概念、物理機理與理論判據、局部化效應與災變破壞的多尺度特征。在第三章，基于奇異性災變破壞與有限速度災變失穩過程，分析和說明地震、滑坡等災害過程中加載速度和慣性的效應及其導致的非奇異性災變失穩。第四章闡述通向災變破壞過程的非線性動力學過程與斑圖演化特征，論述穩定階段與災變破壞加速轉變的特征、穩定階段與災變破壞時間的關系。
災變破壞及前兆過程 目錄
目錄
前言
第1章 引論 1
1.1 災變破壞現象與試驗特征 1
1.1.1 自然界與工程中的災變破壞 1
1.1.2 試驗中災變破壞現象與特征 1
1.2 災變破壞宏微觀過程與表現 2
1.2.1 災變破壞的宏觀驅動特征與過程 2
1.2.2 災變破壞的微觀過程與局部化現象 6
1.3 災變破壞預測的困難與探索 10
1.3.1 災變破壞預測困難的關鍵 10
1.3.2 災變破壞前兆響應趨勢與預測探索 10
參考文獻 13
第2章 災變破壞物理圖像 20
2.1 災變破壞轉變的能量準則與驅動響應特征 20
2.1.1 災變破壞轉變的能量準則 20
2.1.2 災變破壞轉變的驅動響應原理 21
2.1.3 災變破壞與漸進式失效 23
2.2 災變破壞的非均勻效應與局部化效應 25
2.2.1 災變破壞的非均勻效應 25
2.2.2 均勻變形和損傷的失穩轉變與發展 29
2.2.3 局部化誘發災變破壞 36
2.2.4 局部區尺度與災變破壞的關系 42
2.3 多尺度災變破壞 47
2.3.1 多尺度災變破壞模型 47
2.3.2 多尺度災變破壞過程的數值計算 48
2.3.3 多尺度災變破壞過程與特征 50
2.3.4 多尺度災變破壞的機理 51
參考文獻 53
第3章 災變破壞非線性動力學過程與斑圖演化 57
3.1 控制邊界位移單調加載試驗中的災變破壞過程 57
3.1.1 試驗模擬與驅動響應原理 57
3.1.2 災變破壞過程與驅動響應演化特征 58
3.2 恒力與恒位移加載災變破壞 60
3.2.1 試驗模擬背景 60
3.2.2 監測信號演化過程與特征 60
3.3 穩定階段發展與災變破壞的關聯 65
3.3.1 災變破壞脆性參數 65
3.3.2 穩定階段與災變破壞時間的關系 67
3.4 災變破壞的斑圖演化 69
3.4.1 表面變形場斑圖的非均勻演變特征 69
3.4.2 表面變形場斑圖演變的跨尺度統計特征 72
3.5 變形局部化及發展特征 77
3.5.1 變形局部化成核與發展 77
3.5.2 局部化區競爭演化典型模式 79
3.5.3 局部化區尺度與發展 80
3.5.4 非破裂區的高應變區發展特征與巖石微裂紋觀測 82
3.6 基于局部化區尺度的描述與預測檢驗 86
3.6.1 基于整體平均場對單軸加載下巖石試樣的宏觀災變破壞點的預測 86
3.6.2 基于局部平均場對試樣力學行為的描述與預測檢驗 91
參考文獻 93
第4章 災變破壞臨災冪律奇異性前兆趨勢 97
4.1 臨界冪律奇異性加速前兆的理論基礎 97
4.1.1 響應函數與奇異性前兆 97
4.1.2 冪律奇異性前兆的理論結果 98
4.1.3 冪律奇異性前兆的數值計算結果 99
4.2 冪律奇異性前兆的試驗與實地監測結果 101
4.2.1 控制邊界位移單調加載時的前兆冪律加速過程 101
4.2.2 脆性蠕變破壞的前兆冪律加速過程 103
4.2.3 脆性蠕變應力松弛破壞的前兆冪律加速過程 104
