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岩石断裂力学导论(“十一五”国家重点图书)

岩石断裂力学导论
岩石断裂力学导论(“十一五”国家重点图书)
作者:李世愚 等(编著)

图书详细信息:
ISBN:978-7-312-02229-6
定价:88.00元
版本:1
装帧:软精装
出版年月:201001
丛书名称:当代科学技术基础理论与前沿问题研究丛书:中国科学技术大学校友文库

图书简介:

  本专著主要反映断裂力学在地球科学中的应用进展, 它涉及震源物理、工程与滑坡, 断层与地震等跨尺度的岩石、岩体破裂问题. 在基础部分介绍了线弹性断裂力学的基本知识,在专业部分主要阐述了作者在有关的理论和实验研究方面的成果,包括压力之下岩石内部的裂纹剪切破裂,过程区微裂纹的萌生、演化、集结(成核),破裂周围的应力场和位移场,裂纹扩展途径,三维破裂问题等. 本书也简要介绍了有关领域的前沿进展,包括岩石断裂的物理效应(如声发射), 如何用地面物理测度来评估断层的活动性,预测失稳破裂的危险性,流体在岩石断裂中的作用, 地球深部存在的超临界流体在地震成因方面的作用和地震破裂动力学等.
  本书可以作为高等院校有关专业的研究生教学参考和有关研究人员的参考.

前言:

  断裂现象和一切生物以及人类生活息息相关.土壤的形成、农作物的收割、食物的切割和咀嚼、木柴与煤的获取都与断裂有关.打制石器成为从猿变成人的第一标志,而打制石器的主要功能就是断裂.对断裂现象的认识历来包含两个对立的方面.一方面,寻找导致断裂的工具和方法;另一方面,寻找防止断裂的材料与工艺.人类发展冶炼技术制造各种材料,希望这些材料要自身坚固,同时又要能成为无坚不摧的武器或工具.矛与盾的发展,不但改变着人类生活,也不断改变着人类的观念.这两者的对立与统一,不但渗透在一切宗教与艺术中,也渗透在人们的哲学和宇宙观之中.几千年来,主要通过经验不断加深对断裂问题的认识,但直到上世纪20年代,格里菲斯能量理论的提出,才使断裂现象的研究进入科学范畴.断裂是个最古老的问题,又是最新发展的学科.由于各方面的迫切需求,它在近几十年来取得了迅猛的发展.它的内容极为丰富,却又很不成熟.已有的理论模型解决了许多问题,但也面临着更多需要探索的课题.我们在本书讨论的所有问题,与其说是做出结论,不如说是在进行探讨.
  断裂力学最早从金属断裂研究开始,但立刻开始关注岩石断裂问题.由于断裂力学成功地解释了地震断层低应力降现象,它在地学中得到发展,成为震源物理学科的起源.工程与滑坡,断层与地震,迫切需要断裂力学回答一系列问题.地球科学部的不同研究专业,都涉及跨尺度的岩石、岩体破裂问题.本专著就是依据这些需求,在内容上偏重以下几个方面:
  1. 地壳内部的岩体主要处于压力环境之下.压力之下岩石内部的裂纹主要是剪切破裂.对于剪切破裂的研究给予了更多的讨论和关注.
  2. 对于过程区微裂纹的萌生、演化、集结(成核)问题,阐述理论基础和实验研究结果.
  3. 裂纹周围的应力场和位移场,这些问题在断层运动和大地测量中占有重要位置.
  4. 断裂与裂纹面之间摩擦问题的耦合,同时给出了裂纹面上载荷分布不均匀的应力函数.
  5. 流体在岩石断裂中的作用,特别是地球深部存在的超临界流体在地震成因方面的作用.
  6. 地震破裂动力学的简要介绍.
  本书在前沿性研究进展方面包含以下内容:
  1. 三维脆性破裂.作者设计了Ⅱ-Ⅲ复合型破裂实验,并且在三维破裂面双曲率曲面结构的理论证明方面取得了突破性进展,解决了Palaniswamy和Knauss(1970)在理论上未能解决的问题.
  2. 裂纹周围的应力场和位移场,对Maruyama(1969)等作者给出的一些结果做出了许多重要补充和修正.作者从因果律出发,根据边界条件重新计算并绘制了应力分布.作者发现Ⅱ型裂纹周围主应力在裂纹面中垂线上存在两个对称的“盲点”,这两个“盲点”是主应力等值线的间断点,在主应力的作用方向等值线图中表现为类似磁力线汇聚的“磁极”的极点.这在Maruyama的原著作中是没有的.
  3. 对二维脆性破裂的判据问题做出了进一步研究.利用最大周向应力理论推导了单轴拉伸条件下斜裂纹优势裂纹角.结果表明,不同的理论模型在具体问题上得到的结果可能会有不同.
  4. 对典型裂纹系周围微裂纹演化图像进行了研究,并将结果和声发射(AE)定位结果进行了比对.结果表明,二者在主要部分上是基本相同的,但有些地方有区别.这个结果与Lockner(1993)的观点是一致的,即AE测量并未能完全表征破坏的全部过程.
  5. 揭示了断裂力学格里菲斯欧文准则与岩石力学莫尔库伦准则的内在联系.
  6. 发展了Barenblatt的内聚带理论,突破了原直线内聚带理论的限制,提出了非直线内聚带的新概念,并以此给出了计算受压闭合剪切裂纹(系)曲线扩展路径的半解析解的理论和方法.
  7. 提出了断层失稳破裂“地面物理测度”概念.用地面物理测度来评估断层的活动性,预测失稳破裂的危险性,是实现地震预测预报的根本途径.
  8. 介绍了流体对于岩石断裂的作用,介绍了超临界流体在破裂动力学中的作用内容,提出了一种与此相关的地震破裂动力学模型.
  本书在基础知识部分的取舍颇费了一番斟酌.本书不是纯教材,在基础知识部分不能论述过细,但也不能将本书写成论文集.为顾及系统性和严谨性,与本书有关的公式出处,特别是涉及学科交叉,或与以往一些文献相异之处,都必须给出必要的论述和说明.
  本书的第1章至第5章的局部保留了尹祥础(1985)《固体力学》的内容,多数地方进行了改写和补充.第2章的后半部分由和泰名(原名和雪松)完成计算和绘图工作,第6章至第12章的主要内容是在尹祥础、和泰名、滕春凯的合作下完成的.第13章的实验是与Kuksenko教授等合作完成的,分析部分由刘建新在硕士论文中完成.第8章8.5节由叶剑红完成,第14章与和泰名合作完成,第9章、第18章和19章的内容在陈运泰院士的指导下完成,并成为作者博士论文的部分内容.第16章声发射频谱部分内容在唐林波合作下完成.
  本书可以作为高等院校有关专业的教学参考和有关研究人员的参考.本书在纠正以往文献的讹误的同时,自身也会产生新的谬误.书中凡属有不正确的地方,希望能得到读者的批评与指正.
  本书所收录的本课题组成果,在研究过程中曾经得到国家自然科学基金、地震学联合基金重点课题、科技部社会公益项目、中国地震局重点课题和中国地震局地震行业科研的多次资助.没有这些资助,是不可能完成这些研究工作的.陈运泰院士在理论方面,陈颙院士在实验方面给予了指导和帮助.Kuksenko教授等曾多次来华合作进行实验研究.邓大量院士、Maruyama教授、范天佑教授与本书作者多次交流,并给予作者很大支持和鼓励,姚孝新、李红、钟放庆参加了合作.耿乃光、蔡戴恩、刘晓红、郝晋升、张来凤、李纪汉等在实验工作中给予了很大帮助,在此深表感谢.
  感谢李钦组教授对三维破裂研究的多次鼓励.

