D0I:10.13374/j.issn1001053x.2001.03.029 第23卷第3期 北京科技大学学报 Vol.23 No.3 2001年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing June 2001 单压下类岩材料有序多裂纹体的 宏观力学性能 黎立云》 车法星) 卢晋福) 刘大安引 1H北京科技大学应用科学学院，北京1000832)上海遂道施工技术研究所，上海200233 3)中国科学院地质与地球物理研究所，北京100029 摘要用高强度白水泥及石膏等类岩材料有序多裂纹模型进行了大量单向加压实验，得出 了单压时宏观等效强度σ，等效弹性模量E及泊松比4，随裂纹群倾角α的变化规律.在一定程度 上考虑了裂纹密度对宏观力学性能的影响.综合实验结果与理论分析，给出了多裂纹体强度特 征曲线，a. 关键词多裂纹体；宏观等效；力学参数：强度特征 分类号0346.1 地下岩体常以多裂纹的面貌出现，由于裂 1实验过程及结果 纹尖端应力分布的奇异性（理论上）与集中性 (实际上)，因而容易引发裂纹尖端材料局部失 11试件制作 效而导致宏观破坏.另一方面，由于裂纹群的存 试件用特制的模具浇注而成，外部尺寸为 在，降低了岩体的宏观刚度，使岩体的总变形加 15cm×15cm×3cm.裂纹用厚度为0.4cm左右的 剧，容易引起各类工程事故的发生，因而工程界 锯片预埋而成，裂纹尖端呈10°左右的V型，成 早已对此类问题给予了很多关注，并通过对裂 型后裂纹缝宽变为0.3cm.裂纹群都位于中间 纹尖端细观破坏现象的观察与分析，得出了很 区域（见图1）.用以模拟无穷大地下岩体中有 多有意义的结果， 序排列的裂纹群问题. 另一方面，地下岩体中裂隙的长度、密度及 裂纹倾角a分别设置有0°，30°，45°，60°，75°， 方向分布情况可通过大量的现场取样、统计而 90°与无裂纹共7种情况.图1模型I的裂纹长 大致得到，也可通过地质CT得到一定程度的估 度为2a=1cm,裂纹纵向间距s=2.2cm,裂纹横向 计.在裂纹主体分布已知的情况下，对其宏观力 间距h=1.5cm;模型Ⅱ的裂纹长度为2a-1cm,s 学性能及宏观等效本构关系作出预测，从而为 及h随a变化.对于模型I,实测了2种石膏与1 配合有限元及边界元等各类数值计算提供较为 种白水泥材料：对于模型Ⅱ，实测了1种白水泥 可信的计算参数，以准确地计算出地下开采及 材料. 施工过程中岩体各处的位移及强度储备等，这 是一个很有工程意义但研究很不成熟的问题. (a) 6 (b) △ 本文就是从这一角度出发，对多裂纹类岩体模 型进行了大量单向加压试验，旨在研究单向受 压情况下，有序裂纹群其方位及密度变化对宏 观力学性能的影响，进而为借助于概率统计理 论与分形几何理论去研究无序多裂纹问题提 4.5 供实验及理论依据. 77777777777777777777 7777777777777777777 收稿日期200102-01'黎立云女，42岁，副教授，硬士 图1模型试件外形（单位：cm).(a)模型I;(b)模型Ⅱ *国家自然科学基金资助课题No.49772090) Fig.1 Two types of model第 ￾￾卷 第 ￾期 ￾￾￾￾年 ￾ 月 北 京 科 技 大 学 学 报 ￾ ￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾招￾ ￾￾￾￾￾￾￾￾￾ ￾￾￾￾’￾￾￾￾￾】￾￾ ￾￾￾￾￾￾ ￾￾】￾￾ ￾￾ ￾￾ 加￾￾ ￾￾￾￾ 单压下类岩材料有序 多裂纹体的 宏观力学性能 黎立 云 ￾ 车法星 ’￾ 卢晋福 ” 刘 