巖土工程系統(tǒng)科學理論

1、巖土工程系統(tǒng)科學理論,主要內容,3、巖土工程系統(tǒng)分析原理,1、廣義系統(tǒng)科學的形成和發(fā)展,2、廣義系統(tǒng)科學的理論體系,4、滑坡突變的失穩(wěn)特征,5、巖爆（沖擊地壓）系統(tǒng)科學分析,6、地面沉陷的系統(tǒng)科學,7、巖土工程失穩(wěn)破壞的自組織原理,1.1 概念系統(tǒng)是相互作用著若干要素的集合體。,系統(tǒng)思想——系統(tǒng)觀——一般系統(tǒng)論——廣義系統(tǒng)科學原子論創(chuàng)始人德莫克利特的著作“世界大系統(tǒng)”最早提出“系統(tǒng)”；亞里士多德最早提出“整體大于部分之和”的論斷：

2、系統(tǒng)的本質特征。我國古代的中醫(yī)思想：“黃帝內經”，提出天人相應的理論、經絡學說、陰陽學說、五行學說等系統(tǒng)思想和辨證思想。,1、廣義系統(tǒng)科學的形成和發(fā)展,萊布尼茨：《單子論》指出：單子是事物的元素，宇宙被規(guī)范在一個完滿秩序的統(tǒng)一體系中。已經注意到系統(tǒng)具有一定的結構和組成要素。并認識到事物之間的聯(lián)系和相互作用。康德：首先提出了知識的系統(tǒng)性，初步提出了整體論和目的論的觀點。馬克思和恩格斯明確提出了系統(tǒng)的概念和思想：一切事物、過程乃至整體

3、都是有無數相互聯(lián)系、相互依賴、相互制約、相互作用的事物和過程形成的統(tǒng)一整體。,近代系統(tǒng)觀,奧地利的理論生物學家貝塔朗菲（M. V. Beterlanffy）：于1968年出版了《一般系統(tǒng)論的基礎、發(fā)展與應用》創(chuàng)建了一般系統(tǒng)論，并與維納(Weiner)提出的控制論和仙農（Shannon)提出的信息論組成了狹義系統(tǒng)論。,一般系統(tǒng)論,廣義系統(tǒng)科學,一般系統(tǒng)科學,非線性科學,系統(tǒng)論控制論信息論,耗散結構論協(xié)同學突變理論超循環(huán)論混沌動

4、力學分形理論神經網絡理論重整化群方法細胞自動機模擬方法,貝塔朗菲于1932年發(fā)表的《理論生物學》是一般系統(tǒng)論的萌芽， 1968年出版了《一般系統(tǒng)論的基礎、發(fā)展與應用》是系統(tǒng)的闡述。系統(tǒng)是由若干個相互聯(lián)系、相互作用的部分，按照一定的結構所組成的具有一定新功能的有機整體。要素、結構和相互作用是構成系統(tǒng)三個不可缺少的因素。要素是構成系統(tǒng)的基本元素，結構是元素的組成方式，也就是要素之間的關系，相互作用是根本。,2、廣義系統(tǒng)科學的理論

5、體系,2.1 系統(tǒng)論,要素構成的系統(tǒng)相互作用的數學表達式：,Qi 表示要素P（i-1,2,3……）的某個參量,上式中任何一個Qi不再孤立，都已納入整個系統(tǒng)，它的任何變化都回引起其他所有量Q，甚至整個系統(tǒng)發(fā)生或大或小變化，因為各個要素之間存在著相互作用。,,生長、競爭、整體性、總和、機構化、中心化、果決化,2.2 控制論,1948年維納發(fā)表《控制論》為標志，控制是在獲取、加工和使用信息的基礎上，控制主體使被控客體進行合乎目的的行為。目

6、的是行為的向導，是行為最終結果的體現?？刂频哪康模阂环矫娈斚到y(tǒng)處于所需要的狀態(tài)時，保持系統(tǒng)穩(wěn)定原狀態(tài)穩(wěn)定。另一方面當系統(tǒng)布處于所需狀態(tài)時，則引導系統(tǒng)由現有狀態(tài)穩(wěn)定過渡到預期的狀態(tài)。信息的作用：一是明確控制是否達到目的，就必須對系統(tǒng)的狀態(tài)信息有所獲??；二是達到這種目的，則么了解環(huán)境信息及系統(tǒng)偏離目的的信息。,控制論的研究對象：可控系統(tǒng)，不是一切系統(tǒng)。系統(tǒng)必須具有以下特征：可控性、目的性、可觀性、閉環(huán)性和多向性控制的基本