李世愚
中国地震局地球物理研究所
2009年10月于北京

目录:

总序

前言

第1章 弹性力学基础
1.1 应力分析
1.2 应变分析
1.3 弹性变形过程的热力学
1.4 线性弹性
1.5 弹性力学的平面问题
1.6 弹性介质的应力应变曲线
参考文献

第2章 线弹性断裂力学(一)——裂纹周围的应力和位移
2.1 Griffith的能量平衡理论
2.2 柯洛索夫-木斯海里什维里(K-M)应力函数
2.3 威斯特嘎德应力函数
2.4 裂纹周围的应力和位移
参考文献

第3章 线弹性断裂力学(二)——应力强度因子、断裂韧性和能量释放率
3.1 应力强度因子与断裂韧性
3.2 无限大裂纹体中集中力及集中力偶作用时的K
3.3 其他一些情况下求应力强度因子
3.4 能量释放率及其与应力强度因子间的关系
参考文献

第4章 二维脆性断裂的破裂判据
4.1 引言
4.2 最大周向应力理论
4.3 应变能密度因子理论
4.4 最大能量释放率理论
4.5 最大张应力理论
4.6 讨论
参考文献

第5章 非线性断裂力学
5.1 引言
5.2 微裂纹的演化
5.3 裂纹端部塑性区大小的估算及Irwin修正
5.4 Dugdale(D-M)模型
5.5 Barenblatt内聚力模型
5.6 裂纹扩展阻力R和亚临界扩展
5.7 裂纹端部张开位移δ(CTOD)
5.8 J积分
5.9 非线性区尺度
参考文献

