固體力學(xué)應(yīng)用研究的發(fā)展趨勢

2017-02-27 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

導(dǎo)讀:與整個(gè)力學(xué)學(xué)科一樣,固體力學(xué)兼具技術(shù)科學(xué)與基礎(chǔ)科學(xué)的屬性,它既為工程設(shè)計(jì)和發(fā)展生產(chǎn)力服務(wù),也為發(fā)展自然科學(xué)服務(wù)。因此探討固體力學(xué)的發(fā)展趨勢可以從應(yīng)用研究和學(xué)科研究兩個(gè)角度進(jìn)行。本文首先討論應(yīng)用研究發(fā)展趨勢。

固體力學(xué)應(yīng)用研究的發(fā)展趨勢ansys分析案例圖片1

1、工程技術(shù)的跨世紀(jì)發(fā)展態(tài)勢

工程技術(shù)的跨世紀(jì)發(fā)展的特征是:

① 工業(yè)文明從機(jī)器時(shí)代轉(zhuǎn)入信息時(shí)代。在硬件上導(dǎo)致各種精微力電系統(tǒng)的出現(xiàn),在軟件上需求大規(guī)模并行計(jì)算技術(shù),在安全運(yùn)行上提出更高的可靠性要求。

② 人類將追求更干凈的環(huán)境和更清潔的能源。快中子堆技術(shù)、高壩技術(shù)和高功率水力發(fā)電技術(shù)將成為引導(dǎo)我國走向能源現(xiàn)代化的關(guān)鍵技術(shù)。

③ 人類將對防災(zāi)、減災(zāi)和改善事故安全提出更高要求,由此需要對老齡工程結(jié)構(gòu)和運(yùn)輸工具進(jìn)行更科學(xué)的安全評估。

④ 高新技術(shù)材料和仿真材料將大量出現(xiàn),集傳感功能和驅(qū)動(dòng)功能為一身的智能型結(jié)構(gòu)材料將進(jìn)入各種用途。人們將在細(xì)微觀力學(xué)原理下指導(dǎo)精細(xì)制造工藝和材料設(shè)計(jì)。

⑤ 航空與航天工程將呈持續(xù)發(fā)展勢頭。設(shè)計(jì)和研制空天飛機(jī)和高超音速客機(jī)提出了新的固體力學(xué)課題。

⑥ 生物醫(yī)學(xué)工程和生命系統(tǒng)仿真技術(shù)將由定性的功能開發(fā)階段轉(zhuǎn)向定量的分析、實(shí)驗(yàn)和模擬階段。

長期以來,固體力學(xué)始終與土建、機(jī)械、船舶、航空等工程技術(shù)緊密結(jié)合,這個(gè)結(jié)合今后還將繼續(xù)加強(qiáng)。與此同時(shí),在全世界高新技術(shù)迅速發(fā)展的今天,概括上述工程技術(shù)的跨世紀(jì)發(fā)展態(tài)勢,固體力學(xué)將與材料科學(xué)、微電子微機(jī)械工程(或稱微力電系統(tǒng))與精密制造工藝這三個(gè)重要工程技術(shù)領(lǐng)域形成新的密切結(jié)合點(diǎn),并引導(dǎo)具有重大工程意義的技術(shù)突破。

與此同時(shí),固體力學(xué)將在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、能源工程、航空航天工程取得新的技術(shù)進(jìn)展,建立新一代航空航天結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和確保老齡運(yùn)輸工具和能源結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。在21世紀(jì)上半葉,固體力學(xué)將滲入和指導(dǎo)生物醫(yī)學(xué)工程和生命仿真技術(shù)的進(jìn)展。

