中南大学丁发兴团队在土木工程材料强度理论取得原创性成果

地球到底有多深？如果我们一直往下挖，地球会不会挖穿？上个世纪七十年代，著名的前苏联科拉超深井科学钻探，在挖到地下12262米处，就被迫停止了。是什么原因停下这个科研项目的？一时众说纷纭，其中有一种流传最广的说法就是地心文明在作祟，挖到了地狱之门。这种说法肯定缺乏科学依据，但是，如果利用中南大学丁发兴团队近年来创立的工程材料损伤比强度理论来解释，将会找到科学答案。这一原创性成果也有望解决土木工程领域200多年来未解难题。

据丁发兴教授介绍，材料破坏有脆性和塑性脆性两种形式，若通俗地说有受拉破坏和受压破坏。但破坏的应力组合有无穷多，因此材料破坏过程十分复杂。于是，土木工程材料强度理论应运而生，所谓强度理论就是复杂应力状态下材料是否遭到破坏的判断条件，是材料和结构强度与变形研究的基础，在物理、力学、材料科学、地球科学、土木和机械工程中广泛应用。

而科研人员对强度理论的探索与研究，其实已有250年的历史了。这期间经历从复杂受力实验研究到唯象理论阶段，但当前既有的各种唯象强度理论仅描述了材料破坏的现象和规律，没有揭示材料破坏的机理，尚未上升到理论构架阶段。这也是世界土木工程领域200多年来材料破坏机理未解之难题。

之前，也正是这一理论未获得重大突破，导致中国施工领域出现一些难题的认识偏差，譬如：西部山地城市浅层地下空间开发的嵌岩桩钻孔成型困难；喜马拉雅等山脉深处高地应力隧道工程TBM（隧道掘进机）开挖岩体诱发硬岩岩爆等问题。

据了解，丁发兴团队创立的损伤比强度理论取得了原创性成果，发现了材料力学基本性能的第三个参数，揭密了土木工程材料破坏的机理，突破了1776年以来材料复杂受力强度实验研究和唯象理论研究的视角，解决了200多年来材料破坏机理认识的难题。

据悉，丁发兴团队创立的损伤比强度理论，是以“损伤比参数——材料非弹性应变的横向变形效应”为亮点，提出了一个高压条件下脆性材料向塑性转变的基本参数，适用于混凝土、岩石、铸铁等脆性材料和金属塑性材料的破坏机制分析，揭示了脆性材料受压体积膨胀、受拉体积收缩的破坏规律，是继1807年提出的弹性模量参数、1829年提出的泊松比参数之后的第三个基本参数，实现了脆性与塑性的统一。

更为意义深远的是：损失比损伤比强度理论用于指导具体工程实践，之前、今后很多科学问题工程难题就会迎刃而解。譬如，根据该理论，地表岩石受压损伤比取值在 1.7-2.2 之间，表现为脆性，随着地壳深处重力增加，损伤比将逐 渐递减至 0.5 左右，表现为高压塑性；这个理论超越了以往认知局限：重力下地壳岩石 处于三向受压状态而不会破坏的弹性体，认为重力作用下不同深度的地壳岩石分别处于 弹脆性、弹塑性和塑性流动等三个阶段状态，而弹塑性和塑性流动导致耗能使得岩石内部温度增加，这种新认知将促进地质科学中有关地表移动、地震和火山爆发的新解释。

至此，前苏联科拉超深井科学钻探被迫停止的一个重要原因是：地球深处岩石的塑性流动直接导致了钻头被包裹，无法进行工作。此外，西部山地城市浅层地下空间的开发，同样面临重力作用软岩塑性流动问题，导致嵌岩桩基工程的钻孔往往成型困难。喜马拉雅等山脉深处高地应力隧道工程 TBM（隧道掘进机）开挖时，周边岩体由三轴受压弹塑性应力状态转变为二轴受压应力状态，应力卸载导致岩体变脆性以及损伤比增大，引发体积膨胀，最终诱发硬岩岩爆。

同时，损伤比强度理论也能实现“反破坏”，解决工程难题。中国是地震多发国家，也是蒙受地震灾害最为深重的国家之一，在第五代《中国地震动参数区划图》提高工程结构抗震设防的背景下，团队建议利用损伤比强度理论，结合约束混凝土做法，将混凝土单轴受压脆性向约束受压塑性转变，发挥混凝土柱耗能潜力，把结构抗震设计由“梁耗能”阶段向“梁柱共同耗能”阶段推进，部分重要工程结构由“大震不倒”提升至“巨震不倒”。目前，丁发兴团队创新性提出的拉筋钢管混凝土柱抗震技术，已经应用在长沙市湖南创意设计总部大厦（约100米）、株洲市湖南中天杭萧钢构综合研发楼（约40米）、西安市西安曲江文创中心（约240米）等工程中局部受力较大的钢管混凝土柱内。

据了解，损伤比强度理论对优化工程结构抗震设计方法，充分利用建筑材料性能，还可为安全可靠、造价合理和美好生活的工程建设与“双碳”目标做出积极贡献。

“思维是地球上最美丽的花朵”，而探索精神是其中最灿烂的一支。近十多年以来，丁发兴团队用孜孜不倦的探索精神不断扩展损伤比强度理论的应用领域，目前，该团队正在对石膏、 玻璃、陶瓷等其他脆性材料的损伤比参数进行标定，并将损伤比强度理论推进至正交异性材料和横观各向同性材料中。