4.3 加速破壞演變率及其加速度的近似前兆關系 106
4.3.1 近似前兆關系的數學表達與特征 106
4.3.2 加速破壞演變率及其加速度前兆趨勢的時間區間 107
4.4 時間相關破壞過程及其冪律奇異性前兆的理論模型 110
4.4.1 蠕變應力松弛破壞模型及其冪律奇異性前兆 110
4.4.2 彈性黏性松弛破壞模型及其冪律奇異性前兆 114
4.5 多尺度災變破壞前兆事件構成及其前兆特征 117
4.5.1 多尺度災變破壞響應聚集量演化特征 117
4.5.2 多尺度災變破壞冪律奇異性加速前兆及其事件構成 118
參考文獻 119
第5章 加速破壞冪律奇異性指數取值與物理原理 123
5.1 加速破壞冪律奇異性指數測量值 123
5.2 前兆冪律奇異性指數取值范圍與控制條件 125
5.2.1 加速破壞的多尺度連續損傷力學模型 125
5.2.2 均勻分布時臨界冪律奇異性及冪指數取值 129
5.2.3 Weibull分布時臨界冪律奇異性及冪指數取值 131
5.2.4 加速破壞臨界冪律奇異性及冪指數的一般推導 134
5.2.5 冪律奇異性指數取值的說明與討論 141
5.3 冪律奇異指數與應力重分布尺度的關系 142
參考文獻 146
第6章 臨災預測方法 149
6.1 冪律奇異性指數不確定帶來的預測挑戰 149
6.2 單參數前兆與預測 150
6.2.1 理論原理 150
6.2.2 單參數前兆的試驗校驗 154
6.2.3 基于單參數前兆預測方法與預測檢驗 155
6.3 預估冪律奇異性指數預測破壞時間 159
6.3.1 預測處理方法 159
6.3.2 預測檢驗與影響因素 161
6.4 折算指數法預測破壞時間 163
6.4.1 預測處理方法 163
6.4.2 預測過程與效果 166
6.5 直接擬合法預測破壞時間 168
參考文獻 170
前言
第1章 引論 1
1.1 災變破壞現象與試驗特征 1
1.1.1 自然界與工程中的災變破壞 1
1.1.2 試驗中災變破壞現象與特征 1
1.2 災變破壞宏微觀過程與表現 2
1.2.1 災變破壞的宏觀驅動特征與過程 2
1.2.2 災變破壞的微觀過程與局部化現象 6
1.3 災變破壞預測的困難與探索 10
1.3.1 災變破壞預測困難的關鍵 10
1.3.2 災變破壞前兆響應趨勢與預測探索 10
參考文獻 13
第2章 災變破壞物理圖像 20
2.1 災變破壞轉變的能量準則與驅動響應特征 20
2.1.1 災變破壞轉變的能量準則 20
2.1.2 災變破壞轉變的驅動響應原理 21
2.1.3 災變破壞與漸進式失效 23
2.2 災變破壞的非均勻效應與局部化效應 25
2.2.1 災變破壞的非均勻效應 25
2.2.2 均勻變形和損傷的失穩轉變與發展 29
2.2.3 局部化誘發災變破壞 36
2.2.4 局部區尺度與災變破壞的關系 42
2.3 多尺度災變破壞 47
2.3.1 多尺度災變破壞模型 47
2.3.2 多尺度災變破壞過程的數值計算 48
2.3.3 多尺度災變破壞過程與特征 50
2.3.4 多尺度災變破壞的機理 51
參考文獻 53
第3章 災變破壞非線性動力學過程與斑圖演化 57
3.1 控制邊界位移單調加載試驗中的災變破壞過程 57
3.1.1 試驗模擬與驅動響應原理 57