大型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),運(yùn)載工具發(fā)展,加工工藝精細(xì)化,以及微電子元件、微機(jī)械等新技術(shù)的出現(xiàn),提出了眾多的實(shí)驗(yàn)力學(xué)問題。例如橋梁鋼索的張力,橋塔的變形監(jiān)測;水壩因湖汐的變形和長時(shí)變形;超高建筑的抗振性能和風(fēng)載下的變形;艦艇受沖擊波或高壓下的變形和強(qiáng)度問題;航天工程中火箭的整體振動(dòng),飛船對接的碰撞;低溫工程中的材料在極低溫度下的力學(xué)性能;微電子封裝的可靠性分析;核電站結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測;無損檢測等等。

上述問題為工程中的實(shí)驗(yàn)力學(xué)量測提出了要求:如殘余應(yīng)力、熱應(yīng)力的測量,細(xì)微觀應(yīng)力與變形測量,材料在極端條件下力學(xué)性能的測量等。在上述測試要求中,一部分已列入規(guī)范,但部分的力學(xué)測試有待更新和探索。

2、材料科學(xué)與固體力學(xué)

材料科學(xué)領(lǐng)域在本世紀(jì)末期出現(xiàn)了百舸爭流的繁榮態(tài)勢,涌現(xiàn)了包括超導(dǎo)材料、鐵電靈敏材料、精細(xì)高韌性陶瓷、高性能結(jié)晶控制合金、金屬間化合物、形狀記憶合金、高強(qiáng)韌性高分子材料、功能梯度材料等一批新技術(shù)材料,以適應(yīng)各種高技術(shù)發(fā)展的要求。固體力學(xué)與材料科學(xué)相結(jié)合所取得的典型成功例子包括:

① 發(fā)展了以Si3N4、SiC、Al2O3及ZrO2為代表的新型結(jié)構(gòu)陶瓷,其抗彎強(qiáng)度從100MPa提高到2500MPa,應(yīng)力強(qiáng)度因子K從5MPam1/2提高到30MPam1/2。這一發(fā)展是與材料強(qiáng)韌化力學(xué)原理的指導(dǎo)緊密相關(guān)的。

② 熱致液晶高聚物與熱塑性樹脂在分子水平上的原位復(fù)合是近年來增強(qiáng)塑料合成途徑的重要突破,制成了基體強(qiáng)度和模量提高2至3倍的所謂21世紀(jì)塑料或超級(jí)工程塑料。

③ 作為材料強(qiáng)韌化力學(xué)原理指導(dǎo)作用的一個(gè)里程碑,美國在戰(zhàn)略防御計(jì)劃中推出太空抗強(qiáng)沖擊輕型鋁基/碳化硅晶須加強(qiáng)復(fù)合材料,采用碳化硅晶須的蜂窩狀排列而構(gòu)成增韌層與增強(qiáng)層網(wǎng)絡(luò)交布的最佳細(xì)觀力學(xué)設(shè)計(jì),使其沖擊韌性超過常規(guī)材料的20至100倍。

④ 具有超硬、強(qiáng)韌化性能的薄膜、多層膜類微細(xì)結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為研究(包括在力學(xué)場作用下的功能行為)已成為本世紀(jì)末的新熱點(diǎn)。

綜上所述,由于材料科學(xué)與力學(xué)、物理學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)的交緣,由于若干類新型強(qiáng)韌結(jié)構(gòu)材料的誕生,由于制約結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)韌性的一些基本規(guī)律的發(fā)展,在強(qiáng)韌化力學(xué)原理的指導(dǎo)下,結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域在本世紀(jì)末可能會(huì)取得突破性的進(jìn)展。

目前國際上在結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)韌化力學(xué)原理研究方面取得的學(xué)科突破有:

① 提出了相變塑性、延性相誘發(fā)耗能、裂紋面橋聯(lián)等對脆性基體的增韌機(jī)理與模型,并運(yùn)用于結(jié)構(gòu)陶瓷和結(jié)構(gòu)高分子材料。

② 建立了制約微孔洞和微裂紋形成和演化的細(xì)觀損傷理論,并已應(yīng)用于金屬、陶瓷和混凝土材料的本構(gòu)描述與強(qiáng)韌性計(jì)算。

