界面力學的研究方法

A. 納米和紋是什麼材料

用晶體材料作試件,利用高空間分辨電子顯微技術(HREM)記錄晶格的變化,把它作為試件光柵,與一標准參考柵疊合形成雲紋條紋。經光學濾波後,可以得到高質量的雲紋圖。根據雲紋圖可以觀察納觀力學現象,如位錯、層錯、原子鍵裂,也可以在納觀尺度下定量測試位移、應變、晶體滑移等力學參數。該方法對應的測試靈敏度目前可達到0.1nm,還具有很高的條紋空間解析度,可以在很高的應變梯度下測試幾個納米范圍內的變形規律,具有定量、直觀、相對大視場、高靈敏等優點,為納觀力學研究提供了新的實驗手段。在典型試驗中,用Au單晶作試件得到了高質量的雲紋圖,觀察到了Au 單晶中的位錯、層錯、鍵裂等現象,測試了非晶態夾雜周圍的變形場,實驗證明了它的可行性。基於納米雲紋法這一新技術,本文做了以下工作:①研究了Si單晶中裂尖在納觀尺度下的力學行為,在裂尖前方的滑移帶上首次觀察到了著名的Peierls型位錯的存在,並得到了微裂紋裂尖的納觀應變場,證實在裂尖前方 10個納米之外,應變分布與線彈性斷裂力學預測相吻合。裂尖的微觀破壞過程可概括為:發射少量位錯後裂紋發生解理破壞,並以階梯方式向前擴展。②深入到位錯結構內部及其周圍鄰近地區,研究Si和Au單晶中單個位錯周圍的位移場,將它與Peierls-Nabarro模型進行了比較。實驗結果發現,一些位錯與Peierls-Nabarro模型吻合較好,而另一些位錯引起的晶格變形遠比Peieris-Nabarro模型預測的要廣泛,但應變集中程度沒有理論預測那麼劇烈。在同一種材料中不同位錯的寬度可能不同。③在納觀尺度下研究了GaAs/Si界面附近的位錯分布規律和變形場,在界面附近觀察到了一些零星位錯,它們是由製造過程中的溫度效應造成的,測量了垂直於界面方向的應變規律。同時也證實,納米雲紋法可以被用來測量納米級界面附近的變形場,為界面力學的研究提供一種實驗手段。最後,用雲紋干涉法研究了疊層復合材料層縮區的破壞機理,發現了層縮區的三種破壞模式。

B. 地球化學動力學研究步驟和方法

圖4.11 地球化學動力學研究的步驟和方法框圖

地球化學動力學研究步驟如圖4.11所示:首先根據研究的地質-地球化學問題,視問題的主次,忽略次要的、突出主要的,使問題合理簡化,形成地球化學動力學的概念模型(conceptual modesl)。如在研究熱液成礦系統的熱流體對流遷移過程時可側重熱驅動流體的動力學過程,而忽略流體與圍岩的化學反應;在研究礦物蝕變導致礦物自中心到邊緣成分變化、礦物與流體同位素交換等過程時則主要考慮組分的擴散和離子交換反應;研究矽卡岩化過程除考慮流體的滲濾外,還要考慮流體中主要組分K、Na、Ca、Mg、Si、lA的擴散和流體與圍岩的化學作用。對經歷了多期次、多階段、多物質來源的地球化學作用的地球化學系統要重點研究主要階段和主要物質來源。對諸如區域地球化學演化這樣復雜的動力學問題,應對所涉及的各個子系統和過程分別建立動力學模型,從各個側面去把握復雜體系的動力學行為。

圖4.12 典型的水-岩反應動力學實驗裝置示意圖

建立地球化學動力學概念模型,主要有兩條研究途徑:一是應用化學動力學、流體動力學等原理及其相應的數學表述,建立地球化學動力學的數學模型,也稱動力學模型(dynamic models),並在此基礎上,應用有限元、有限差分等數值計算方法,通過計算機數值模擬,獲得動力學系統的演化規律;另一途徑是地球化學動力學實驗。目前主要限於兩類地球化學動力學實驗:一類是高溫高壓水-岩反應動力學實驗,典型的實驗裝置和原理見圖4.12,側重於開放體系中流體與礦物或岩石顆粒之間的化學反應機制和反應速率研究;另一類實驗是在一個大的容器(稱tank)內通過激光攝像和各種探頭實時檢測容器內流體的運動和成分變化,可以模擬宏觀尺度的地球化學輸運-反應動力學過程,但較難控制溫、壓條件,大多在常壓下實驗。

無論是數值模擬還是實驗模擬,都需先確定模型所需的各種動力學參數如流體的密度、粘度系數、圍岩的孔隙度和滲透率、顆粒比表面積等,還要根據實驗研究對象確定邊界條件和初始條件。

數值模擬和實驗模擬各有其長,可以相互補充。計算機模擬的優勢是可以模擬較復雜的地球化學體系,且可以方便地修改模型,或改變動力學參數和邊界、初始條件,得到各種模擬結果,從而研究不同條件下地球化學體系的演化規律。但數值模擬的成果取決於所建立數學模型的合理性和計算機軟體系統的正確性,受研究者主觀判斷和水平的影響。實驗模擬能較為宏觀地模擬地球化學過程,結果更為可信,但受實驗設備和實驗條件等限制,實驗研究只限於比較簡單的地球化學過程和簡單的邊界條件,且較費時費力,目前研究比較成熟的主要限於水-岩反應動力學實驗。

