摘 要 ：对于岩石力学特性的研究已经有了不俗的成果，以往都是以弹塑性理论为基础做研究，从而成为岩石变形破坏的准则之一，但这并不准确。岩石的破坏变形本质上的能量驱动的结果。理论和实验研究证实，能量在岩石变形和破坏中起重要作用。外力耗散的能量会在岩石内部产生损坏和不可逆转的变形，并随着时间的推移降低岩石强度。岩石的结构破坏是由应变能的突然释放引起的，在某些条件下表现为岩石的灾难性破坏。岩石体积中释放的应变能在岩石中产生这种突然的结构破坏方面起着关键作用。本文以岩石的变形破坏为基础，以能量的角度出发，分析岩石失稳破坏的能量驱动本质，为岩石工程发展提供理论基础。
关键词 ：岩石破坏变形，能量耗散，能量释放，能量密度，应力—应变
A Review of Energy Research on Rock Deformation and Failure
ZHANG Haochuan
(Civil Engineering and Water Conservancy, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400041):
Abstract:There have been remarkable achievements in the study of rock mechanical properties, which were previously based on elastic-plastic theory and became one of the criteria for rock deformation and failure, but this is not accurate. The failure and deformation of rocks are essentially driven by energy. Theoretical and experimental studies have confirmed that energy plays an important role in rock deformation and failure. The energy dissipated by external forces will cause damage and irreversible deformation inside the rock, and reduce the strength of the rock over time. The structural failure of rocks is caused by the sudden release of strain energy, and under certain conditions, it manifests as catastrophic failure of the rock. The strain energy released in the rock volume plays a crucial role in generating this sudden structural failure in the rock. This article is based on the deformation and failure of rocks, and from the perspective of energy, analyzes the energy driven essence of rock instability and failure, providing a theoretical basis for the development of rock engineering.
Key words:Rock failure and deformation, energy dissipation, energy release, energy density, stress-strain
1 引言
对于岩石力学特性的研究已经有了不俗的成果，以往都是以弹塑性理论为基础做研究，从而成为岩石变形破坏的准则之一[1-9]。对于岩石工程中的理论分析和数值计算，在岩石试样上使用单轴循环加载和卸载压缩已被广泛应用于改进为应力—应变行为建立的岩石强度标准[2]。
作为在各种应力状态下的突然岩石结构破坏。使用伺服测试机，Yang等（2014）研究岩石变形损伤和能量特性。Ju等人使用数值模拟(2010)研究了孔隙度对临界损伤点岩石能量演化和耗散的影响。基于各种能量转换机制的非线性关系分析，Gao等人（2012）提出了一个能量转换的自抑制模型作为轴向应力的函数[3]。通过进行单轴和三轴循环加载和卸载试验，Elliott和Brown (1986)研究了岩石变形中的弹性和塑性应变。Martin 和 Chandler (1994)揭示了累积损伤对裂纹中初始应力、损伤应力和峰值应力的影响。Eberhardt等人(1998, 1999)分析了峰值应力前损伤对花岗岩断裂变形的影响。Xiao等人(2010) 评估了不同损伤变量的优缺点。Qiu等人(2014)提出了一种增量法，定量分析了锦屏大理岩在应力峰值前的破坏行为。 Zhao等人(2013, 2014) 研究了从高放废物地质处置库取样的花岗岩的损伤和膨胀特性[4-17]。
本文以岩石的变形破坏为基础，从能量的角度出发，分析岩石失稳破坏的能量驱动本质，为岩石工程发展提供理论基础。
2 岩石的能量驱动本质
岩石的变形破坏实质上是一个非平衡态热力学过程，一般经历能量输入、能量积累、能量耗散和破坏时的能量释放等阶段[5]。
2.1岩石的能量定义
岩石元件在外载荷作用下的变形通常被认为是一个封闭系统，假设机械功与环境之间没有热转换。 总输入能量W等于单位体积岩体储存的能量，即释放的弹性能量和耗散能量之和：
(1)
其中Ud表示单位体积岩石的耗散能；Ue表示单位体积岩石可释放弹性应变能。
2.2 岩石的能量计算
在一般应力条件下，岩石的能量元素满足以下关系：
（2）
主应力空间中岩石元素的每一部分能量可以计算为：
（3）
（4）
（5）
其中 ε i (i = 1, 2, 3) 是三个中的总应变主应力方向，εe i是相关的弹性应变，Ei是空载弹性模量，νi朱贝贝是卸载泊松比。然后基于每个岩石元素D的能量的变量可以定义为:
(6)
其中Uc是相应的强度退化的临界能量。Uc是取决于压力情况的材料曲线。它可以通过单轴拉伸、单轴压缩和纯剪切试验决定。在实践中,当耗散能量岩石元素中的Ud达到其临界值Uc，即是：
(7)
必须发生强度退化。 代入式（7）进入方程（1），回忆方程（3）和（4），并使用用 Einstein求和约定，方程（7）可以表示为：
(8)
式（8）是基于能量耗散的岩石元素强度劣化的判据。
在工程研究中，通常将岩体或结构离散成许多岩石单元，然后通过非线性有限元方法计算每个岩石单元的能量耗散。这样做，可以根据式（8）预测岩石元素损伤的分布。
但需注意岩石构件的强度退化不同于结构破坏。损伤必然会导致强度下降，但不一定会导致结构失效。
3 岩石的能量转换规律
热力学第一定律表明能量转换是岩石试样物理变形和破坏的本质特征。
在初始轴向压实阶段，随试验机对试样的不断做功，岩石中积累的弹性能缓慢增加。原始微裂纹的闭合导致很少的能量耗散。
在弹性变形阶段，岩石试样不断吸收能量，大部分储存的能量转化为弹性能；在微裂纹的形成、扩展和合并过程中耗散的能量很少。微裂纹依然出现，耗散的能量缓慢增加。
在塑性阶段，大部分储存的能量用于内部微裂纹的形成、扩展和合并。积累的弹性能以裂纹的表面能形式释放。随着微裂纹的不断扩展和连接，表面能大大增加，弹性能的积累减弱，耗散能的比例增加。岩石试样的弹性能在塑性阶段结束时达到最大。
最后，在峰值断裂后阶段，大量的弹性能量释放并突然转化为耗散能量。大尺度微裂纹连接、汇聚宏观裂缝，并在岩体中产生大裂缝，导致试样结构破坏。弹性能转化为动能、表面热、摩擦热和辐射能，从而迅速增加耗散的能量[6]。
4总结
从本质上讲，岩样的变形和破坏过程是岩石随时间的能量耗散和能量释放的组合。与外力所做功相对应的能量被消散，导致岩石内部发生不可逆转的变形，使材料变质，最终降低其强度。岩石体积释放的应变能在岩石的突然结构破坏中起着关键作用。岩石中能量的耗散、释放、强度退化和突然结构破坏等物理概念已由相关表达式定义。
材料损坏可以被认为是一种能量驱动的不稳定性。一旦弹性能量达到储能极限，就会发生岩石破坏，能量释放是岩体突然破坏的内因。从能量的角度来看，岩石强度代表了储存能量的能力：岩石强度越高，能量吸收和耗散越大，而岩石强度的减弱表明能量储存极限降低。输入能量导致不可逆的塑性变形和破坏。
参考文献
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