③ 界面力學(xué)的興起以及對纖維、晶須增強(qiáng)、延性界面、復(fù)合相增韌的研究。界面韌性的適度設(shè)計(jì)思想及復(fù)合材料鍍層技術(shù)在強(qiáng)韌化設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用。

④ 納米材料和納觀力學(xué)(nanomechanics)飛速發(fā)展。原子移位技術(shù)的出現(xiàn),使材料原子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造和原子固體力學(xué)的輝煌前景得以展現(xiàn)。

目前在材料與微結(jié)構(gòu)強(qiáng)韌性力學(xué)原理這一研究領(lǐng)域所存在的兩個(gè)主要問題是:

① 對強(qiáng)韌化原理的研究水平還停留在“分析解釋材料的力學(xué)行為”這一階段; 還未能達(dá)到“定量設(shè)計(jì)和試制具有高性能的各類材料”這一更高的境界。

② 強(qiáng)韌化力學(xué)原理的運(yùn)用還停留在唯象力學(xué)的層次,未能進(jìn)入將宏觀力學(xué)參量與微觀物理事件相定量貫通的物理力學(xué)層次。

固體力學(xué)的方法論不僅適用于研究結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能,也可運(yùn)用于研究其他電、磁、熱、光學(xué)等性能。固體力學(xué)的研究對象已從結(jié)構(gòu)材料拓展至功能材料,并在靈敏、智能材料的本構(gòu)響應(yīng)與變位控制,微電子材料可靠性,多層外延超晶格材料的位錯(cuò)控制等方面取得了初步研究成果。固體力學(xué)面臨的另一重要挑戰(zhàn)在于將對塊體材料的研究推廣至薄膜和納米材料的研究。

材料內(nèi)部初始就可能有宏觀或細(xì)觀缺陷。實(shí)驗(yàn)固體力學(xué)研究的一個(gè)重要任務(wù)在于開展對材料內(nèi)部缺陷的演變的實(shí)驗(yàn)研究,以此為基礎(chǔ)建立從損傷直至破壞的理論模型。

光學(xué)透明材料可以用眾多的方法來研究,如光彈性、全息光彈、散斑散射等。對光學(xué)不透明材料,聲波、毫米波、同步輻射光和射線,都是可以用于給出內(nèi)部信息的波。各種波的全息術(shù)、層析照相或顯微層息照相,能給出空間分辨率很高的內(nèi)部信息。關(guān)鍵是接收器的分辨率、加載機(jī)構(gòu)的精確和計(jì)算軟件的優(yōu)劣。光聲光熱效應(yīng)也是獲取材料性質(zhì)和內(nèi)部缺陷的有力手段。

3、微機(jī)電系統(tǒng)

信息科學(xué)與技術(shù)是高新技術(shù)的關(guān)鍵之一,也是跨世紀(jì)科學(xué)發(fā)展的主流之一。微電子技術(shù)中,大規(guī)模和超大規(guī)模電路的微型化是技術(shù)發(fā)展的一個(gè)主流。

近年來,出現(xiàn)了微機(jī)械和微傳感器。由具有感知功能的微傳感器,具有電腦功能的微電子元器件,及具有致動(dòng)功能的微執(zhí)行器可組成一個(gè)集感官、思維、動(dòng)作為一身的微機(jī)電系統(tǒng)。這一組合展現(xiàn)了微機(jī)械人的前景,可能帶來新的工業(yè)革命。這一聯(lián)合學(xué)科的研究在國際上稱為“Mechtronics”,標(biāo)志著固體力學(xué)研究領(lǐng)域的拓寬。與此相關(guān)的多媒體力學(xué)量測技術(shù)和鐵電致動(dòng)器細(xì)微力學(xué)加載技術(shù)也必然引起實(shí)驗(yàn)力學(xué)的突破性進(jìn)展。