C. 力學的所有內容。

力學主要理論1.物體運動三定律。
2.達朗貝爾原理
3.分析力學理論
4連續介質力學理論
5.彈性固體力學基本理論
6.粘性流體力學基本理論 （１）固體力學
經典的連續介質力學將可能會被突破。新的力學模型和體系，將會概括某些對宏觀力學行為起敏感作用的細觀和微觀因素，以及這些因素的演化，從而使復合材料(包括陶瓷、聚合物和金屬)的強化、韌化和功能化立足於科學的認識之上。
固體力學將融匯力-熱-電-磁等效應。機械力與熱、電、磁等效應的相互轉化和控制，目前大都還限於測量和控制元件上，但這些效應的結合孕育著極有前途的新機會。近來出現的數百層疊合膜「摩天大廈」式的微電子元器件，已迫切要求對這類力-熱-電耦合效應做深入的研究。以「Mechronics」為代表的微機械、微工藝、微控制等方面的發展，將會極大地推動對力-熱-電-磁耦合效應的研究。
（2）流體力學
今後，空天飛機和新一代的超聲速民航機的成功研製將首先取決於流體力學的進展。在有關的高溫空氣動力學中必須放棄原先的熱力學平衡的假定。吸氣式發動機中H2，O2在超聲速流動狀態下的混合、點火等，都是過去的理論和實踐未能解決的難題。超聲速流邊界層的控制、減阻以及降噪控制等也帶來一系列新問題。
（3）一般力學
一般力學近來已開始進入生物體運動問題的研究，研究了人和動物行走、奔跑及跳躍中的力學問題。這種在宏觀范圍內對生物體進行的研究，已經帶來了一些新的結果。億萬年生物進化的結果，的確把優化的運動機能賦與了生存下來的物種。對其進一步研究，可以提供生物進化方向的理性認識，也可為人類進一步提高某些機構或機械的性能提供方向性的指導。以下幾個方面的問題應當給予充分重視：(1)固體的非平衡/不可逆熱力學理論；(2)塑性與強度的統計理論；(3)原子乃至電子層次上子系統(原子鍵，位錯，空位等缺陷)的動力學理論。為深入進行這些研究，應當充分利用與開發計算機模擬(如分子動力學)和現代宏、細、微觀實驗與觀測技術。 工科離不開力學，在工科基礎課中，開設了不同的力學課程：理論力學，假設物體不發生變形，用傳統數學物理方法研究一切質點，物體的運動，靜力學和動力學原理，機械原理的理論基礎。材料力學，傳統方法研究物體在各種載荷下，包括靜力，靜扭矩，靜彎矩，振動，碰撞等，機械零部件和裝配設計，機械加工的理論基礎。流體力學，研究一切流體在容器、管道中運動規律和力學特性，液壓、氣動、熱分析的理論基礎。分析力學，使用計算數學方法分析力學有限元素法，把受力對象拆解成有限個元素，對每個元素進行受力分析，通過聯立偏微分方程組，用泛函求解，計算出每個元素，每個節點的應力應變。聯立方程組可化為剛度矩陣和自由度組成的矩陣方程。
（4）生物力學
當今生物力學發展正經歷著深刻的變化。生命科學與包括力學在內的基礎和工程科學交叉、融合目前已愈來愈成為當今生命科學的研究熱點，同時也是力學學科的新生長點。基礎研究逐步精細化及定量化，大量數據的積累要求模型化及數學化，為生物力學研究開辟了新的用武之地。現代分子和細胞生物學既提出大量新課題，又帶來了許多新工具，推動著生物力學由宏觀向微（細）觀深入、並強調宏-微（細）觀相結合。實際應用的不斷涌現，催生著以解決與應用相關的工程技術問題為目標的新的生物工程學。這一新的生物工程學遠遠超出了基於微生物的、以發酵工程為標志的生物技術及以醫療儀器研發為目標的生物醫學儀器這兩個傳統的領域。不斷尋求新的力學和物理原理與方法，與生命科學及其它基礎和工程科學進一步融合，已成為當今生物力學發展的主要特色。當今生物力學正經歷從「X × Bio = Bio-X」（交叉）到「Bio × X = X-Bio」（融合）的轉變。在基礎研究層面上，它將與生物物理學、生物數學、生物信息學、生物化學等緊密結合，重點研究生物學的定量化和精確化問題；在應用研究層面上，組織工程、葯物設計與輸運、血流動力學、骨-肌肉-關節力學等正在或已經得到臨床或工業界的認同，其核心是解決關鍵技術問題。
當前生物力學的發展特點可大致歸納為：內涵擴大（生物醫學工程；生物工程），有機融合（生命科學與基礎和工程科學），微觀深入（細胞-亞細胞-分子層次；定量生物學），以及宏觀-微觀相結合（組織工程、器官力學；信息整合與系統生物學）。宏觀生物力學研究仍為主流，但宏觀-微觀相結合、微觀生物力學研究發展十分迅速。當前生物力學發展的前沿領域主要包括：1）細胞-分子力學；2）器官-組織力學；3）骨骼-肌肉-關節力學；4）生物力學新概念、新技術與新方法等。
（5）環境力學
環境力學是力學與環境科學相互結合而形成一門新興交叉學科，主要研究自然環境中的變形、破壞、流動、遷移及其伴隨的物理、化學、生物過程和導致的物質、動量、能量輸運，定量化描述環境的演化規律和對人類生存環境的影響。環境力學的發展十分有利於深化人們對環境問題中的物理過程和基本規律的認識，促進環境問題的定量化研究。
21世紀的環境力學研究，既要注重學科發展的自身規律和要求，又要緊密結合國家需求和工程實際，將機理研究、規律分析與防治措施有機地結合起來。結合我國的經濟和社會發展需求，我國的環境力學研究必須抓住一個基礎（復雜介質流動和多過程耦合）、兩個經濟發展地區（西部和沿海）、三個方面（水環境、大氣環境、災害與安全），確立重點發展領域，促進學科的發展。
一方面，強調環境力學中的共性科學問題，包括：(1)環境流動與輸運的基本方程和求解方法；(2)氣、液、固界面的耦合；(3)多相、多組分、多過程，以及多尺度的耦合分析等；(4)「環境力學」中模型實驗的尺度效應問題等。
另一方面，瞄準西部開發和沿海經濟開發，以及重大工程和影響的實際環境問題，包括：(1) 西部乾旱、半乾旱環境治理的動力學過程 —土壤侵蝕機理、沙塵暴形成和輸送機理、以及荒漠化治理；(2)以水或氣為載體的物質輸運過程—污染物排放過程的精確預報、河口海岸泥沙、污染物輸運及其對生態環境的影響規律；(3)重大環境災害發生機理及預報— 熱帶氣旋、風暴潮/洪水預測、滑坡/泥石流產生機理、全球變暖等
【經典力學】
【釋義】
1、研究物體機械運動規律及其應用的學科。
2、<書> 努力學習：力學不倦
【簡介】
力學是研究物質機械運動規律的科學。自然界物質有多種層次，從宇觀的宇宙體系，宏觀的天體和常規物體，細觀的顆粒、纖維、晶體，到微觀的分子、原子、基本粒子。通常理解的力學以研究天然的或人工的宏觀對象為主。但由於學科的互相滲透，有時也涉及宇觀或細觀甚至微觀各層次中的對象以及有關的規律。
力學又稱經典力學，是研究通常尺寸的物體在受力下的形變，以及速度遠低於光速的運動過程的一門自然科學。力學是物理學、天文學和許多工程學的基礎，機械、建築、航天器和船艦等的合理設計都必須以經典力學為基本依據。
機械運動是物質運動的最基本的形式。機械運動亦即力學運動，是物質在時間、空間中的位置變化，包括移動、轉動、流動、變形、振動、波動、擴散等。而平衡或靜止，則是其中的特殊情況。物質運動的其他形式還有熱運動、電磁運動、原子及其內部的運動和化學運動等。
力是物質間的一種相互作用，機械運動狀態的變化是由這種相互作用引起的。靜止和運動狀態不變，則意味著各作用力在某種意義上的平衡。因此，力學可以說是力和(機械)運動的科學。