7、方式：反饋控制反饋是指系統(tǒng)輸出的全部或一部分通過一定的通道反送到系統(tǒng)的輸入端，從而對系統(tǒng)的輸入和再輸出施加影響的過程。,,控制遵循的原則：及時性原則、適度性原則、準確性原則、隨機性原則。實施的手段：最優(yōu)控制、自適應控制、智能控制和模糊控制?？刂普摰闹饕椒ǎ汗δ苣M方法和黑箱方法功能模擬方法就是根據模型與原型之間的相似關系，用模型萊模擬對象，通過模型萊間接研究原型的規(guī)律性。黑箱方法就是通過考擦系統(tǒng)的輸入和輸出及其動態(tài)過程，而不

8、是通過直接考擦內部結構，萊定量或定性地認識系統(tǒng)地功能特性、行為方式以及探索內部結構機理地控制論認識方法。,信息論首先由仙農于1948年在《通訊地數學理論》提出的。信息論是以信息為主要研究對象，以信息運動規(guī)律為主要研究內容，以擴展人的信息功能特別是智力功能為主要研究目標的一門新興的橫斷學科。信息學科研究的主要內容：闡明信息的概念和本質——哲學信息論探討信息的度量和變換——基本信息論研究信息的提取方法——識別理論探索信息的傳遞規(guī)律

9、——通訊理論探明信息的處理方法——智能理論探究信息的再生原理——決策理論闡明信息的調解原則——控制理論完善信息的組織理論——系統(tǒng)理論,2.3 信息論,信息的科學方法論包含一個方法和兩個準則：信息方法、功能準則和整體準則，信息方法是靈魂，而兩個準則是保證。信息方法：通過分析復雜事物包含的信息過程來揭示行為的奧秘（信息分析），通過建立適當的信息模型和合理的技術手段來模擬復雜事物的高級行為（信息綜合）。功能準則：在應用信息方法來

10、分析或實現高級復雜系統(tǒng)的時候，主要著眼于系統(tǒng)的功能，不必關心具體結果。整體準則：著眼于整體功能的優(yōu)化，不必關心局部功能的最優(yōu)。,耗散結構理論是比利時化學物理學家普利高津(Prigogine)及其研究集體經過20年的研究，于1969年首先提出，并逐漸發(fā)展形成的理論體系。耗散結構理論主要研究非線性系統(tǒng)在原離平衡態(tài)時出現的各種有序結構所需的條件、演化過程等。普利高津(Prigogine)應用數學中微分方程的穩(wěn)定性理論、分支點理論、突變論及

11、泛函分析等近代數學工具建立了耗散結構嚴密的數學方法。孤立系統(tǒng)：與外界無物質和能量交換封閉系統(tǒng)：與外界有能量無物質較好開放系統(tǒng)：與外界有物質和能量的較好普遍意義上的反應擴散方程：,,2.4耗散結構（Disipative Structure) 理論,耗散結構形成的條件和性質,條件系統(tǒng)必須開放，形成耗散結構的必要條件遠離平衡態(tài)，形成耗散結構的外部條件非線性相互作用，形成耗散結構的內部條件性質有序結構、對稱破缺、自催化作用、

12、分岔等巖石破壞具備了耗散結構的條件，因此具有耗散結構的性能。（1）和外界交換能量；（2）宏觀破壞時非平衡性（3）細觀破裂的相互作用,協(xié)同學（Synergetics)是由德國科學家哈肯(Hermen haken) 于1971年創(chuàng)立的。協(xié)同學認為：所有系統(tǒng)都可以分為有限個子系統(tǒng)。系統(tǒng)的行為往往不是子系統(tǒng)行為的簡單疊加，而是由所有子系統(tǒng)相互作用、相互協(xié)調形成自組織對系統(tǒng)的貢獻的結果。自組織是開放系統(tǒng)在子系統(tǒng)合作下出現的宏觀尺度上的新結