3.1.2 災變破壞過程與驅動響應演化特征 58
3.2 恒力與恒位移加載災變破壞 60
3.2.1 試驗模擬背景 60
3.2.2 監測信號演化過程與特征 60
3.3 穩定階段發展與災變破壞的關聯 65
3.3.1 災變破壞脆性參數 65
3.3.2 穩定階段與災變破壞時間的關系 67
3.4 災變破壞的斑圖演化 69
3.4.1 表面變形場斑圖的非均勻演變特征 69
3.4.2 表面變形場斑圖演變的跨尺度統計特征 72
3.5 變形局部化及發展特征 77
3.5.1 變形局部化成核與發展 77
3.5.2 局部化區競爭演化典型模式 79
3.5.3 局部化區尺度與發展 80
3.5.4 非破裂區的高應變區發展特征與巖石微裂紋觀測 82
3.6 基于局部化區尺度的描述與預測檢驗 86
3.6.1 基于整體平均場對單軸加載下巖石試樣的宏觀災變破壞點的預測 86
3.6.2 基于局部平均場對試樣力學行為的描述與預測檢驗 91
參考文獻 93
第4章 災變破壞臨災冪律奇異性前兆趨勢 97
4.1 臨界冪律奇異性加速前兆的理論基礎 97
4.1.1 響應函數與奇異性前兆 97
4.1.2 冪律奇異性前兆的理論結果 98
4.1.3 冪律奇異性前兆的數值計算結果 99
4.2 冪律奇異性前兆的試驗與實地監測結果 101
4.2.1 控制邊界位移單調加載時的前兆冪律加速過程 101
4.2.2 脆性蠕變破壞的前兆冪律加速過程 103
4.2.3 脆性蠕變應力松弛破壞的前兆冪律加速過程 104
4.3 加速破壞演變率及其加速度的近似前兆關系 106
4.3.1 近似前兆關系的數學表達與特征 106
4.3.2 加速破壞演變率及其加速度前兆趨勢的時間區間 107
4.4 時間相關破壞過程及其冪律奇異性前兆的理論模型 110
4.4.1 蠕變應力松弛破壞模型及其冪律奇異性前兆 110
4.4.2 彈性黏性松弛破壞模型及其冪律奇異性前兆 114
4.5 多尺度災變破壞前兆事件構成及其前兆特征 117
4.5.1 多尺度災變破壞響應聚集量演化特征 117
4.5.2 多尺度災變破壞冪律奇異性加速前兆及其事件構成 118
參考文獻 119
第5章 加速破壞冪律奇異性指數取值與物理原理 123
5.1 加速破壞冪律奇異性指數測量值 123
5.2 前兆冪律奇異性指數取值范圍與控制條件 125
5.2.1 加速破壞的多尺度連續損傷力學模型 125
5.2.2 均勻分布時臨界冪律奇異性及冪指數取值 129
5.2.3 Weibull分布時臨界冪律奇異性及冪指數取值 131
5.2.4 加速破壞臨界冪律奇異性及冪指數的一般推導 134
5.2.5 冪律奇異性指數取值的說明與討論 141
5.3 冪律奇異指數與應力重分布尺度的關系 142
參考文獻 146
第6章 臨災預測方法 149
6.1 冪律奇異性指數不確定帶來的預測挑戰 149
6.2 單參數前兆與預測 150
6.2.1 理論原理 150
6.2.2 單參數前兆的試驗校驗 154
6.2.3 基于單參數前兆預測方法與預測檢驗 155
6.3 預估冪律奇異性指數預測破壞時間 159
6.3.1 預測處理方法 159
6.3.2 預測檢驗與影響因素 161
6.4 折算指數法預測破壞時間 163
6.4.1 預測處理方法 163
6.4.2 預測過程與效果 166
6.5 直接擬合法預測破壞時間 168