D. 復合材料界面的《復合材料界面》

ISBN：712208573
版 次：1
包 裝：精裝
開 本：小16開
頁 數：208頁
字 數：269千字 第1章 界面和界面的形成1
1.1 界面和界相1
1.2 界面的形成機理1
1.2.1 物理結合2
1.2.2 化學結合5
1.3 界面的作用6
參考文獻8
第2章 復合材料界面的微觀結構9
2.1 概述9
2.2 界面斷裂面的形貌結構9
2.2.1 形貌結構的表徵方法10
2.2.2 界面斷裂面的形貌結構13
2.3 界面的微觀結構15
2.3.1 表徵方法15
2.3.2 陶瓷基復合材料21
2.3.3 金屬基復合材料26
2.3.4 聚合物基復合材料28
2.4 界面的成分分析29
2.4.1 特徵X射線分析29
2.4.2 背散射電子分析31
2.4.3 俄歇電子分析32
2.5 界面微觀結構的AFM表徵33
2.5.1 基本原理34
2.5.2 實驗技術和圖像解釋34
2.5.3 碳纖維增強復合材料的界面37
2.5.4 聚合物纖維增強復合材料的界面38
2.6 界面微觀結構的拉曼光譜表徵40
2.6.1 界面碳晶粒的大小和有序度41
2.6.2 界面組成物的形成43
2.6.3 界面層組成物的分布43
參考文獻45
第3章 復合材料界面微觀力學的傳統實驗方法48
3.1 概述48
3.2 單纖維拉出（pull?out）試驗49
3.2.1 試驗裝置和試樣制備49
3.2.2 數據分析和處理50
3.3 微滴包埋拉出（microdroplet,microbonding）試驗51
3.3.1 試驗裝置和試樣制備52
3.3.2 數據分析和處理53
3.3.3 適用范圍55
3.4 單纖維斷裂(fragmentation)試驗56
3.4.1 試樣制備和實驗裝置57
3.4.2 數據分析和處理58
3.4.3 適用范圍59
3.5 纖維壓出（push?out,push?in,microdebonding）試驗60
3.5.1 數據處理60
3.5.2 適用范圍63
3.6 彎曲試驗、剪切試驗和Broutman試驗63
3.6.1 橫向彎曲試驗63
3.6.2 層間剪切強度試驗64
3.6.3 Broutman試驗64
3.7 傳統實驗方法的缺陷64
參考文獻65
第4章 界面研究的拉曼和熒光光譜術68
4.1 概述68
4.2 拉曼光譜和熒光光譜68
4.2.1 拉曼效應和拉曼光譜68
4.2.2 拉曼峰特性與材料微觀結構的關系70
4.2.3 熒光的發射和熒光光譜73
4.3 纖維應變對拉曼峰頻移的影響74
4.3.1 壓力和溫度對拉曼峰參數的影響74
4.3.2 拉曼峰頻移與纖維應變的關系74
4.4 熒光峰波數與應力的關系75
4.4.1 熒光光譜的壓譜效應75
4.4.2 單晶氧化鋁的壓譜系數及其測定76
4.4.3 多晶氧化鋁纖維熒光峰波數與應變的關系78
4.4.4 玻璃纖維熒光峰波長與應變/應力的關系80
4.5 顯微拉曼光譜術82
4.5.1 拉曼光譜儀82
4.5.2 顯微系統84
4.5.3 試樣准備和安置85
4.6 拉曼力學感測器86
4.6.1 碳納米管86
4.6.2 二乙炔?聚氨酯共聚物87
4.7 彎曲試驗88
4.7.1 四支點彎曲88
4.7.2 三支點彎曲88
4.7.3 懸臂梁彎曲89
參考文獻89
第5章 碳纖維增強復合材料91
5.1 碳纖維表面的微觀結構91
5.2 碳纖維形變微觀力學94
5.3 碳纖維/聚合物復合材料的界面97
5.3.1 熱固性聚合物基復合材料97
5.3.2 熱塑性聚合物基復合材料103
5.4 碳/碳復合材料的界面105
5.5 碳纖維復合材料的應力集中108
5.5.1 應力集中和應力集中因子108
5.5.2 碳纖維/環氧樹脂復合材料的應力集中110
參考文獻113
第6章 碳納米管增強復合材料115
6.1 概述115
6.2 碳納米管的形變行為117
6.3 碳納米管/聚合物復合材料的界面結合和應力傳遞122
6.3.1 界面應力傳遞122
6.3.2 界面結合物理125
6.3.3 界面結合化學128
6.4 碳納米管/聚合物復合材料的界面能130
參考文獻131
第7章 玻璃纖維增強復合材料134
7.1 概述134
7.2 玻璃纖維增強復合材料的界面應力135
7.2.1 間接測量法135
7.2.2 直接測量法139
7.3 界面附近基體的應力場140
7.4 纖維斷裂引起的應力集中142
7.5 光學纖維內芯/外殼界面的應力場144
參考文獻146
第8章 陶瓷纖維增強復合材料147
8.1 概述147
8.2 陶瓷纖維的表面處理147
8.2.1 塗層材料和塗覆技術147
8.2.2 碳化硅纖維的表面塗層148
8.2.3 氧化鋁纖維的表面塗層150
8.3 陶瓷纖維的形變微觀力學151
8.3.1 碳化硅纖維和單絲151
8.3.2 應變氧化鋁纖維的拉曼光譜行為155
8.3.3 應變氧化鋁纖維的熒光光譜行為157
8.4 碳化硅纖維增強復合材料的界面行為158
8.4.1 碳化硅纖維/玻璃復合材料158
8.4.2 壓縮負載下SiC/SiC復合材料的界面行為162
8.4.3 纖維搭橋164
8.5 氧化鋁纖維增強復合材料的界面行為167
8.5.1 氧化鋁纖維/玻璃復合材料167
8.5.2 氧化鋁纖維/金屬復合材料174
8.5.3 纖維的徑向應力175
8.5.4 纖維間的相互作用179
8.6 熱殘余應力181
8.6.1 理論預測181
8.6.2 實驗測定182
參考文獻184
第9章 高性能聚合物纖維增強復合材料187
9.1 高性能聚合物纖維的形變187
9.1.1 芳香族纖維和PBO纖維的分子形變187
9.1.2 超高分子量聚乙烯纖維的分子形變191
9.1.3 分子形變和晶體形變193
9.2 界面剪切應力194
9.2.1 概述194
9.2.2 芳香族纖維/環氧樹脂復合材料195
9.2.3 PBO纖維/環氧樹脂復合材料196
9.2.4 PE纖維/環氧樹脂復合材料200
9.3 纖維表面改性對界面行為的作用202
9.3.1 PPTA纖維表面的化學改性203
9.3.2 PE纖維的等離子體處理204
9.4 裂縫與纖維相互作用引起的界面行為205
參考文獻207 復合材料學是一門相對年輕的學科，涉及化學、物理學、力學、材料科學和工藝學等多學科領域。分散於各學科領域的復合材料工作者有一個共同關注的焦點——復合材料的界面。兩種脆性材料通過弱界面結合可以組合成一種韌性材料，而兩種材料的強結合則可能產生強度成倍增大的新材料，這是界面所起的作用。可以認為，對於給定的增強體和基體材料，界面是決定復合材料性能的決定性因素。長期以來，人們都努力於通過設計和製作結構和性能合適的界面以獲得符合預定性能的復合材料。顯然，充分了解界面行為是達到這一目標的前提。
有關復合材料的出版物十分豐富，然而卻很少有專門討論界面問題的書籍。關於界面問題的研究成果和最新進展又廣泛分散於各個學科領域的眾多出版物中，相關研究人員深感不便。本書試圖將界面行為的最新理論、測試技術和數據處理方法集合在一起，填補這個欠缺。
全書包含9章，主要涉及纖維增強復合材料的界面微觀結構和力作用下的界面行為，同時盡力將界面微觀行為與材料宏觀性能相聯系(盡管迄今為止這種關系並不很清晰，仍然是研究人員努力探索的目標)。第1章簡要闡述界面的定義，黏結機理和界面的作用。界面的微觀結構及其表徵方法安排在第2章；電子顯微術是傳統的基本方法，近10餘年來發展迅速的原子力顯微術和顯微拉曼光譜術提供了界面結構更豐富的信息。第3章涉及界面微觀力學研究的傳統實驗技術和數據處理方法以及主要幾種界面微觀力學理論，同時指出傳統實驗和分析方法的缺陷。將拉曼和熒光探針與傳統的界面微觀力學試驗相結合，形成了一種全新的、功能更豐富和更完善的實驗技術和數據分析方法，使界面微觀力學研究獲得重大進展。這是一個成功的、多學科合作的例子。第4章闡述該方法的基本原理和實驗技術以及對界面力學研究的主要貢獻。第5章～第9章分述幾種高性能纖維增強先進復合材料的界面力學行為。許多高技術產業不可缺少的碳纖維復合材料安排在第5章。近年來納米尺度增強體（納米管或納米纖維）的應用使復合材料界面研究面臨一個新的領域；例如，碳納米管的結構和表面性質與傳統纖維有很大差異，加上它的小尺寸效應，使其與基體形成的界面與傳統纖維增強復合材料的界面顯著不同，似乎提示應建立新的界面理論。同時，也要求使用新的與傳統方法不同的探索界面行為的方法，第6章闡述這一領域的最近進展。第7章涉及玻璃纖維增強復合材料，玻璃纖維仍然是目前使用量最大的增強纖維。陶瓷纖維增強復合材料是高溫和其他惡劣或特殊環境下不可缺少的先進材料，在國防和其他高科技領域中具有重要地位。對這類復合材料，界面的作用主要以材料增韌為目標，因而與其他復合材料有顯著不同的界面行為，這部分內容要安排在第8章。 復合材料的界面能否有效地傳遞負載，有賴於增強體與基體之間界面化學結合和物理結合的程度，強結合有利於應力的有效傳遞。界面結合的強弱顯然與界相區域物質的微觀結構密切相關。對於以增韌為目標的復合材料系統，則要求較弱的界面結合強度，期望在某一負載後發生界面破壞，引起界面脫結合（debonding），此後由增強體與基體之間的摩擦力承受負載。摩擦力的大小與脫結合後增強體和基體表面的粗糙度密切相關，而表面粗糙度則在一定程度上取決於界相區的形態學結構。
復合材料的結構缺陷，例如小孔、雜質和微裂縫，常常傾向於集中在界相區，這會引起增強復合材料性能的惡化。在材料使用過程中，由於濕氣和其他腐蝕性氣體的侵蝕，常常使界相區首先受到不可逆轉的破壞，從而成為器件損毀的引發點。
基於上述原因，不論在製造還是在使用過程中，復合材料的界面結構情景都吸引了人們特別的關注，成為探索復合材料界面行為的焦點之一。
本章所述界面結構主要是指界相區的結構，也包含鄰近界相區的基體和增強體的結構。許多復合材料的界相區與基體或增強體並無確切的邊界。即便是同一種復合材料，界面結構也非均勻一致，有的是明銳的邊界，有的是模糊的邊界。界相區有時是一個結構逐漸過渡的區域。對界面結構的完整認識，應該包含對其鄰近區域結構的檢測。

E. 什麼是界面力學,以及界面力學的發展現狀

混凝土細觀力學研究進展及評述

(1.北京工業大學分部，北京 100044;2.中國水利水電科學研究院 工程抗震研究中心，北京 100044)

摘要:本文介紹了混凝土細觀力學的研究方法，總結了到目前為止在細觀層次上對混凝土實驗研究和數值模擬的研究成果，詳細分析討論了格構模型、隨機骨料模型和隨機力學特性模型3種細觀力學數值模型的優缺點。目前混凝土細觀力學的研究主要集中對細觀數值模型的研究，已建立起來的細觀數值模型仍待完善，同時尚缺乏系統的各相材料力學特性參數試驗測定成果。用細觀力學數值模擬取代部分試驗任務還要做很多工作。
關鍵詞:混凝土；細觀力學；數值模擬；試驗研究
中圖分類號:TV313 文獻標識碼:A

