对岩石发生强度破坏的力学因素做出假说,以便利用岩石在简单应力状态(拉伸、压缩)或少数复杂的应力状态下的强度,推断其在各种复杂的应力状态下屈服或破坏时的应力状态。
强度理论是一个总称,它包括屈服准则、破坏准则、多轴疲劳准则、多轴蠕变条件,以及计算力学和计算程序中的材料模型等。强度理论是材料强度和结构强度研究的重要基础,它在物理、力学、材料科学、地球科学和工程中得到广泛的应用,在研究岩石变形破坏、稳定性和工程灾害防控等方面都具有重要意义。
达·芬奇(Leonardo da Vinci,1452~1519)和伽利略(Galileo Galilei,1564~1642)是材料强度理论的最早研究者,对铁丝和石料开展了试验。库仑(Charles-Augustin de Coulomb,1736~1806)是最大剪应力强度的第一个研究者,他在1776年发表的一篇重要论文中讨论了关于砂岩的实验,并提出了著名的库伦公式。库仑认为当作用在破坏面上的力大于该面上的黏聚力时材料发生破坏,同时要考虑该滑动面上由法向力引起的摩擦力。这是摩尔-库仑强度理论的首次阐述。
19世纪时,主要有3个强度理论。①最大正应力理论(第一强度理论),是关于材料在复杂应力下强度的第一个强度理论,认为最大拉应力或最大压应力是决定岩石强度的准则,当3个主应力中的最大主应力或最小主应力达到极限条件,岩石发生破坏。这个准则曾被L.加布里埃尔(Lame Gabriel,1795~1870)和W.兰金(William Rankine,1820~1782)等科学家采用。第一强度理论只考虑了一个主应力,因此适用于简单应力条件下的脆性材料。②最大应变理论,又称第二强度理论。它假定无论材料内一点的应力状态如何,只要材料内该点的最大伸长应变达到了单向拉伸断裂时最大伸长应变的极限值,材料即发生破坏。最大应变理论曾广为流行,但与实验结果不甚符合,已较少使用。③最大剪应力强度理论,又称第三强度理论。1864年首先由H.特雷斯卡(Henri Tresca)提出,因此也称作特雷斯卡准则。该准则与某些韧性材料的试验结果比较吻合,形式简单。
在此之后,人们对强度理论已进行了大量的理论研究和实验验证,已提出上百个模型或准则,但没有一个模型或准则能够被所有人接受。
由于岩石材料力学性质的某些相似性和其他历史原因,岩石强度理论的早期研究曾大量引用了土力学的相关成果,并提出了一些适用于岩土介质的强度理论和本构关系。随着岩石力学的发展,人们认识到,岩石和岩体的物理力学性质不仅有别于其他非摩擦工程材料,而且,与土或混凝土等摩擦型材料也存在较明显差异。例如,岩石破坏包括脆性、延性及由脆性向延性转化等复杂类型;岩体的力学特性受控于岩块和不连续面的力学特性;岩石工程的稳定性通常受主要不连续面控制等。因此,近年来又提出了多种适用于岩石、不连续面和岩体的强度理论或本构方程式。
常用的岩石强度理论有最大剪应力强度理论、摩尔-库伦强度理论、霍克-布朗强度理论、Drucker-Prager强度理论、统一强度理论和格里菲斯(Griffith)强度理论等。