從80年代起,微電子元器件的幾何構(gòu)形開始從基底上的單層亞微米薄膜發(fā)展為數(shù)百層疊合膜。集成電路失效的重要原因在于未處理好力學(xué)、熱學(xué)和電學(xué)的耦合效應(yīng)。因此多層微電子元器件及封裝的熱失配、變形、損傷、細(xì)觀斷裂和焊點(diǎn)破壞的研究及內(nèi)導(dǎo)線(interconnects)的電遷移研究,對于高可靠性的器件及封裝的失效防范是十分必要的。

在中國微電子產(chǎn)業(yè)的跨世紀(jì)發(fā)展中,將形成微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的新領(lǐng)域。微細(xì)加工工藝、微致動(dòng)技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、微機(jī)械的應(yīng)用等分支提出了涉及材料、微機(jī)構(gòu)、微傳感、微制動(dòng)、微加工工藝等細(xì)觀力學(xué)研究課題。

這一領(lǐng)域已成為美、日等國高技術(shù)競爭的前沿。國內(nèi)研究正在起步,在薄膜力學(xué),光電學(xué)缺陷觀察、電遷移損傷、穿層位錯(cuò)引致失效、鐵電致動(dòng)器斷裂疲勞研究等方面取得了一定的研究進(jìn)展。

4、精細(xì)加工

精細(xì)加工與傳統(tǒng)的機(jī)械加工不同,需要考慮材料的細(xì)微觀形態(tài),以及加工歷史所可能造成的影響,因此需要引入細(xì)微觀力學(xué)的定量描述。精細(xì)加工技術(shù)包括:①伴隨有相變過程(液-固或固-固)的加工工藝;②激光加工過程;③原子移位技術(shù);④晶界工程;⑤成形過程的織構(gòu)動(dòng)力學(xué);⑥薄膜與界面的沉積過程;⑦精密機(jī)械加工。

綜合利用細(xì)微觀的力學(xué)、熱學(xué)與物理學(xué)的知識(shí)將為該領(lǐng)域的發(fā)展提供定量的分析框架。其中一個(gè)重要的方向?yàn)檠芯坎牧衔⒔Y(jié)構(gòu)在制造與加工過程的演化,包括形貌演化、相結(jié)構(gòu)演化、缺陷結(jié)構(gòu)演化等。此外,薄壁結(jié)構(gòu)加工中的非線性動(dòng)力學(xué)包括塑性穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)演化;連續(xù)鑄造與橡塑成形過程則要研究流固狀態(tài)共存的情況。

5、能源工程

能源緊張已成當(dāng)今人類面臨的最嚴(yán)重問題之一,能源問題對我國更顯得緊迫。石油勘探,深層煤資源利用,太陽能、風(fēng)能、潮汐能的開發(fā),近海能源的海洋工程,尤其是即將修建的三峽工程,都對力學(xué)特別是固體力學(xué)提出新的挑戰(zhàn)。其典型問題包括減災(zāi)力學(xué)研究、高壩失效模式仿真、超大功率水電機(jī)械強(qiáng)度失效分析、三峽船閘高邊坡穩(wěn)定問題等。

快中子增殖堆,由于壁厚薄、工作溫度高,需要研究如蠕變與疲勞交互作用、高溫蠕變損傷、地震誘發(fā)的動(dòng)力失穩(wěn)、液態(tài)鈉晃濺與固體結(jié)構(gòu)的相互作用、假想堆芯爆炸等失效模式。這問題已成為每兩年一屆國際反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)力學(xué)(SMIRT)大會(huì)的重要議題。

6、航空航天與交通工程

在20~21世紀(jì)之交,將可能出現(xiàn)高超音速飛機(jī)和空天飛機(jī)等新一代的航空運(yùn)輸工具,并對復(fù)合材料的力學(xué)設(shè)計(jì),復(fù)合材料構(gòu)件的成形加工,耐高溫材料研制,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì),缺陷識(shí)別反問題和可靠性分析,高超音速下的振動(dòng)噪聲控制,航天器的循環(huán)熱匹配等提出新的要求。