1 引言

混凝土是由水、水泥和粗細骨料組成的復合材料。一般從特徵尺寸和研究方法的側重點不同將混凝土內部結構分為三個層次(如圖1):(1)微觀層次(Micro-level)。材料 的結構單元尺度在原子、分子量級，即從小於10-7cm~10-4cm著眼於水泥水化 物的微觀結構分析。由晶體結構及分子結構組成，可用電子顯微鏡觀察分析，是材料科學的研究對象；(2)細觀層次(Meso-level)。從分子尺度到宏觀尺度，其結構單元尺度變化范圍在10-4厘米至幾厘米，或更大些，著眼於粗細骨料、水泥水化物、孔隙、界面等細觀結構，組成多相復合材料，可按各類計算模型進行數值分析。在這個層次上，混凝土被認為是一種由粗骨料、硬化水泥砂漿和它們之間的過渡區(粘結帶)組成的三相材料。砂漿中的孔隙很小而量多，且隨機分布，水泥砂漿力學性能可以看作細觀均質損傷體。相同配合比、相同條件的砂漿試件，通常其力學性能也比較穩定，可以由試驗直接測定。由泌水、干縮和溫度變化引起粗骨料和水泥砂漿之間產生初始粘結裂縫，而這些細觀內部裂隙的發展將直接影響混凝土的宏觀力學性能；(3)宏觀層次(Macro-level)。特徵尺寸大於幾厘米，混凝土作為非均質材料存在著一種特徵體積，一般認為是相當於3~4倍的最大骨料體積。當小於特徵體積時，材料的非均質性質將會十分明顯；當大於特徵體積時，材料假定為均質。有限元計算結果反映了一定體積內的平均效應，這個特徵體積的平均應力和平均應變的關系成為宏觀的應力應變關系。

圖1 混凝土的層次結構示意

長期以來，人們對混凝土材料和構件宏觀力學性能的劣化直至破壞全過程的機理、本構關系、力學模型和計算方法都非常重視，並且用各種理論和方法進行了研究。為了研究其材料組織結構和裂縫的開展以及在單軸、雙軸、三軸應力的作用與強度之間的關系，人們作了大量試驗。強度理論也從最簡單的最大拉應力理論、最大拉應變理論，發展到單剪應力系列、八面體剪應力系列、雙剪應力系列，直至現在的統一強度理論[1]。關於混凝土本構關系的研究也有大量文獻，概括起來混凝土本構關系模型[2,3]主要有以下三種:(1) 彈性本構模型，包括線彈性和非線性彈性本構模型；(2)以經典塑性理論為基礎的本構模型；(3)基於不可逆熱力學的本構模型，包括內蘊時間模型和損傷力學模型。

對混凝土細觀結構的研究表明，即使在載入以前，混凝土內部已有微裂縫存在。這種微裂縫一般首先在較大骨料顆粒與砂漿接觸面(粘結帶)上形成，即所謂的初始粘結裂縫。這是由於水泥砂漿在混凝土硬化過程中干縮引起的。砂漿和粗骨料接觸面處是混凝土內部的薄弱環節，正是這種接觸面導致混凝土具有較低的抗拉強度。粘結裂縫的數量取決於許多因素，包括骨料尺寸及其級配、水泥用量、水灰比、固化強度、養護條件、環境濕度和混凝土的發熱量等。由於骨料和砂漿的剛度不同，在載入過程中，這種裂縫還將進一步發展，以致使混凝土在宏觀上的應力應變曲線呈現出非線性。不均勻性是混凝土材料的最本質的特點，微裂縫是決定其性能的主導因素。

材料和物理學家從微觀的角度研究微缺陷產生和擴展的機理，但是所得結果不易與宏觀力學量相關聯。而著眼於宏觀裂紋分析的混凝土裂斷力學理論和方法，主要研究裂紋尖端附近的應力場、應變場和能量釋放率等，以建立宏觀裂紋起裂、裂紋的穩定擴展和失穩擴展的判據。但是斷裂力學無法分析宏觀裂紋出現以前材料中微缺陷或微裂紋的形成及其發展對材料力學性能的影響。

為了建立混凝土細微觀結構各種缺陷及其特性的不均勻性與其在宏觀力學特性的關系，自20世紀70年代末[4]，人們發展了混凝土細觀力學研究方法。

2 混凝土細觀力學的研究方法

細觀力學將混凝土看作由粗骨料、硬化水泥膠體以及兩者之間的界面粘結帶組成的三相非均質復合材料。選擇適當的混凝土細觀結構模型，在細觀層次上劃分單元，考慮骨料單元、固化水泥砂漿單元及界面單元材料力學特性的不同，以及簡單的破壞准則或損傷模型反映單元剛度的退化，利用數值方法計算模擬混凝土試件的裂縫擴展過程及破壞形態，直觀地反映出試件的損傷斷裂破壞機理。由於細觀上破壞或損傷單元剛度的退化，使得混凝土試件所受荷載與變形之間的關系表現為非線性。

細觀力學的研究需要將試驗、理論分析和數值計算三方面相結合。試驗觀測結果提供了細觀力學的實物物性數據和檢驗判斷標准；理論研究總結出細觀力學的基本原理和理論模型；數值模擬計算是細觀力學不可少的有效研究手段。人們可以在細觀層次上合理地採用各相介質本構關系的情況下，藉助於計算機的強大運算能力，對混凝土復雜的力學行為進行數值模擬，而且能夠避開試驗機特性對於試驗結果的影響。數值模擬可直觀再現混凝土細觀結構損傷和破壞過程。

當前混凝土細觀力學數值模擬主要沿著兩個方向進行:(1)將連續介質力學、損傷力學和計算力學相結合去分析細觀尺度的變形、損傷和破壞過程，以發展較精確的細觀本構關系和模擬細觀破壞的物理機制；(2)基於對細觀結構和細觀本構關系的認識，將隨機分析等理論方法與計算力學相結合去預測材料的宏觀性質和本構關系，對混凝土試件的宏觀響應進行計算模擬。

3 混凝土細觀力學的試驗研究

隨著自動控制系統和電液伺服載入系統在結構試驗中的廣泛應用，從根本上改變了試驗載入的技術，由過去的重力載入逐步改進為液壓載入，進而過渡到低周反復載入、擬動力載入以及地震模擬隨機振動台載入等。CT掃描，微波內部成像，聲發射以及光纖應變感測器等已應用於解決應力、位移、裂縫、內部缺陷、損傷及振動的量測問題[5~14]。在試驗數據的採集和處理方面，實現了量測數據的快速採集、自動化記錄和數據自動處理分析等。與計算機聯機的擬動力伺服載入系統可以在靜力狀態下量測結構的動力反應。由計算機完成的各種數據採集和自動處理系統可以准確、及時、完整地收集並表達荷載與試件材料行為的各種信息。

試驗的作用有兩個方面:一方面，為細觀數值模擬提供基礎數據，包括試樣組成材料的細觀力學性質、試樣的尺寸等；另一方面，檢驗數值模擬結果的可靠性。在從細觀層次入手進行混凝土的斷裂過程模擬時，混凝土被視為由砂漿基質、粗骨料以及兩者之間界面組成的復合材料，必須通過試驗確定這三相組成材料的力學性質(包括 彈性模量、強度、本構關系等)，以此為基礎才能進行混凝土試樣的斷裂過程模擬，但是模擬結果還必須與真實試件的宏觀試驗結果進行比較，以驗證其正確性和適用性。

但在細觀層次上，研究混凝土各相材料的試驗資料並不多。進行細觀力學數值模擬試驗要以基本試驗數據為基礎，數值模擬的結果最終還要得到宏觀試驗結果的驗證。作者所見的國內最早進行水泥漿體與骨料界面結合能力試驗研究是同濟大學的吳科如等人[15]，文獻[15]設計了4種結合類型，分別測定了大理石粗骨料與水泥漿體結合面的劈拉強度和斷裂能，並討論了增強硬化水泥漿體-粗骨料界面結合力對混凝土斷裂能的影響。劉光廷等[16]給出了粗骨料、水泥漿體及其結合面的抗拉強度、彈模等統計參數。宋玉普[17]介紹了全級配混凝土試件進行的系列試驗，研究了全級配混凝土試件單軸抗拉、抗壓、襞裂抗拉和抗折的強度及變形等特性，對試件的破壞形態及裂紋傳播路徑等進行了統計處理。van Mier J G M[18] Horsch T和Schlangen E[20,21]等[19]給出了混凝土三相組成材料的力學特性具有參考價值的試驗資料。文獻[18]系統地討論了混凝土單軸壓、單軸拉，剪切(Ⅱ，Ⅲ及混合型)微裂縫產生、擴展過程和細觀力學機制，研究了骨料尺寸、類型、水灰比、養護條件以及壓板摩擦約束和剛度對試驗結果的影響。Hordijk D A[22]基於非線性斷裂力學，比較系統地進行了素混凝土試件單軸拉伸和疲勞載入以及四點彎曲梁循環載入試驗及數值模擬，繪出了應力變形全曲線，並總結了相應的本構關系。應該指出，上述文獻有關骨料、固化水泥砂漿基質的力學特性都有一些試驗統計數據，而水泥骨料結合面力學特性指標的試驗研究則較為少見。組成混凝土各相材料的力學特性是進行數值模擬的基礎。為了獲得這些基本參數，有針對性地進行試驗，特別是對水泥骨料結合面的力學特性開展研究是必不可少的。