13、構。協(xié)同學就是研究自組織的形成和演化規(guī)律。它主要闡明系統(tǒng)中子系統(tǒng)出現協(xié)同運動的條件和規(guī)律。其基本思路：把一個高維的非線性問題歸結為用一組序參量方程來描述，序參量方程控制著系統(tǒng)在臨界點附近的動力學行為。,2.5協(xié)同學(Synergetics),伺服原理,實際系統(tǒng)中子系統(tǒng)的數目比較多，表征子系統(tǒng)的狀態(tài)變量也很多。怎樣從繁多的變量中得出控制實際系統(tǒng)的參量（序參量）？協(xié)同學根據系統(tǒng)不穩(wěn)定原理，當控制參數變化使系統(tǒng)達到失去穩(wěn)定時，基本演化方程

14、中變量按其阻尼性質分為兩類：一類變量聯(lián)系的阻尼作用很大，隨時間變化很慢，達到新穩(wěn)定的馳豫時間很長，稱為慢變量；一類變量聯(lián)系的阻尼作用很小，隨時間變化很快，達到新穩(wěn)定的馳豫時間很短，稱為快變量； 伺服原理就是利用絕熱消去法消去系統(tǒng)中伺服于慢變量的快變量，最終建立系統(tǒng)協(xié)同作用殘生的序參量方程。,300多年來，人們運用微積分、微分方程成功地建立了各種模型。但這些模型只能描述連續(xù)、光滑變化的現象，然而顯示生活中不連續(xù)和突變現象比比皆是（

15、社會變革、地震、滑坡、巖石失穩(wěn)破壞）。法國比爾高等研究院數學家Thom在拓撲學、奇點理論和結構穩(wěn)定性理論等數學基礎上建立了突變理論。采用拓撲的原因是因為自然界中各種力的平衡大都可以用光滑曲面來描述。當事物演變的軌跡在曲面上遇到中斷處時，平衡遭到了破壞，發(fā)生了突變。,2.6突變理論（Catastrophe Theory),突變的種類,Thom證明，當控制變量不超過四個時，只有七中基本突變形式。,尖點突變模型的主要特點,（1）多模態(tài)：系統(tǒng)

16、中出現兩個或多個不同狀態(tài)；（2）不可達性：系統(tǒng)不可能達到平衡曲面的中間位置；（3）突跳：從一個狀態(tài)到另一個狀態(tài)過度出現突跳；（4）發(fā)散：在臨界點附近，控制變量數值的微小變化可能導致終態(tài)巨大的差別。（5）滯后：突變并不是在分叉集內發(fā)生，而是在分叉集線上發(fā)生，從底頁跳到頂頁與從頂頁跳到底頁的位置不一樣。尖點突變的5個特征,尖點突變的基本方程,尖點突變只有兩個控制變量和一個狀態(tài)變量，勢函數為：平衡曲面（V(x)所有臨

17、界點的集合）為：奇點集方程：分叉集（既滿足平衡曲面方程，又滿足奇點集方程）方程：,,,,,巖樣-試驗機系統(tǒng)突變分析,試驗機的變形特性符合虎克定律：巖樣的本構關系：以巖樣的位移作為狀態(tài)變量，可以得到系統(tǒng)的勢函數：平衡曲面：尖點位置：,平衡曲面的標準形式,為了得到尖點突變模型的標準形式，將平衡曲面在尖點處展開泰勒級數，依照Thom安全截斷法則，安全截取前3項：,平衡曲面標準形式的化簡,令把無量綱參數

18、 代入平衡方程：這里尖點突變理論認為：控制變量p,q符合分叉集方程時，系統(tǒng)才會發(fā)生突變，分叉集方程是系統(tǒng)發(fā)生突變的充要條件，這樣：,混沌（chaos)首先由李天巖和約克1975年在論文《周期3則混沌》提出的。定義：對初值的敏感性或確定的隨機性。確定的是因為系統(tǒng)混沌行為是由內在原因，而不是外來的噪聲或干擾產生，即過程具有嚴格的確定性。隨機性指的是行為的不規(guī)則性和不可預測性。著名的“蝴蝶

19、效應”由氣象學家洛侖茲提出。,2.7 混沌動力學理論（Chaotic Theory),混沌可以直觀地理解為確定性方程所產生地隨機現象。Logistic模型（用于生物的繁殖）,當0<u<1,僅有一個有意義的解（平衡態(tài)）：,當1<u<3,出現另一個穩(wěn)定的解：,當3<u<1＋ ,穩(wěn)定解變得不穩(wěn)定了，對于任意的初始值，當n趨近于無窮大時，序列一直無限地在兩個解x1x2之間徘徊,,變成一個周期兩個解,當1