交通工具的高速化也反映在地面和海洋運(yùn)載工具上。高速鐵路和高速公路將成為我國跨世紀(jì)期間基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重點(diǎn)。列車高速運(yùn)行時(shí),振動(dòng)、摩擦、撞擊磨損等對固體力學(xué)提出更高的要求。汽車運(yùn)行的高速化可能造成更多撞車事故,需要在中國開展耐撞性(crash-worthiness)研究,涉及到?jīng)_擊力學(xué)和塑性動(dòng)力學(xué)等領(lǐng)域。高速公路的施工質(zhì)量和路面龜裂的問題涉及對路基、道路載荷譜和路面材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合力學(xué)設(shè)計(jì)。對已服役路面的損傷監(jiān)控也要根據(jù)實(shí)時(shí)測量和力學(xué)反問題分析來解決。

7、老齡工程結(jié)構(gòu)的安全評估

我國從50年代起開始進(jìn)行大規(guī)模工程結(jié)構(gòu)建設(shè)。到世紀(jì)之交,很多航空、能源、石油化工、民用建筑結(jié)構(gòu)將陸續(xù)進(jìn)入老齡期。老齡結(jié)構(gòu)的安全評估最近被提到了一個(gè)突出重視的地位。如美國DARPA和ONR去年把老齡飛機(jī)(aging aircafts)的安全評估確立為近期固體力學(xué)應(yīng)用研究的兩個(gè)重點(diǎn)之一。

核電站主壓力回路和鍋爐及石油化工壓力容器的老齡化也是與固體力學(xué)有關(guān)的一項(xiàng)關(guān)鍵問題。美國核管會(huì)(NRC)將中老齡核電站的運(yùn)行安全列為最重要的未解決安全問題。美國時(shí)代周刊在科學(xué)欄里以突出的地位對此進(jìn)行了報(bào)道。近期發(fā)展的漏后斷(LBB)準(zhǔn)則被認(rèn)為是集熱工流體力學(xué)與彈塑性斷裂力學(xué)之大成而處理這一問題的范例。我國大量的鍋爐和壓力容器在長期的應(yīng)力、腐蝕和疲勞作用下已進(jìn)入老齡階段,也存在應(yīng)用研究的課題。

8、巖石力學(xué)與工程應(yīng)用

巖石力學(xué)探討巖石在其周圍物理和工程環(huán)境中變形、強(qiáng)度和破壞的力學(xué)性質(zhì)和力學(xué)效應(yīng)。巖石力學(xué)的理論基礎(chǔ)涉及彈塑性理論、流變學(xué)、流體力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、工程地質(zhì)、地球物理學(xué)、礦物學(xué)和水化學(xué)等學(xué)科。巖石力學(xué)的工程應(yīng)用涉及采礦、交通、水電、石油、工民建、地震、國防工程和核廢料處理等巖土工程領(lǐng)域。近年來,斷裂力學(xué)、損傷力學(xué)、分形幾何、分岔、混沌、突變理論、協(xié)同論等學(xué)科分支和研究方法相繼滲入,推動(dòng)巖石力學(xué)的不斷發(fā)展。

巖石是自然界的產(chǎn)物,是由多種礦物晶粒、孔隙和膠結(jié)物組成的混雜體。經(jīng)過億萬年的地質(zhì)演變和多期復(fù)雜的構(gòu)造運(yùn)動(dòng),使巖石中形成各種斷裂,如裂隙、夾層和斷層等。所以巖石結(jié)構(gòu)是極其復(fù)雜的非連續(xù)和非均質(zhì)體,它的力學(xué)屬性具有非線性、各向異性及隨時(shí)間變化的流變特性。巖石的變形和破壞性質(zhì)不但和巖石的復(fù)雜結(jié)構(gòu)密切相關(guān),而且還受溫度、圍壓、孔隙水等環(huán)境因素的影響。