大安 ” ￾月七京科技大学应用科学学院 ， 北京 ￾￾￾￾ ￾上海遂道施工技术研究所 ， 上海 ￾￾￾￾ ￾￾中国科学院地质与地球物理研究所 ，北京 ￾￾￾￾ 摘 要 用高强度 白水泥及石膏等类岩材料有序多裂纹模型进行 了大量单向加压实验 ， 得 出 了单压时宏观等效强度氏 ， 等效弹性模量￾及泊松 比从随裂纹群倾角 “ 的变化规律 ￾ 在一定程度 上考虑 了裂纹密度对宏观力学性能的影 响 ￾ 综合实验结果与理论分析 ， 给出了多裂纹体强度特 征 曲线氏￾口 ￾ 关健词 多裂纹体 ￾宏观等效 ￾力学参数 ￾强度特征 分类号 ￾ ￾￾￾ ￾ ￾ 地下岩体常 以 多裂纹 的面貌 出现 ， 由于裂 纹尖端应力分布 的奇异性 ￾理论上 ￾与集 中性 ￾实 际上 ￾ ， 因而容易引发裂纹尖端材料局 部失 效而导致宏观破坏 ￾ 另一方面 ， 由于裂纹群的存 在 ， 降低 了岩体的宏观刚度 ， 使岩体的总变形加 剧 ， 容易引起各类工程事故 的发生 ， 因而工程界 早 已对此类 问题给予 了很多关注 ， 并通过对裂 纹尖端细观破坏现象 的观察与分析 ， 得 出 了很 多有 意义 的结果￾，￾ 另一方面 ， 地下岩体 中裂隙的长度 、 密度及 方 向分布情况可通 过大量 的现场取样 、 统计而 大致得 到 ， 也可 通过地质 ￾￾得到一定程度 的估 计 ￾ 在裂纹主体分布 已知 的情况下 ， 对其宏观力 学性能及宏 观等效本构关系作 出预测 ， 从而 为 配合有 限元及边界元等各类数值计算提供较为 可 信 的计算参数 ， 以 准确地计算 出地下 开采及 施工过程 中岩体各处 的位移及强度储备等 ， 这 是一个很有工程意义但研究很不成熟 的问题 ￾ 本文就是从这一 角度 出发 ， 对多裂纹类岩体模 型 进行 了大量单 向加压试验 ， 旨在研究单 向受 压情况下 ， 有序裂纹群其方位及密度变化对宏 观力学性能 的影 响 ， 进而为借助 于概率统计理 论与分形几何理论 【￾去 研究无序 多裂纹 问题提 供实验及理论依据 ￾ ￾ 实验过程及结果 ￾￾ 试件制作 试件用特制的模具浇注而成 ， 外部尺寸为 ￾￾￾￾￾ ￾￾￾ ￾ ￾￾￾ ￾ 裂纹用 厚度为 ￾ ￾ ￾￾￾ 左右 的 锯片预埋而成 ， 裂纹尖端呈 ￾￾左右 的 ￾ 型 ， 成 型后 裂纹缝宽变 为 ￾￾￾ ￾ 裂纹群都位于 中间 区域 ￾见 图 ￾ ￾ 用 以模拟无穷大地下岩体 中有 序排列 的裂纹群 问题 ￾ 裂纹倾角￾ 分别设置有 ￾ ￾ ，￾￾ ￾ ，￾￾ ￾ ， ￾￾ ￾ ， ￾￾ ￾ ， ￾ “ 与无裂纹共 ￾ 种情况 ￾ 图 ￾模型 ￾的裂纹长 度为 ￾￾￾￾ ， 裂纹纵 向间距￾￾￾￾￾ ， 裂纹横 向 间距 ￾司 ￾ ￾￾ ￾模 型 ￾的裂纹长度为 ￾，￾￾ ，￾ 及 ￾随￾ 变化 ￾ 对于模型 ￾ ， 实测 了 ￾种石膏与 ￾ 种 白水泥材料 ￾对于模型 ￾ ， 实测 了 ￾种 白水泥 材料 ， ￾ ， ￾￾￾ ￾ ￾ ， ￾ ￾ ￾ ￾ ￾ ￾ 巴 ￾ 一 气‘ ￾ ￾ ￾ 一 ￾ ￾ ‘ ￾ ￾ 一 ￾ 几议矿 、 泛尹 、 ￾互￾卜 ￾价 ， 一 丫一 矛一户 “ ￾朽 卜 一 了 ￾ ￾ 一矛 ￾ 一才 ￾尹翔 乡 一 少 ￾ ￾ 一产 ￾ ￾ 一夕 ￾￾ ￾￾ ￾￾￾ ，宁 ￾ ￾ ￾ 收稿 日期 ￾￾￾￾刁￾刁￾ 黎立云 女 ， ￾ 岁 ， 副教授 ， 硕士 ￾ 国家 自然科学基金资助课题伽。 ￾ ￾￾￾￾￾￾￾￾ 图 ￾ 模型试件外形￾单位 ￾ ￾￾￾ ￾ ￾￾模型 卜 助模型 ￾ ￾￾ ￾ ￾ ￾￾￾ ￾￾￾ ￾￾￾￾ ￾￾ ＤＯＩ：１０．１３３７４／ｊ．ｉｓｓｎ１００１－０５３ｘ．２００１．０３．０２９