「九五」期間，中國水利水電科學研究院結合小灣高拱壩工程，進行了大壩全級配混凝土靜、動態試件的試驗研究[23]。該項試驗研究試件樣本容量較少，但據此得出的初步結論表明:在與高拱壩長周期相應的載入速率下，全級配混凝土和濕篩混凝土的動態抗壓強度及動態抗壓彈性模量較靜態值提高幅度不等，但都低於目前規范所規定的30%；在試驗的載入速度下，全級配混凝土的動態彎拉強度和動態彎拉彈性模量較靜態值提高幅度均低於30%。另外，特別值得注意的是，具有初始靜載試驗的極限彎拉強度並不小於動態彎拉強度，不同初始靜載對極限彎拉強度未見有不利的影響。

混凝土是一種多相介質的復合材料，其力學特性與所採用的水泥標號、骨料質量、水灰比、混凝土的配合比、製作方法、養護條件以及混凝土齡期等有關。試驗時採用的試件尺寸和形狀、試驗方法和載入速度不同，測得的數據也不同。因此，深入系統地進行全級配大壩混凝土的靜、動態試驗研究，弄清全級配混凝土和濕篩混凝土的力學特性及其在不同初始靜載時的動強度變化規律對高拱壩抗震設計是至關重要的。這是我國強震區高拱壩抗震研究中的薄弱環節，急需加強。

4 細觀力學數值模擬研究

混凝土力學試驗是研究其斷裂過程和宏觀力學性質的基本手段。但是，由於試驗條件的限制，往往其試驗結果不能反映試件的材料特性，而只能反映整個試樣-載入系統的結構特性。細觀力學數值模擬，在計算模型合理和混凝土各相材料特性數據足夠精確的條件下，可以取代部分試驗，而且能夠避開試驗條件的客觀限制和人為因素對其結果的影響。Wittmann F H[24]和Zaitsev Y V[4,25]把混凝土看作非均質復合材料，在細觀層次上研究了混凝土的結構、力學特性和裂縫擴展過程。隨著計算技術的發展，在細觀層次上利用數值方法直接模擬混凝土試件或結構的裂縫擴展過程及破壞形態，直觀地反映出試件的損傷破壞機理引起了廣泛的注意。近十幾年來，基於混凝土的細觀結構，人們提出了許多研究混凝土斷裂過程的細觀力學模型，最具典型的有格構模型(Lattice model)、隨機粒子模型(Random particle model)[26]、Mohamed A R[27]等提出的細觀模型、隨機骨料模型(Random aggregate model)及唐春安等人[28,29]提出的隨機力學特性模型等。這些模型都假定混凝土是砂漿基質、骨料和兩者之間的粘結帶組成的三相復合材料，用細觀層次上的簡單本構關系來模擬復雜的宏觀斷裂過程。另外，文獻[30~32]根據混凝土材料特性與分形維數的相關關系，運用分形方 法定量描述了混凝土的損傷演化行為。

4.1 格構模型 格構模型將 連續介質在細觀尺度上被離散成由彈性桿或梁單元連結而成的格構系統，如圖2。每個單元代表材料的一小部分(如岩石、混凝土的固體基質)。網格一般為規則三角形或四邊形，也可是隨機形態的不規則網格。單元採用簡單的本構關系(如彈脆性本構關系)和破壞准則，並考慮骨料分布及各相力學特性分布的隨機性。計算時，在外載作用下對整體網格進行線彈性分析，計算出格構中各單元的局部應力，超過破壞閾值的單元將從系統中除去，單元的破壞為不可逆過程。單元破壞後，荷載將重新分

圖2 格構模型

配，再次計算以得出下個破壞單元。不斷重復該計算過程，直至整個系統完全破壞，各單元的漸進破壞即可用於模擬材料的宏觀破壞過程。

格構模型思想產生於50多年前，當時由於缺乏足夠的數值計算能力，僅僅停留在理論上。20世紀80年代後期，該模型被用於非均質材料的破壞過程模擬[18,20,21,33~36]。後來，Schlangen E等人[20,21,33~36]將格構模型應用於混凝土斷裂破壞研究，模擬了混凝土及其它非均質材料所表現的典型破壞機理和開裂面的貫通過程。van Mier J G M在文獻[18]中用該模型模擬了單軸拉伸、聯合拉剪、單軸壓縮試驗。在國內，楊強等人[37-39]採用格構模型模擬了岩石類材料開裂、破壞過程以及岩石中錨桿拔出試驗。上述研究都是針對平面問題進行的，據有關資料介紹，van Mier J G M等人正將格構模型應用於混凝土開裂的三維問題研究。有關研究表明，利用格構模型模擬由於拉伸破壞所引起的斷裂過程是非常有效的，但用於模 擬混凝土等材料在壓縮荷載(包括單軸壓縮和多軸壓縮)作用下的宏觀效應時，結果不夠理想。另外，用該模型得到的荷載-位移曲線呈脆性，與混凝土的實際不符[35]。實際上，格構模型採用的桿單元的本構關系和破壞准則較為簡單，但不能反映單元實際變形形態，單元的破壞為不可逆過程，因此很難反映卸載問題。

4.2 隨機骨料模型 將混凝土看作由骨料、硬化水泥膠體以及兩者之間的粘結帶組成的三相非均質復合材料。藉助由富勒(Fuller)三 維骨料級配曲線轉化到二維骨料級配曲線的瓦拉文公式[40]確定骨料顆粒數，按照蒙特卡羅方法(Monte Carlo Method)在試件內隨機生成骨料分布模型。將有限元網路投影到該骨料結構上(如圖3)，或對試件剖面內的粗骨料及水泥砂漿基底直接進行有限元網格剖分，然後根據骨料在網格中的位置判定單元類型(如:骨料單元、固化水泥砂漿單元及界面單元)，並依單元類型賦予相應的材料特性。由於各相材料的彈性常數、強度不同，以及破壞單元剛度的變化，使得混凝土試件所受荷載與變形之間的關系表現為非線性。利用考慮混凝土彈性模量或強度退化的非線性有限元方法計算模擬混凝土試件的裂縫擴展過程及破壞形態，直觀地反映試件的損傷斷裂破壞機理。隨機骨料模型未考慮各相材料力學特性分布的隨機性，如何合理地選擇破壞單元的本構關系和破壞准則或各相材料的損傷演化模型也需要進一步研究。
骨料單元(灰色)；砂漿單元(無色)；
界面單元(黑色)
圖3 隨機骨料模型及單元屬性定義

目前的研究基本上限於平面問題。劉光廷[16]用隨機骨料模型數值模擬了混凝土材料的斷裂。宋玉普[17]基於隨機骨料模型模擬計算了單軸抗拉、抗壓的各種本構行為，計算了雙軸下的強度及劈裂破壞過程，並引入了斷裂力學的強度准則，模擬了各種受力狀態下的裂紋擴展。黎保琨等人[41~43]，對碾壓混凝土細觀損傷斷裂進行了研究，模擬了碾壓混凝土靜力特性及試件尺寸效應。以上研究基於瓦拉文公式所確定的圓形骨料模型都假定骨料顆粒為球型。為了盡可能模擬實際骨料的形態，王宗敏[44]利用一種凸多邊形骨料模型，按正交異性損傷本構關系，數值模擬了混凝土應變軟化與局部化過程。高政國等[45]進一步研究了二維混凝土多邊形隨機骨料的投放演算法，確定了以面積為標度的骨料侵入判斷准則和凸多邊形骨料生成方式，在此基礎上形成二維混凝土骨料投放演算法。現已提出以體積為標度的三維混凝土骨料隨機投放方法[46]。

4.3 隨機力學特性模型 該模型是唐春安等人[28,29]提出的(如圖4)。為了考慮混凝土各相組分力學特性分布的隨機性，將各組分的材料特性按照某個給定的Weibull分布來賦值。各個組分(包括砂漿基質、骨料和界面) 投影在網格上進行有限元分析，並賦予各相材料單元以不同的力學參數，從數值上得到一個力學特性隨機分布的混凝土數值試樣。用有限元法計算這些細觀單元的應力和位移。按照彈性損傷本構關系描述細觀單元的損傷演化。按最大拉應力(或者拉應變准則)和摩爾庫侖准則分別作為細觀單元發生拉伸損傷和剪切損傷的閾值條件。文獻[29]利用該模型分別對混凝土單軸拉壓、雙軸拉壓組合、拉伸Ⅰ型斷裂、三點彎拉以及剪切斷裂進行了較為系統的數值模擬。但沒有考慮試件內各級配骨料分布的隨機性。實際上混凝土的骨料級配及骨料空間分布的隨機性，對計算結果均有影響。

圖4 隨機力學特性模型

到目前為止，在細觀層次上對混凝土數值模擬大都為平面靜力問題，並僅限於少級配小尺寸混凝土試件的研究，多數文獻注重對破壞過程的數值模擬，距可以替代部分試驗的目標還相差甚遠，而模擬全級配混凝土在靜、動力作用下的破壞過程仍是一項空白。