巖石力學(xué)研究是伴隨對巖石物理力學(xué)性質(zhì)認(rèn)識(shí)的逐漸深入而不斷發(fā)展的,對巖石變形破壞特性的描述,是在廣義虎克定律基礎(chǔ)上,不斷深入到巖石的非彈性變形、體積膨脹、各向異性、硬化及軟化、流變大變形。傳統(tǒng)的巖石屈服函數(shù)通常采用庫侖和德魯克-普拉格準(zhǔn)則,以及近年來發(fā)展的帽蓋型臨界狀態(tài)模型等?？紤]到巖石屈服面與破壞面相異,在力學(xué)本構(gòu)模型中采用非關(guān)聯(lián)塑性流動(dòng)法則以及多重屈服面模型和邊界面模型等。各種流變模型的建立旨在反映巖石粘、彈、塑流變變形性質(zhì)。

巖石材料具有多種內(nèi)部缺陷是造成巖石非彈性變形的主要原因。為描述巖石的狀態(tài),巖石損傷力學(xué)引入內(nèi)變量來刻劃巖石介質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的變化,有各種定義下的損傷變量和損傷演化規(guī)律。目前,很多學(xué)者試圖由巖石的細(xì)觀結(jié)構(gòu)的裂隙變形擴(kuò)展,得出巖石宏觀破壞的力學(xué)準(zhǔn)則。其中,分形、混沌、分岔等現(xiàn)代數(shù)學(xué)理論的應(yīng)用為描述巖石細(xì)觀結(jié)構(gòu)及演化過程開辟了新的途徑。同時(shí),也為分形巖石力學(xué)、巖石分岔理論等新學(xué)科分支的建立提供了可能。

在距地表十幾公里內(nèi)的地層,特別是涉及工程范圍內(nèi)的巖體,受地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響,存在大量的斷層、節(jié)理、層理和地質(zhì)弱面。這些地質(zhì)結(jié)構(gòu)面的存在,破壞了巖層的整體性,它們的性質(zhì)和空間分布極大影響著巖體的變形、強(qiáng)度和氣、液通導(dǎo)特性。不連續(xù)性、非均勻性和各向異性是巖石材料最主要特性。節(jié)理巖體的性質(zhì)在很大程度上取決于巖塊系統(tǒng)的構(gòu)成,而不是巖石材料本身。運(yùn)用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法一般將結(jié)構(gòu)面及其鄰域作為分析單元,建立了節(jié)理本構(gòu)模型并與巖石本構(gòu)模型耦合計(jì)算非連續(xù)巖體的運(yùn)動(dòng)、變形和失穩(wěn)。

此外,提出了非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)解析方法和力學(xué)模型,如可變形塊體平衡理論及離散單元法。但事實(shí)上,目前對巖體結(jié)構(gòu)面的幾何形態(tài)和力學(xué)性質(zhì)的描述依然十分粗糙,特別是環(huán)境因素對它們的影響尚缺乏可靠的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。這是重大巖土工程的力學(xué)分析中亟待解決的問題。

巖體中的孔隙和裂縫網(wǎng)絡(luò)是液體、氣體的自然通道。從不同工程背景出發(fā),巖石力學(xué)一方面須研究滲流對裂隙巖體力學(xué)性質(zhì)的影響(如由水庫裂隙水誘發(fā)的地震),提出巖體穩(wěn)定性力學(xué)準(zhǔn)則和加固方案,如對三峽壩基與邊坡、鐵路交通橋梁基礎(chǔ)與隧道等長期穩(wěn)定性問題的研究的預(yù)測;另一方面要研究液體、氣體在不同外力場作用和裂隙分布的巖體中的流動(dòng)規(guī)律,在一定條件下,流體的流動(dòng)與巖體的變形和破壞產(chǎn)生耦合的作用。