參考文獻 170
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災變破壞及前兆過程 節選
第1章 引論 1.1 災變破壞現象與試驗特征 1.1.1 自然界與工程中的災變破壞 災變破壞是一種突發性的破壞現象，是自然界和實際工程中一類常見而又難于預報的災害，與人類生產生活的安全與穩定直接關聯。災變式破壞會發生在自然界、現實生活和實際工程中的多種尺度上[1-6]，其預防和預測一直是困擾工程界和科學界的復雜難題[7-9]。 從自然界中的地震、火山噴發、滑坡、雪崩這類巨大的災變破壞到地下工程開挖中的巖爆、煤氣體突出等事故，從航天飛機失事到礦柱的失穩[10]和實驗室試驗中試樣的突然破壞[11]等。這類不同尺度上的災變破壞現象與人們的生活密切相關，受到社會的普遍關注。深入研究這類災變破壞問題、制定恰當的應對策略與方案，是我們必須面對的、與人民生命財產保護和社會經濟發展切實關聯的課題。 災變破壞現象的一個突出特點是其突發性和不確定性。譬如，發生于地殼內部的地震，本質上是斷層在板塊運動和構造運動等作用下發生的突然破壞。地震這類災變破壞的不確定性，表現于地震發生的準確時間、地點和規模的難預測性。災變破壞預測的關鍵困難在于其發生的隨機性和不同事件觸發過程的差異性。在現有理論框架和方法范疇，還沒能完全闡明災變破壞的特征與機理、還不能準確地預測災變破壞的發生時間和地點。所以，對這個問題的研究，需要突破傳統的理論、方法框架，探索新的思路、新的方法和新的策略。 1.1.2 試驗中災變破壞現象與特征 實驗室里，控制試驗機作動器位移單調增加的準靜態加載下，巖石、混凝土等脆性材料的失效破壞過程會有兩種類型：一種是突發性破壞，破壞過程呈現出自持的急劇失穩發展特征，稱之為災變破壞；另一種是連續的失效過程，呈現出準連續漸進式破壞特征，稱之為漸進式失效破壞。災變式破壞具有明顯的突發性特征，災變破壞發生的時間和規模都具有樣本個性，從而有著不確定性。 為更清晰地說明災變破壞現象，特以實驗室單軸加載條件下，巖石和混凝土試樣失效破壞過程為例，對此現象進行一個具體的描述。圖1-1（a）是控制邊界位移單調增加的加載情況下，單軸加載時巖石試樣的載荷-位移曲線。可以看出，在位移控制準靜態加載下，試樣的載荷-位移曲線并沒有連續地走完整個過程，而是在*大載荷點之后的某一個點，載荷曲線發生了一個突跳下降，此時試樣發生宏觀災變破壞。也就是說，在災變破壞點，加載控制量（位移）的一個無窮小的增加導致了響應量（試樣載荷或力）的一個有限響應（即力從F點跳到R點）。這就是實驗室單軸加載下的災變破壞現象在載荷-位移曲線上的直觀反映。 與此相對照地，圖1-1（b）同樣是控制作動器位移單調增加的加載方式下，兩個混凝土單軸壓縮試樣漸進式失效過程的應力-應變曲線？梢钥闯，漸進式失效過程中應力-應變曲線連續演化，沒有突跳，也就是說破壞不是突發性的災變式破壞，而是準連續的漸進模式。 1.2 災變破壞宏微觀過程與表現 1.2.1 災變破壞的宏觀驅動特征與過程 人類經歷和認識的自然界中的災變破壞現象可以追溯到很早。但是，目前對這類破壞現象的科學認識和理解還不夠完整和清晰。 由實驗室巖石等非均勻脆性介質試樣的災變破壞來闡述和分析，能更為直接地理解災變破壞現象及其機理與過程。巖石類非均勻脆性介質由多種不同礦物、晶粒組成，這些具有不同力學性質的礦物晶粒的組合，使得巖石內部存在著各種微裂紋和空洞等細微觀缺陷。