5 結束語

迄今為止，盡管應用格構模型進行數值模擬的成果較多，並且有很多優點，但該類模型不能反映單元實際變形形態，單元的破壞為不可逆過程，很難反映卸載和動力反復載入問題。隨機骨料模型未考慮各相力學特性在計算域內的隨機分布，而隨機力學特性模型未考慮骨料顆粒在計算域內的隨機分布。實際上，粗骨料顆粒在試件域內的隨機分布及各相細觀材料的力學特性在試件域內的隨機分布對混凝土試件的宏觀力學特性均有一定影響，因此，這些細觀模型均有待改進。混凝土細觀力學是建立在實際試驗基礎上的，混凝土各相介質的力學特性、損傷本構關系及其損傷演化規律都必須經過試驗測定。 將連續介質力學、損傷力學和計算力學相結合，輸入參數的不定性與概率統計理論相結合，試驗與計算相結合的細觀力學方法，已經架起了混凝土微觀結構與宏觀力學特性的連接橋梁，試驗觀測手段的改進和計算機技術的飛速 發展給混凝土細觀力學的研究展示了廣闊的前景。

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F. 何其昌的主要研究方向

(1) 界面力學
(2) 細觀力學
(3) 接觸力學
(4) 斷裂力學

G. 地質力學和板塊構造學理論與研究方法之比較

通過比較研究，我們可以體會到地質力學和板塊構造學有許多共同點，如都強調水平運動、都堅持力學性質的研究、都重視建造與改造的研究、目前都只能說明中生代以來的地質構造問題等^［1］。但是，我們也看到了它們之間有許多不同，特別是在研究思路和理論體系方面存在許多不同，其中重要的有如下幾點:

(1)地質力學從大陸構造開始研究，所以有人又稱其為大陸動力學。它強調地殼的表層滑動;而板塊構造則是從海洋構造開始研究，強調岩石圈深部帶動表層構造的運動。

(2)地質力學重視構造形變研究，認為只有構造形變是不存在多解性的地殼運動的歷史記錄。它研究地殼運動的思路是從構造形跡的共生組合確定構造型式和構造體系，從構造型式和構造體系反演地殼運動的程式，再從地殼運動的程式探求地殼運動的力源。這是一條嚴謹的認識路線。這條認識路線是李四光及其科研集體經過艱辛探索才形成的，它有別於傳統大地構造學只研究大塊體的運動，而有很大的優越性。從某種意義上講，它代表著構造地質學未來的發展方向，因為只要是研究地質構造就必須研究其力學的本質，追究其力的來源。但也有它的局限性，即主要只強調大陸構造和表層構造的研究，對於海洋構造和深部構造的研究比較薄弱;而地殼和岩石圈的運動既有來自天體方面的原因，也有來自地球自身的原因，單純強調地球自轉速率的變化，就顯得不夠全面。板塊構造理論重視塊體的運動，通過古地磁緯度記錄、古生物地理的變化來反演塊體的水平運動，通過各種岩石學標志和構造遺跡來確定古板塊的邊界和古板塊的地質運動。板塊構造學說所運用的這些方法雖然有些本身還存在理論論證問題(如古地磁學)或存在多解性(如某些建造分析方法)，但以其方法的多樣性和綜合性能夠最大限度地引用當代地學各分科的最新科學技術方法和手段，使其能夠解決許多在這以前無法解決的地質構造問題，特別是使其能夠進入地學和構造地質學許多前緣課題的研究，如岩石圈深部的研究，藉助岩石圈探針和地球物理學、同位素地質學等許多最新研究手段向岩石圈深部軟流圈乃至地核進軍。如前述及的地幔柱等方面的研究已經成為板塊構造研究的前緣課題，它顯示板塊構造學開始突破岩石圈的范圍，而與地球的核、幔、殼演化研究結合起來。

(3)地質力學與板塊構造學的理論體系存在很大的不同:地質力學創始人非常明確學科要解決的理論問題是地殼運動問題，為了解決地殼運動問題，科學地探索出解決這一理論問題的方法學和認識路線，由此形成了自己的理論體系。如果我們回顧地質力學大陸車閥說的形成過程，我們就不難看出它是從總結區域和全球構造型式和構造體系的空間展布規律發現全球構造格局的緯向、經向和扭動構造型式的展布所反演的全球水平構造力的作用，再進而追索這些構造力的來源與地球自轉速率變化的關系。這樣就形成了一個從地球的整體運動—地球的自轉—控制和發動地球的表層—地殼的運動，再由地殼的運動形成各種構造體系和構造型式的嚴謹的科學和理論認識體系。事實上，總結全球構造格局的基本特徵，不僅全球規模的經向和緯向構造與地球自轉軸有嚴格的幾何關系，而且極區的同心圈狀、放射性斷裂系，大陸內部的共軛剪切斷裂系，EW向的大洋中脊轉換斷層與地球緯度帶(愈近赤道，走滑斷距愈大)也都表現出與地球自轉軸有嚴格的幾何關系、與地球的自轉有成因聯系。

但是，由這樣一個理論認識體系所提出的地球動力機制如同當年的大陸漂移說一樣碰到了極大的困難，即計算表明，李四光所認為的地球自轉速率變化所產生的經向慣性離心力和緯向慣性力就其強度和數量級而言，都不足以發動一場大規模的構造運動和全球規模的構造形變。王仁等^［2～4］曾按分層均質流變體模型(緩變模型)計算分析了地球自轉速率變化所致的全球構造應力場。結果表明，地球自轉速率變化所導致的構造應力的量級(10^－2～nPa)與現今不同方法實測所得的古、今構造應力量級(MPa)相比，都顯得太小，幾乎可以忽略不計(快速模型所獲得的量級更小)。很難想像，如此小的構造應力能驅動地殼與岩石圈塊體的水平運動。因此，王仁等^［2～4］、李東旭(1986)、高慶華(1996)都曾先後認為實際地球體在長時間尺度內表現出流變特性，用緩變模型描述更為合理，且在緩變模型中，應考慮應力隨時間的長期積累效應。若地球在10Ma內長期保持加速或減速，則自轉速率變化所致的應力積累至MPa量級這樣的構造應力就足以產生顯著的構造效應^［2～4］。但對於構造應力能否隨時間加大而積累的問題，尚缺乏實驗依據，許多地質、地球物理與力學專家對此尚持否定態度^［5］。

李四光提出的地球自轉速率變化所引起的地球動力學機制遇到了重大的挑戰，這種挑戰推動了對地球自轉動力作用的研究，地球科學界在否定過高估計地球慣性力(經向離心慣性力和緯向慣性力)的同時，對其他作用力進行了科學評估。

已經提出的驅動岩石圈地殼運動的動力有地幔對流、重力和熱動力、洋脊推力、板塊負浮力、碰撞擠壓力、地球自轉所致慣性離心力、周期性引潮力、西向引潮力、科里奧里力等。

科里奧里力的數量級非常小，對地殼構造運動幾乎不起作用，可以忽略不計。理論計算分析表明，地幔對流能產生MPa量級的構造應力，但地幔對流模式存在很多問題，難以說明地球內部特別是大陸內部的動力學過程，而且受到地幔分層性、大陸巨厚山根等新研究成果的反對和制約。板塊俯沖或陸陸碰撞所產生的構造應力屬於次一級的構造應力場，而非驅動板塊運動的構造應力。熱動力和重力是重要的構造力量，但在驅動板塊運動時主要表現在洋脊推力和地幔對流之中。看來能夠對板塊的拉張與擠壓起到驅動作用的主要是西向引潮力和周期性的引潮力，兩者所致的構造應力都能達到10⁴～10⁵Pa的量級，而且這兩種應力都屬於交變應力。周期性引潮力應力大小與方向都隨時間變化作周期性變化，屬於對稱循環交變應力;西向引潮力僅應力大小隨時間作周期性變化，而應力方向始終向西，屬於脈動交變應力。如前所述，交變應力能降低岩石強度和疲勞極限，而且這兩種交變應力的循環次數均達10¹⁰次的量級，因此這兩種構造動力的實際動力學效應相當於10⁵～10⁶Pa以上的靜態構造動力，有顯著的構造動力學意義。但周期性引潮力所致的應力，由於其方向也隨時間作周期性變化，所以對構造過程僅有觸發作用，而無驅動作用;而西向引潮力僅應力大小作周期性變化，應力方向是基本恆定的以西向為主，所以對驅動岩石圈水平運動有重要意義，是導致岩石圈總體西向運動的主要動力，屬全球構造運動的基本驅動力之一^［5］。