在工程應(yīng)用方面,可以采用人工方法制造巖體裂縫以改變原始應(yīng)力場及提高滲透率,如應(yīng)用于油氣田開采,煤礦瓦斯抽放,地?zé)衢_發(fā)、煤的地下氣化等。在地學(xué)中,礦液的運(yùn)移與成礦關(guān)系也是一個(gè)重要課題。目前,國內(nèi)外對巖石固液耦合力學(xué)研究已引起普遍關(guān)注,有著廣闊的應(yīng)用前景。

巖石力學(xué)基礎(chǔ)研究的成就已大大促進(jìn)了巖土工程的發(fā)展。60年代初,巖石彈塑性理論在巖土地下工程穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用,使人們認(rèn)清了巖土工程結(jié)構(gòu)的本質(zhì)與特性,認(rèn)識(shí)到地下工程圍巖即是一種載荷,也是一種結(jié)構(gòu),提出了以新奧法為代表的新的巖石支護(hù)與施工方法,革新了傳統(tǒng)支護(hù)的觀念與思想,充分發(fā)揮圍巖的自承能力,產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

70年代,巖石粘彈、粘彈塑性理論研究使巖石流變學(xué)取得了巨大的進(jìn)展,為預(yù)測巖土工程的長期穩(wěn)定性、核廢料的長期埋藏提供了理論基礎(chǔ)。巖石剛性壓力伺服實(shí)驗(yàn)機(jī)使得巖石應(yīng)力、應(yīng)變?nèi)^程得到準(zhǔn)確測定,為研究巖石超過最大載荷后的力學(xué)行為,為采場礦壓分析、礦柱設(shè)計(jì)、巖石失穩(wěn)研究、巖爆與地震機(jī)理研究提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。巖石破裂與破碎的研究,大大改進(jìn)了爆破技術(shù)和礦石粉碎工藝,以及石油鉆井技術(shù)與壓裂增產(chǎn)石油工藝。

多孔介質(zhì)力學(xué)理論為研究油藏工藝、煤礦瓦斯抽放技術(shù)、地下水滲流問題奠定了基礎(chǔ)。巖石中的應(yīng)力波動(dòng)理論促進(jìn)了巖石聲發(fā)射技術(shù)、超聲波測試技術(shù)的發(fā)展,為巖石破壞與失穩(wěn)的無損監(jiān)測提供了強(qiáng)有力的手段?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展,正對巖石力學(xué)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

在最近幾年中,巖石力學(xué)與巖土工程的重心已有相當(dāng)大的轉(zhuǎn)移,也就是由傳統(tǒng)簡單的理論分析、經(jīng)驗(yàn)類比轉(zhuǎn)向更復(fù)雜、更符合實(shí)際的理論分析和巖土工程數(shù)值模擬。巖石人工智能、專家系統(tǒng)與神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)使復(fù)雜巖土工程設(shè)計(jì)與施工的決策更趨于合理與可靠。

特殊及惡劣環(huán)境下的巖石力學(xué)問題的研究已經(jīng)得到極大的關(guān)注,包括: 巖爆力學(xué)的研究,礦井深部開采和高地應(yīng)力引起的沖擊地壓、瓦斯突出和礦井災(zāi)害的預(yù)測與預(yù)報(bào),膨脹巖(軟巖)中巷道變形與維護(hù),建筑物、鐵路、河流下采礦引起的地表移動(dòng)、破壞和地面保護(hù),承壓水體上采礦引起的突水及巖層控制,以及海洋下石油和礦物開采與煤炭地下氣化、液化的巖石力學(xué)問題。

