岩石裂纹扩展的实验与数值分析研究.pdf

第22卷第1期岩石力学与工程学报22(1)：18～23
2003年1月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringJan.，2003

岩石裂纹扩展的实验与数值分析研究

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陈卫忠李术才朱维申邱祥波
(1中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学重点实验室武汉430071)
(2山东大学岩土与结构工程研究中心济南560061)

摘要详细地研究了闭合裂纹在单轴、双轴载荷作用下，裂隙扩展、贯通的规律，应用8节点奇异等参单元模型来
模拟节理尖端应力场的奇异性，实验和数值计算结果所得到的闭合裂隙的扩展规律具有较好的一致性，实验结果对

研究裂隙岩体在开挖卸荷条件下的力学特性具有一定的参考价值。最后，将砂岩圆柱梁三点弯曲测试验得到的KIC，
计算万家寨引黄工程总干一、二级泵站地下厂房在开挖和支护过程中围岩的破损区。
关键词断裂力学，裂纹，扩展，实验，数值分析
分类号TV313文献标识码A文章编号1000-6915(2003)01-0018-06

EXPERIMENTALANDNUMERICALRESEARCHONCRACK
PROPAGATIONINROCKUNDERCOMPRESSION

ChenWeizhong1，LiShucai1，ZhuWeishen2，QiuXiangbo1
(1KeyLaboratoryofRockandSoilMechanicsInstituteofRockandSoilMechanics，TheChineseAcademyofSciences，
Wuhan430071China)
(2ResearchCentreofGeomechanicsandstructuralEngineering，ShandongUniversity，Jinan560061China)

AbstractThepropagationandcoalescencemechanismofclosedjointsunderuniaxialandbiaxialcompressive
stressisstudiedbyrock-likematerialmodeltests.8-nodesingularisoparametricelementmodeisappliedto
simulatethestressfieldnearcracktip.Boththenumericalandexperimentalresultsofcrackpropagationarein
consistence.Thenewresultsareusefultostudymechanicalpropertiesofjointedrockmass.Furthermore，basedon

thelaboratorytestresultsofKIC，thepropagationareaoffracturesinsurroundingrockmassofpumpstationsof
ShanxiYellowRiverDiversionProjectduringexcavationandsupportisobtained.
Keywordsfracturemechanics，crack，propagation，experiment，numericalanalysis

数值分析研究具有重要的理论和工程意义。
1前言继Brace和Bombolakis(1963年)以后，多次实
验结果证明，具有中心裂缝的脆性材料试件在承受
压剪应力作用下，节理裂隙随着外荷载的增加单轴压缩时，将在裂纹尖端的张应力集中区起裂，
而经历压紧和摩擦滑动二个阶段，并由此而产生翼并发生折向轴压主方向的张破裂扩张，随后进入稳
裂纹，荷载的进一步增加，将导致相邻裂纹间的贯定状态，需要进一步增加荷载，材料才会走向破坏，
通，从而形成较大的破坏区域，大量的实验和研究在这方面开展工作的国外有A.V.Dyskin[1]，
成果表明，压剪应力场中裂纹的扩展将沿最大拉应M.F.Ashby[2]及国内有王仁[3]、马瑾[4]、范景伟[5]
[6]
力方向。因此，开展压缩状态下裂纹扩展的实验与和朱维申等人。

2001年6月14日收到初稿，2001年8月20日收到修改稿。
作者陈卫忠简介：男，32岁，1997年于中国科学院武汉岩土力学研究所获博士学位，现为副研究员，主要从事岩土力学的研究工作。
第22卷第1期陈卫忠等.岩石裂纹扩展的实验与数值分析研究•19•

坚硬的岩石材料中，往往含有节理、裂隙等地3Tsπaθ
σθ=sinθcos(3)
质缺陷，且易发生脆性断裂。大量的岩土工程的实22πr2

践表明，工程的失稳破坏与其内部节理裂隙的扩展式中：Ts为摩擦滑动的驱动力