這種特殊組織結構帶來了這類材料內部復雜的非均勻性特征，導致了其力學性能的復雜性。 由圖1-1（b）可以看出，通向災變破壞過程的應力-應變曲線可以分為五個部分[18-20]：①在開始時是一個名義應力-應變曲線呈下凸的非線性區，這主要是由于裂紋的彈性閉合使彈性模量呈加速上升趨勢；②隨后是一個線性段，在這個階段整個變形場在空間上呈隨機弱漲落，因此宏觀上是基本均勻的；③第三段是一個斜率不斷減小的非線性段，這個階段由于微損傷的發展，試樣的切線模量逐漸減小，在這個階段變形場大體上仍保持是相對均勻的；④第四段的標志是材料的變形和損傷出現了局部化，在第三段和第四段進行卸載試驗將會發現殘余變形和較大的遲滯，所以試樣的行為由彈性變成了非彈性；⑤在*大應力點之后的第五段，試樣名義應力-應變曲線的斜率變為負值，這一段是還沒能特別清楚地描述的部分，是具有不確定性的階段，在這個階段，試樣中的局部化進一步發展，通常在這個階段的載荷-位移曲線的某一點發生突然的載荷下降“跳躍”，相應地，試樣發生突然的宏觀災變破壞。 1935年，Speath首先注意到了這個現象，他認為試驗機的剛度影響著試樣的載荷-位移曲線的完整性，由于試驗機剛度不夠，試樣在*大應力點后的某處發生災變破壞，從而在單軸加載試驗中難以獲得脆性材料的完整載荷-位移曲線。到1943年，Whitney給出了試驗機剛度對測試試樣破壞的影響的較明確的解釋。他將*大應力點后混凝土試樣應力-應變曲線切線斜率與試驗機卸載剛度進行了比較，如圖1-2所示。Whitney用試樣的橫截面積和長度對機器的卸載斜率C進行了無量綱的約化，發現在災變破壞點試樣應力-應變曲線的斜率與試驗機的卸載斜率相等。他進一步闡明，在試樣的進一步變形過程中，試驗機卸載將前期儲存的彈性能快速釋放，驅動試驗機加載壓頭快速地恢復彈性變形，施加給試樣很大的附加應變，從而在不需要外界做功的條件下驅使試樣繼續變形，造成試樣的突然破壞。實際上，這個解釋中相當于將整個系統簡化為一個彈簧-試樣模型[23-25]，其中試驗機簡化成一根彈簧，載荷通過彈簧傳遞給試樣。1970年，Salamon[10]對此模型的平衡條件進行了解析分析，同樣得出了災變破壞時試樣載荷-位移曲線切線斜率等于試驗機剛度負值的結論。根據他的分析，在沒有外界能量輸入的前提下，如果試驗機的彈性恢復不能驅動試樣變形的繼續發展，那么試樣的變形是穩定的，不會發生災變破壞。在這樣的概念下，研究者們通過各種方法[25-31]改善試驗機的剛度或者采用閉環伺服[32，33]的方法，以期控制系統的災變破壞的發生來獲得完整的載荷-位移曲線。這些結果對于人們認識災變破壞機理和災變破壞過程有著非常重要的意義。 Wawersik等[11，34]改進了Cook和Hojem[29]的試驗裝置，利用液壓與熱力二級加載的剛性試驗機得到了多種巖石的完整的名義應力-應變曲線（圖1-3）。更為重要的是，作者根據在單調加載下試樣變形是否穩定，將單軸壓縮時巖石試樣的名義應力-應變曲線分為兩類，即Ⅰ類曲線和Ⅱ類曲線。對于名義應力-應變曲線為Ⅰ類曲線的巖石，在剛性試驗機加載下，其變形是穩定的，不會發生災變破壞。但是對于名義應力-應變曲線為Ⅱ類曲線的試樣，即便在剛性試驗機加載下，其變形也會是不穩定的，將會在*大應力點后的某一個位置發生突然的災變破壞？