由此可見，驅動構造運動的基本動力仍然與地球自轉有關，只不過不是李四光原來意義上的離心慣性力而是西向引潮力，它可以很好地解釋經向大洋中脊的展布及洋脊推力的產生。

王仁等^［3］指出，日、月引潮力，錢德勒擺動和地球自轉速率的短期變化所引起的地應力，在一個范圍內正負交替作用周期性變化不能積累。因此盡管引潮力所引起的應力較大(10^－1N/cm的量級)，最多隻能起到觸發構造運動的作用。要推動構造運動必須依靠非周期性的力，造成應力的積累。有人認為地球自轉軸可能有過大范圍的移動，地軸只要有20°左右的移動，就足以積累所引起構造運動的應力了。王仁曾採用緩變地球模型(厚度為80～400km的線性黏彈性殼體，內部為不可壓縮流體)進行計算，約在10⁶年左右可將地殼看成完全彈性的，進行應力疊加，將應力積累到10MPa的數量級，它足以引起拉張破裂和垂直於壓應力的褶皺。按王仁的分析，若地球自轉速度在10⁶年內保持同一加速率變化，將在中低緯度產生足夠的東西向拉應力造成洋中脊和全球性剪切破裂網路，同一時期的減速率將可造成極圈的同心弧和放射狀斷裂。問題在於會不會有這樣的加速率時期^［6］。交變應力對構造形變的意義是一些構造學者所關注的。眾所周知，滴水可以穿石，岩石在長時間的交變應力作用下會減低強度而易於變形。一方面是客觀上存在著全球性的緯向構造，另一方面形成這種構造的力量又不夠大。這個矛盾看來也只有藉助於長期的岩石流變了。張文佑等^［6］從天文地質和地球表面形態、構造形跡等方面進一步系統論證地質力學的理論觀點。他指出，月球、水星、火星等表面反射光像圖所顯示的線狀構造和環形山、火山的排列，也大多為經向和緯向兩種方位，一個旋轉著的天體，其表面構造與其旋轉軸之間必定有很大的聯系。離極力的量級雖小，但在漫長的地質歷史期內，我們不應該用常溫常壓常速條件下岩石力學的概念來理解地質歷史中的岩石在特殊溫壓條件下的長期蠕變。另一方面，地球各圈層的物理、化學性質有差異，可使應力在不均一處集中，離極力的量級可以增大，這一點不容忽視。現在已經確定，有許多緯向構造帶具有平移性質，而且有愈近赤道，平移距離愈大的趨勢。南極大陸有逆時針旋轉的現象，而北冰洋周圍的大陸，又略似有順時針旋轉的現象。李四光早年曾提出由於地球自轉速率變化所引起的岩石圈與水圈之間的相對扁率的變化，張文佑認為這種相對扁率的變化不僅可發生在岩石圈與水圈之間，而且還可能發生在岩石圈與軟流圈之間，地幔與地核之間，以及一切具有不同密度和黏滯系數的地球各圈層界面之間。這種相對扁率的變化對岩石圈構造變形會發生什麼樣的影響是很值得研究的。李四光認為，在角動量基本守恆的前提下，地球內部物質向地心運動，這將使地球轉動角動量矩變小，從而使自轉角速度加快;反之，若地球內部物質向外運動，地球轉動量矩則變大，從而導致自轉角速度變慢。在這種質量再分配過程中(同時加上外部天體的影響)，地球自轉軸也可能發生一定程度的偏轉。地球自轉速度與自轉軸的擺動又將導致離極力、科里奧里力、旋轉速度不均一效應的變化與極移應力的產生，以及地球內部各圈層間相對扁率的變化和滑動。地球表面南極為大陸，北極為海洋，其形態如鴨梨狀，而重力均衡則呈倒置鴨梨型;洋脊擴張帶和海溝消減帶大致均呈經向和緯向;極擴張軸與旋轉軸相交，又大致與地球赤道面和黃道面夾角相等(圖1)。約為地軸搖擺角的倍數，這些現象都似乎與地球自轉有關^［6］。

西向引潮力的存在只能解釋經向構造的形成，而離極力和經向切向力量級又太小，不足以形成緯向構造，看來形成緯向構造的構造動力只有另找答案。馬宗晉等^［7］提出全球表層構造格架具有N/S半球與0°/180°半球雙重脹縮非對稱性，本書作者認為從中可能找到形成緯向構造的動力:正是由於南半球地球的膨脹大於北半球，形成環南極洲的大洋中脊，南半球成為水半球;北半球收縮相對大於南半球，從而大陸塊聚集於北半球，成為陸半球，並在北半球形成擠壓性的緯向構造。李四光在他的大陸車閥說中也談到在角動量等恆定律的支配下，當地球自轉速率加快時，地球會相對收縮;當自轉速率減弱時，地球會相對膨脹，因此地球的脹縮除了地球內部能量的集散和重力、熱力的原因以外，地球自轉速率的變化也是一個可能的誘發因素。

圖1 板塊沿球面的旋轉運動( 據 F. Press et al. ，1978) Fig. 1 The rotational movement alongthe global surface( After F. Press et al. ，1978)，

近年來積累起來的一些對地質構造現象規律性的認識也進一步揭示地球自轉動力作用的意義，例如Meyerhoff等^［8］通過對全球許多構造帶的調查，總結出54種朝東定向的構造現象，其中如火山弧和弧後盆地集中在西太平洋，弧頂指向東方，許多褶皺帶中SN向火山深成岩帶隨時間向東遷移，SN向褶皺帶和盆地中心隨時間向東遷移等。還有，按李四光的說法，大規模的地殼運動發生在地球自轉的加速期和減慢期，但地球自轉速度變化的總趨勢是長期減慢，因而學者們提出是否存在能夠積累應變的長期加速段值得懷疑。不過，地質歷史上的地質陳跡揭示出地球確實存在相對的不均勻膨脹和收縮，這是否可以間接論證地球自轉速率有過周期性的加速與減慢?當代固體地球科學的一個重要發現是地球內部內核、外核、地幔的自轉速度是不等的，並由此產生了一系列重要的地球動力現象，諸如地磁場及其極性倒轉，地幔柱、熱點的移動，地球內部一系列徑向構造和圈層構造等。結合地球內部物質結構等新資料，充分考慮岩石圈的自轉、核幔自轉和岩石圈不同塊體間自轉的差異性，看來是推動地球自轉動力說的一條途徑^［9］。Raralli等^［10］論證了地幔與液態外核之間的角速度差可以解釋所觀測到的地磁場中心長期緩慢向西漂移現象。

綜上所述可知，隨著科學的進步和對地球自轉動力作用的深入研究，盡管李四光原來的一些觀點和結論受到置疑和修正，但就其理論體系的核心———地球自轉及其變化的動力作用學說來說不僅沒有削弱，反而得到加強。全球構造型式和構造體系的展布與地球旋轉軸有嚴格的幾何關系是不容置疑的客觀事實，其成生與地球的自轉有關，暫時不能闡明並不等於這種客觀的生因不存在，這就是地質力學理論體系的優越之處。它的優越性不只是表現在它的整體論和系統論的科學觀方面，而且還在於它是建立在對(或深刻揭示出)自然界對立統一的法則認識之上。

地質力學除了在動力學機制問題上受到挑戰外，在解釋地質構造的演化歷史方面也受到嚴重的挑戰。李四光一再申明，他所建立的構造體系是中生代以來的，也就是說他的全球構造格局也主要是中生代以來的，他的全球構造格架與地球自轉軸有嚴格的幾何關系，一旦地球自轉軸發生變動，全球構造格局也就會發生變動，地質力學對地質歷史上發生的超級大陸的形成與裂散、大洋的形成與消減和陸塊的漂移至少在目前還無能為力加以合理的解釋。

至於談到板塊構造的理論體系，如前所述，板塊構造說是在海底擴張和大陸漂移等地質事實的基礎上總結出來的。板塊構造的開合機制，是根據岩石圈板塊的開合推導出地幔流是其動力學機制。近年來對熱點的研究和地幔柱構造學的發展，似乎為岩石圈板塊的開合找到了深層的動力學機制。如前文曾經提到的，岩石圈地殼運動的原因既有來自宇宙天體運動方面的原因，也有來自地球內部的原因，板塊說側重從地球內部尋找岩石圈地殼運動的原因，應該說這也是一個重要的方面，這方面正是地質力學考慮不夠之處。誠然，20世紀70年代，人造衛星的空間重力測量已經證實在地幔深處確實存在地幔流。但是由於地球內部的多層結構，這種對流體的規模究竟能有多大?特別值得提出質疑的是那些長達上萬公里的洋中脊如果是由深處地幔流推開的，那麼又是什麼力量能造成地幔內部有如此長的定向性非常強的地幔流圈?衛星激光測量已經可以測出現今板塊的運動速率，它遠遠大過地幔流的運動速率。極其緩慢的地幔流如何能使馱托其上的板塊以較快的速度運移?以上只是涉及板塊開合的地幔流機制還不能得到科學的闡明，更不要談到板塊在形態上和空間展布上有哪些規律，以及支配這些空間分布規律的動力學機制。

