扰动覆岩裂隙演化的标度律及其裂隙分形插值实现

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1、扰动覆岩裂隙演化的标度律及其裂隙分形插值实现第1章绪论1.1问题的提出和研究意义随着社会经济的发展，城市高楼林立，城市建筑高速发展。然而人们对于城市空间的需求越来越大，仅仅地上空间已经不能够满足城市发展，人们的需求。当地上公路、铁路网越来越繁杂，交通越来拥堵，地下公路网应运而生，地铁作为新时代的地下交通枢纽，真正成为了新时代城市交通的宠儿。当越来越多的人拥有汽车，停车场成为了占领城市空间的又一大领域，当地上空间不足，不能满足人们需求时，地下停车场应运而生，这无疑为节省城市空间加添了新的助力。在社会发展前进的道路上，伴随的是对资源的更

2、大需求，这无疑加大了人们对有用矿物的开采力度。诸多矿物中，大部分矿物位于地表以下，这从另一个层面也是加大了对地下空间的应用。从南水北调到西电东输，国家对水利水电大型工程建设的需求，加大了国家对于水利水电工程的投资力度，水利水电工程一般是在地表以下甚至地层深处施工，这也是对地下空间的开发和利用。在地铁施工、地下停车场建设、地下采矿、水利水电施工等等地下硐室施工工程。施工过程中频发的工程事故、灾难让人们难以忘怀。2008年4月，深圳龙岗区地铁3号线工地施工时发生塌方事故；2010年3月，涩宁兰输气管线11标段发生管沟坍塌事故；2011年

3、6月，北京地铁6号线内发生塌方；2012年12月，上海地铁12号线某停车场在施工中发生坍塌；2013年1月，广西南宁一在建地铁工地的污水管线迁改施工中发生塌方；2013年4月，贵州省黔南州瓮安县运达煤矿发生透水。（图1.1～1.5）这些地下硐室施工事故一方面给国家造成了巨大的经济损失，另一方面，由于地下硐室施工事故的发生是瞬发的，有时是具有毁灭性的，这对地上建筑设施造成了严重损害，给人民的生命财产及安全生产造成了巨大威胁。在对这些事故的后期总结中我们发现，地下工程事故是以岩体破坏为载体的，岩体的破坏是以裂隙产生、扩展、聚合等现象为载

4、体的，因此，研究岩体裂隙的成因、发展、扩散等对于研究地下硐室施工事故有重要意义。.1.2国内外研究现状岩体裂隙的研究，需要多种理论方法。断裂力学、岩石力学、损伤力学为岩体裂隙的研究提供了理论支持。断裂力学是20世纪40年代左右兴起并蓬勃发展的一门新兴学科，它研究固体（包括材料和结构）中裂纹传播的规律。由于它在生产中有广泛的应用，因而受到世界各国的普遍重视。从1965年以来，已经召开了四次大型的国际会议，出版了许多理论书刊。美国科学家G.R.IrSRP；JunChang根据能量释放率准则，推导了几个史学般的耦合断裂准则[9]。岩石力学

5、是与人类生产活动息息相关的一门应用性基础学科。其实早在石器时代，岩石就已经被人们改造为工具和武器进行基本的生存活动。18世纪，随着采掘业的兴起，人类逐渐应用到一些岩石力学的基本原理进行采矿作业。20世纪中期，伴随着全球性的大规模岩石工程的兴起，岩石力学产生并有了巨大的发展。现今21世纪正是地下岩石工程的世纪。这些都充分体现了岩石力学研究的重要性和广泛性。..第2章相似材料模型试验2.1引言研究扰动岩体的物理力学性质的方法多种多样，可以通过GTS、FLAC3D、RFPA、Ansys等数学手段进行分析，也可以通过地质勘测，现场采集数据的

6、方法来分析，还可以通过相似材料模拟试验的方法进行模拟分析。软件分析的优势在于离开施工现场，通过数学计算工具就可以得到想要的结果，不足之处在于计算所得数据与真实的情况存在误差，不一定能够真实的反应实际情况，并指导实际施工。现场检测手段如实的反应了现场的岩体变化特征，但受限于只能在施工现场进行检测，且检测不具有可重复性，被检测对象单一不变性。相似材料模型试验不局限于试验场地，通过对实际工程或给定的物理力学参数进行室内模拟，试验结果更加接近真实情况，且试验具有可重复性，这样更便于对扰动覆岩裂隙演化规律的寻找和研究。为了更好的揭示扰动覆岩裂

7、隙的变化特征，通过对几种研究手段的对比分析，本文采用相似材料模型试验的方法来分析扰动覆岩的破坏规律和扰动覆岩裂隙演化特征[46]。相似材料模拟试验能够模拟许多现实中不能实现的科学研究，且试验具备可重复性，能够对比分析不同因素下的模拟结果，近年来已成为一种强有力的科学研究手段。国外一些国家十分重视相似材料模拟试验方法在生产、科研中的应用，并在对矿山压力现象的研究中大量采用相似材料模拟方法，对发展此法起了很大作用。在国内，唐山煤研所于1958年首先开展了这方面的研究工作。几十年来，这一方法已在各个领域得到广泛应用，并且取得了显著的效果。

8、目前，我们对相似理论、相似材料性质的研究、模拟方法的研究以及试验数据的收集和处理方法的研究等方面均有了长足的进展[47]。理论和方法的进步，对于相似材料模型的发展做出了巨大的推进力，也使得相似材料模型试验可以为更多的学科和科学研究做出