梢钥闯，試驗機的彈性卸載并非是導致非均勻脆性介質發生災變破壞的唯一原因，試樣本身一定也具有著某種類似的東西，從而也會導致試樣發生災變破壞。 圖1-4和圖1-5是Labuz等[14，35]報道的巖石試樣直徑和長徑比對試樣名義應力-應變曲線影響的試驗結果。他們的試驗表明，隨著試樣橫截面積的變。▓D1-4）或長徑比的減。▓D1-5），試樣的名義應力-應變曲線*大應力點后變得越平緩，即加載過程越穩定。下面對這個問題進行一個初步討論和分析。根據研究者們的以上結果，試樣加載變形過程的穩定與否決定于試驗機的剛度與試樣載荷-位移曲線切線斜率負值的比較。對于圖1-4中的情況，當試驗機的剛度滿足時，不會有災變破壞發生。其中，為試樣的直徑，為試樣的高度，和分別為試樣的名義應力和名義應變，是試樣載荷-位移曲線切線斜率的負值。當試樣滿足災變破壞條件時，在災變破壞點有 （1.2） 從試樣的載荷-位移曲線上看，在*大應力點后的一段時間，試樣載荷位移曲線切線斜率的負值隨著應變的增加而單調增加，直至達到時試樣發生災變破壞。反過來，如果試樣載荷-位移曲線切線斜率的負值的*大值小于試驗機的剛度，就不會有災變式破壞發生。式中F和δ分別代表試樣的載荷和變形。 由式（1-3）可以看出，當保持試樣初始尺寸長徑比不變而增大試樣的直徑時，就相當于增大試樣載荷-位移曲線峰值點后切線斜率的負值，則試樣載荷位移曲線就變得更陡，的值更容易接近試驗機剛度，整個系統的變形更不穩定，這個分析和結論與圖1-4中的結果一致。但是，當保持試樣直徑恒定，增加其長徑比就相當于減小試樣載荷-位移曲線峰值點后切線的斜率負值，則試樣載荷-位移曲線就變得更平緩，的值更不容易接近試驗機剛度，整個系統的變形更加穩定，觸發災變破壞的概率越小，這個結論與圖1-5中的試驗結果正好相反。我們認為，出現這個矛盾的原因就在于出現了變形和損傷的局部化。因為以上的分析是基于整體平均場近似，而在局部化發生以后，整體平均場近似已經不再適用，即試樣的載荷-位移曲線切線的斜率負值不能再用來表達，其實際計算方法要根據局部化區的演化特點來確定。 材料的宏觀力學性能是其內部大量微損傷的一種集體效應的反映[36-39]，在外加載荷作用下，損傷和破壞的演化通常都包含多個互相耦合的非線性過程[13，38-41]。這個過程涉及從微觀到宏觀的許多尺度、各種層次的互相耦合。非均勻脆性介質損傷演化動力學過程、局部化區的形成和發展等，是災變破壞不確定性的一個重要原因。 1.2.2 災變破壞的微觀過程與局部化現象 研究者通過各種手段對損傷演化局部化誘致災變破壞的過程進行了大量的試驗觀測和統計分析，嘗試去闡明該過程的規律和特征。對損傷演化過程的監測，較早的*直接的方式就是通過光學顯微鏡和掃描電鏡對加載過程中的微裂紋的形成和發展特征進行觀測[42-53]。這些觀測結果與分析為認識和了解非均勻脆性介質損傷演化誘致災變破壞的過程和機理提供了直接的支撐和證據。譬如，這些微觀監測結果表明在巖石受載變形過程中，其內部既有晶界裂紋[54-56]，又有穿晶裂紋[54，55，57]。這些裂紋形成的原因多種多樣[58-60]，有應力誘發，也有熱誘發的。在材料內部，當局部應力超過其局部強度時將會誘發裂紋的成核和擴展，其中還有微裂紋之間復雜的交叉影響而誘發的新微裂紋及彼此串級的過程。毫無疑問，
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