第6章 受压裂纹周围的应力和位移
6.1 受压裂纹问题的特殊性
6.2 受压裂纹周围的应力场
6.3 裂纹面上的载荷为非均匀分布
参考文献

第7章 受压裂纹扩展的实验研究
7.1 受单轴压裂纹扩展的实验原理
7.2 单轴压力下的实验研究
7.3 伪三轴压力条件下的断裂实验
7.4 差应力下岩石的体积膨胀
参考文献

第8章 受压裂纹扩展的理论分析
8.1 用非直线内聚带理论拟合破裂扩展途径
8.2 扁椭圆裂纹模型
8.3 利用断裂角实验数据分析非线性区尺度
8.4 利用巴西圆盘试验测定岩石的抗拉强度
参考文献

第9章 三维脆性破裂
9.1 引言
9.2 国内外研究概况
9.3 Ⅱ-Ⅲ复合型裂纹破裂的实验研究
9.4 三维脆性破裂的张应力判据
9.5 三维破裂张应力判据临界K-曲面
9.6 三维脆性破裂群的分形特征
9.7 三维破裂的研究结果在地学中的意义
参考文献

第10章 裂纹系
10.1 引言
10.2 共线裂纹问题的理论解
10.3 共线剪切裂纹破裂的实验研究
10.4 用非直线内聚带理论模拟破裂扩展途径
10.5 其他几何结构的裂纹系实验
参考文献

第11章 微裂纹演化导致岩石破裂成核的实验研究
11.1 微破裂成核理论
11.2 实验方法
11.3 若干典型构造模型的实验观察
11.4 理论分析
参考文献

第12章 岩石的剪切破坏
12.1 引言
12.2 岩石抗剪切破坏强度
12.3 岩石类介质中剪切破坏面形成的机理
12.4 与剪切破坏有关的若干实验研究
12.5 剪切破坏机理
12.6 地壳内部的应力条件
12.7 对地震时剪切破裂的若干参数的估计
参考文献

第13章 用声发射方法研究微破裂演化导致成核
13.1 引言
13.2 完整岩石样品在加载过程中AE定位
13.3 与构造相关的AE定位
13.4 Kaiser效应和Felicity效应
13.5 载荷保持不变时的声发射
13.6 卸载时的声发射
13.7 Kaiser效应和Felicity效应的机理分析
13.8 总结与讨论
参考文献

第14章 预应力作用下脆性破裂的稳定性和止裂
14.1 引言
14.2 脆性破裂的稳定扩展与失稳扩展
14.3 止裂条件与止裂准则
14.4 集中力或力偶
14.5 分布力或力偶
14.6 结论与讨论
参考文献

第15章 流体的作用
15.1 引言
15.2 应力腐蚀
15.3 孔隙率和渗透度
15.4 通过孔隙介质流体的流动
15.5 孔隙压力与有效应力
15.6 水压致裂
15.7 地球深部流体的存在
15.8 超临界流体的作用
15.9 流体在地震与断层活动中的作用
参考文献

第16章 岩石断裂力学在震源物理中的应用
16.1 地震孕育的膨胀模式
16.2 摩擦准则
16.3 地震孕育过程的流变模式
16.4 地震破裂成核(nucleation)的基本含义
16.5 地震破裂动力学简介
参考文献

第17章 岩石损伤导致失稳破坏的地面物理测度
17.1 引言
17.2 损伤理论介绍
17.3 细观非均匀性的表征及其统计分布
17.4 统计细观损伤力学介绍
17.5 CT技术的应用
17.6 波速和波速比
17.7 形变场测量
17.8 声发射序列的能级和数量关系——b
17.9 介质的各向异性
17.10 微破裂声发射的频谱分析
17.11 岩石中的声波衰减
17.12 调制模式与调制比
17.13 大地电阻率法和大地电位法
17.14 加卸载响应比
17.15 讨论
参考文献

第18章 库仑力能否触发远场地震——兼论库仑力的计算问题
18.1 引言
18.2 伏尔泰拉错动模型
18.3 线弹性断裂力学模型
18.4 滑动弱化模式——破裂面上的应力处处给定
18.5 库仑力能否触发远场的下一次地震
18.6 讨论
参考文献

第19章 一种与流体动力作用有关的地震破裂动力学模型
19.1 引言
19.2 导致孔隙压力突然增加的几种原因
19.3 导致断层扩展的几种预应力分布情况
19.4 “隧道效应”与分形断层破裂速度的测不准原理
参考文献

附录1 弹性力学的常用公式
附录2 无限大平板含扁椭圆孔的问题
附录3 本书用到的积分
附录4 大规模屈服条件下CTOD公式的推导
主要符号表
译名对照表

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