上述這些板塊構造論者解釋不了的問題會不會隱藏著因果倒置的問題?如果反過來，用表層構造運動來解釋板塊的運動問題可能迎刃而解。張文佑就用表層一對共軛剪切斷裂受到EW向的拉張應力而形成近南北向的洋中脊^［6］。拉張減壓從而造成深處處於潛在狀態的地幔物質轉化成液態而上涌，由於表層構造的定向性從而誘發深部地幔流的定向性。較快運動的表層板塊拖曳導致深部地幔發生緩慢的蠕變流動。這樣看來，板塊構造的空間展布及其運動規律恐怕還要藉助於地質力學的理論和方法才能解釋清楚。近來，地幔動力學的研究趨向於認為對流拖曳在板塊運動中不是重要的驅動力。一些新的觀測資料又重新引起對地球自轉動力作用的重視，地球自轉的動力作用還可能是岩石圈板塊運動變化的原因^［11］。Doglioni(1990)從地球自轉的角度對板塊運動提出了這樣一種解釋:岩石圈與下伏地幔間去耦程度的差異，可能是板塊運動變化的原因。他根據世界不同地區板塊運動方向的資料繪制了軟流圈向東流動和板塊朝西運動的流線圖來說明岩石圈與軟流圈相對運動的結果。流線的全球性大起伏可能是由於地球自轉軸不穩定的擺動引起的(轉引自馬宗晉，2003)^［11］。但是，板塊的擴張和俯沖機制也不是憑空想像出來的，它是根據地殼岩石圈的構造形變、地震和建造記錄反演的，特別是它能很好地說明幔殼是如何演化的，洋殼是如何形成的，如何通過俯沖機制和碰撞機制實現陸殼與洋殼各自物質的各自循環與更新;洋殼物質如何轉化為陸殼物質;洋陸殼物質之間如何轉化;大陸如何裂解和增生，等等。在地質歷史方面，即便是在前中生代，對海陸變遷、超級大陸的聚合和分裂、沉積盆地的開合和造山帶的形成用板塊構造的理論模式仍然能夠得到很好的解釋。一句話，在闡明岩石圈物質的演化和大陸、海洋構造的演化歷史方面，至少在目前板塊構造學是遠勝於地質力學的。

綜上所述，通過以上地質力學與板塊構造學理論體系、研究方法的系統比較，我們不僅了解到它們之間的異同，更重要的是了解到它們之間有較強的互補性。為了更全面地認識地質構造，對於我們，它們不應該成為互相排斥的學說，而應該互相融合，這方面將在本書的後述章節中做進一步的闡述。

(4)為生產實踐、國民經濟、環境保護服務方面:地質力學強調構造體系和構造型式的研究，而這些地質構造實體對礦產資源的展布、工程地基的穩定性、地質災害的預報與防治等都具有控制和啟示意義。因而盡管地質力學在理論上還有動力機制問題尚未解決，但產業部門如地質勘探和工程地質、水文地質等部門仍照用不誤，這也說明地質力學在指導生產實踐和服務於生產實踐和國民經濟、人民生活方面有極大的優勢;而板塊構造學由於它的研究對象是大的地質塊體(板塊)，因而它對生產實踐和國民經濟的意義往往是戰略性和方向性的，不能太具體到每一個微細的地質構造。例如，地震主要發生在活動板塊的板緣地帶，如俯沖帶和碰撞帶，這些地帶就成為地震的多發區。目前，許多國家也多用板塊構造理論來研究地震和預報地震(地質力學則用活動體系來預報地震)，而沿板緣地帶常是金屬成礦帶，因而這些地帶也就成為找礦勘探優選的地區。總的說來，由於板塊構造學研究的是大塊體的運動，因而它在地質找礦、工程地質勘測與環境保護方面沒有地質力學那樣具體實用，但是，由於板塊構造對區域構造的控制，因而在地質找礦、環境保護和防災減災方面往往具有區域規劃方面的戰略意義。

總而言之，板塊構造學是戰略性的，在戰術性或可操作性方面較弱;地質力學則既有戰略性又有戰術性。

但是，盡管地質力學與板塊構造學在為實踐服務的領域里在研究思路和所能解決的問題方面有這些差異，我們都無妨讓它們按照各自的研究思路對各自的研究對象進行研究並由此為生產實踐、國民經濟和環境保護方面作出貢獻，而同時求得互補，我想這對全人類和地球科學都是有益的。

參考文獻

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［11］ 馬宗晉 . 地球構造與動力學 . 廣州: 廣東科技出版社 . 1973.

H. 許金泉的獲得成就

主要研究方向：1． 界面力學：結合材料界面的力學性能，界面破壞的定量評價，結合材料強度評價與界面形狀及結合強度的優化，塗層材料（coating）力學性能評價2． 疲勞壽命評估：損傷與疲勞，等壽命設計，剩餘壽命評估，微動疲勞。3． 斷裂與破壞：結構強度優化，斷裂路徑預測，新材料的強度評價方法承擔過的主要科研工作國家自然科學基金課題三項。 國家教委優秀年輕教師基金一項。教育部博士點基金一項，日本文部省科研基金（即日本的國家自然科學基金） 一項。關於海洋平台強度與壽命的橫向課題兩項。主要研究成果通過系統和長期的研究工作，建立了界面力學的理論體系。在界面力學及相關方向上，發表論文100餘篇，出版專著2部。94年曾獲日本機械學會研究獎（個人獎）。被多次應邀到日本著名大學作界面力學方面的專題報告。
研究成果： 建立了界面力學的理論體系。累計共發表雜志論文100餘篇。專著2部。

I. 薛強的個人成就

至2014年底，近5年來，主持國家973課題、國家自然科學基金重點基金項目及面上項目（5項）、國家水專項課題、國家「十一五」科技支撐子課題、中國科學院重大設備專項、創新團隊和人才基金、湖北省/武漢市重大科技專項、湖北省創新團隊和傑出青年人才基金、武漢市黃鶴人才計劃及現場工程項目32項。在國內外重要期刊和國際學術會議上發表學術論文153篇，其中被SCI收錄34篇，EI收錄93篇；主編《生活垃圾土土工試驗技術規程》等國家標准與規范6項，技術導則1部，參編《生活垃圾填埋技術規范》等5項；作為第一負責人申請《氣壓溫控式填埋場污染物傳輸特性測試試驗系統》等國家專利56項（其中發明專利47項），已授權《易揮發性有機物污染土異位修復方法及專用裝置》等專利35項；《污泥原位固化處置系統》軟體著作登記6項；《填埋氣體運移的多場耦合理論與應用》等著作4部（專著2部）。先後作為主持人獲得《垃圾填埋場運行過程災變機理與控制技術及工程應用》等湖北省科技進步一等獎、二等獎各1項，武漢市科技進步一等獎、遼寧省科技進步二等獎和遼寧省自然科學三等獎等科技獎勵6項。2008年獲得首屆武漢市青年科技獎，2009年獲第九屆獲湖北省青年科技獎，2010年獲武漢市政府專項津貼，2011年獲湖北省五四青年獎章，2012年獲得湖北省自主創新「雙百計劃」崗位特聘人選，2013年獲得埃尼獎(EniAward2013)提名，2014年獲得中國岩石力學與工程學會青年科技獎金獎和武漢市「黃鶴英才計劃」崗位特聘人選。
研究方向：
主要圍繞垃圾填埋場、污泥淤泥處置場和污染渣土堆存場中的污染泥土安全處置與資源循環利用的應用基礎理論、生態設計方法和關鍵處置技術開展的研究方向：
1、環境界面力學：賦存多場環境條件下固、液、氣多相介質界面作用過程的力學行為研究
2、泥土固穩方法：污染泥土精細化測試分析、生態設計及固化穩定化方法研發
3、資源高值技術：低品位固體廢棄物高值化利用的一體化（工藝--材料-設備）技術開發

J. 許金泉的生平簡介

男，1963年5月生於浙江紹興，教授，博導。
研究方向：
1.界面力學
2. 疲勞與斷裂
3.計算力學與結構優化
4.納米力學
主要研究內容：
1) 不同材料結合材（如薄膜塗層材料）的應力分析及強度評價，界面端奇異性，評價准則。2) 應用界面力學理論研究微動疲勞強度壽命
1983年畢業於浙江大學，1989年獲東京大學碩士，1992年獲東京大學博士，1992年任東京大學生產技術研究所研究員，1994年獲日本機械學會研究獎，1995年任浙江大學力學系教授，1996年獲博導資格，2002年6月從浙江大學調入上海交通大學。現為上海交大固體力學學科帶頭人，兼任華東基礎力學與應用協會副理事長、固體力學學報編委 ，兼任華東基礎力學與強度協會副理事長。