9、土力學(xué)與工程應(yīng)用

土力學(xué)的近代理論由太沙基(K. Terzaghi)所奠基,它成為一門技術(shù)科學(xué)只有70余年的歷史。土是由三相(固、水、氣)組成的碎散體,由巖石風(fēng)化后經(jīng)搬運(yùn)和沉積而形成,其力學(xué)性質(zhì)復(fù)雜且富于變化。土力學(xué)的理論基礎(chǔ)涉及彈塑性理論、流變學(xué)、流體力學(xué)、工程地質(zhì)、礦物學(xué)和水化學(xué)等學(xué)科。它的應(yīng)用涉及到工民建、水利、水電、海洋、交通、國防、地震、采礦和環(huán)境等工程領(lǐng)域。大型高土石壩、高層建筑、重型廠房和大型海洋鉆井平臺(tái)的建造給土力學(xué)提出了許多新的研究課題。

土力學(xué)的理論研究集中在土的本構(gòu)理論研究。包括土工離心模型試驗(yàn),滲水力模型試驗(yàn)和足尺模型試驗(yàn)技術(shù)等土力學(xué)試驗(yàn)手段在近年來得到迅速發(fā)展。理論與實(shí)驗(yàn)研究的重點(diǎn)包括:地震中土的液化的土動(dòng)力學(xué),海洋工程中土在循環(huán)加載及主應(yīng)力旋轉(zhuǎn)下的力學(xué)特征,與濕陷性黃土和膨脹土有關(guān)的非飽和土的力學(xué)特征等。近年來,斷裂力學(xué)、損傷力學(xué)、分形幾何、模糊數(shù)學(xué)、分岔、混沌、突變等理論相繼用于描述土的力學(xué)和物理特性。

值得提出,近來國際上物理學(xué)界對沙土的力學(xué)行為引起濃厚興趣,因?yàn)樯惩辆哂歇?dú)特的性質(zhì),主要來自顆粒間的摩擦和非彈性碰撞等耗散性,不能簡單地把沙土視為通常的固體、液體或氣體。物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)沙堆的力學(xué)特征與凝聚態(tài)物理中耗散系統(tǒng)的某些特征具有類比性,可以通過沙堆中的松弛、垮塌等非線性行為的研究促進(jìn)和加深自旋玻璃中的松弛、半導(dǎo)體的擊穿及自組織臨界行為等的認(rèn)識(shí)。這就進(jìn)一步說明了土力學(xué)這門學(xué)科的豐富多彩。

我國在土力學(xué)領(lǐng)域的若干個(gè)重要發(fā)展方向?yàn)?

① 土力學(xué)中理論與計(jì)算的工程驗(yàn)證(如高土石壩工程)。

② 土的本構(gòu)理論研究,包括復(fù)雜應(yīng)力路徑下的本構(gòu)關(guān)系、土的各向異性力學(xué)特征、主應(yīng)力旋轉(zhuǎn)時(shí)土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、不飽和土的變形特征、本構(gòu)模型的實(shí)用化等。

③ 現(xiàn)代土工試驗(yàn)量測技術(shù)。如發(fā)展劍橋式真三軸儀、空心扭剪儀、方向剪切儀、大中型土工離心機(jī)等先進(jìn)試驗(yàn)量測手段。

④ 地質(zhì)災(zāi)害中的土力學(xué)問題,如沖刷侵蝕、塌方、滑坡、泥石流的機(jī)制與防治等。

綜上所述,固體力學(xué)既與2、3、4中所描述的三項(xiàng)跨世紀(jì)工程技術(shù)的發(fā)展結(jié)下不解之緣,也和我國跨世紀(jì)期間大規(guī)模基礎(chǔ)建設(shè)的需求有關(guān),同時(shí)還與傳統(tǒng)工程技術(shù)的新問題有密切聯(lián)系。工程應(yīng)用將是我國廣大的固體力學(xué)研究工作者的主戰(zhàn)場。固體力學(xué)的研究工作者應(yīng)深入到相關(guān)的工程技術(shù)領(lǐng)域和工程技術(shù)人員并肩努力,搞清現(xiàn)象的機(jī)理,建立有效而準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)物理模型。這樣才能使固體力學(xué)再創(chuàng)輝煌,在跨世紀(jì)科技發(fā)展中發(fā)揮重要的作用。

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