20、+ <u<3.544090359時，上述周期2解又不穩(wěn)定了，穩(wěn)定解是一個周期4的解。,,當u繼續(xù)增長時，依次出現穩(wěn)定的周期8解、周期16解、周期32解，當u達到3.569945672時，系統(tǒng)經過不斷的周期倍增進入混沌。,不同系統(tǒng)的混沌程度時不一樣的，混沌程度一般由Lyapunov指數、吸引子維數和熵等來定量刻劃。假設系統(tǒng)的演化方程為：,初始值為x01,x02,d0=x01-x02, 經n次迭代后，,λ稱為Lypanuo

21、v指數，它代表相鄰點之間距離的平均輻射率，也可具體化為：,λ>0, dn呈指數增長，系統(tǒng)向混沌演化λ<0, dn呈指數收縮，系統(tǒng)趨于穩(wěn)定解Λ=0, dn＝d0，系統(tǒng)處于臨界狀態(tài),重整化群理論（renormalization group)是由美國物理學家威爾迅(Wilson)在研究相變時將重正化思想用于描述標度律和普適性的一種數學物理方法。重正化群理論主要通過重正化空間格子模型來研究臨界現象和行為。重正化群理論主要通過重正

22、化空間格子模型來研究臨界現象和行為。,2.8重整化群理論（Renormalization Group),利用重正化技術研究巖石力學一些臨界行為已取得了一些成果。Madden利用重正化技術把巖石宏觀導電率和微裂紋群聯(lián)系起來研究，Allegre等則研究了巖石裂紋的合并問題。Smalley等對斷層的臨界滑動進行了重正化研究。,2.8重整化群理論（Renormalization Group),重正化技術是一種模擬非均勻大系統(tǒng)演化過程的數學工具。

23、它最重要的特征是系統(tǒng)在臨界狀態(tài)時尺度不變性。也就是說，脆性巖石在臨界破壞時不同尺度下具有相同的破壞性質。從這個意義上講，重正化技術成為研究宏細觀尺度之間的一個橋梁。,2.8重整化群理論（Renormalization Group),巖石破壞的重正化模型,圖中顯示：四個小格子單元組成一個大單元，而大單元的性能具有唯一性，它由四個小格子單元組合而成。同樣四個大單元可以組成一個更大的單元，以此類推。這就是模型的重正化過程。（1）、（2）、（3

24、）及（4）是四個不同的尺度，任何一個尺度都需要重正化。一個組合而成的大單元有五種可能情況：[bbbb]、[bbbu]、[bbuu]、[buuu]、[uuuu], 這里b表示已破壞單元，而u表示未破壞單元。由于破壞單元空間位置的差異，大單元[bbbu]、[bbuu]和[buuu]分別有種類型。如果假定單元相互獨立，那么每一種單元狀態(tài)的破壞概率可以用下式表示：,,破壞條件概率,在模型中采用條件概率Pa,b 表示破壞單元對臨近非破壞單元的影響

25、。一個已承受應力b?的未破壞單元，如果再承受臨近破壞單元轉移過來應力(a-b)?就破壞的條件概率定義為Pa,b。對應力轉移和單元破壞作如下假定：（1）當大單元中所有小單元全部破壞時，大單元才破壞；（2）破壞單元先前承受的應力平均轉移給臨近未破壞單元。在數學上條件概率Pa,b可以由概率Pa和Pb表示：,,重正化求解,根據重正化群理論的尺度不變性假定，巖石臨界破壞時所有尺度單元的破壞概率相同，即P1(r+1)=P1(r). 這樣上式只有一

26、個未知數P1(r)，但由于方程十分復雜，利用解析方法仍難于求得方程的解。只得借助數值迭代方法。顯然0和1是方程兩個穩(wěn)定解，而P1(r+1)=P1(r)=P*=0.1707為方程不穩(wěn)定解，它是系統(tǒng)失穩(wěn)破壞區(qū)域和穩(wěn)定變形區(qū)域的臨界點。,,,分形幾何是由Mandelbrot（1983）發(fā)展起來的一門新的數學分支，用來描述自然界不規(guī)則以及雜亂無章的現象和行為。分形幾何學主要概念是自相似性和分數維數。 Mandelbrot把分形定義為：如果一個

27、集合的Hausdorff維數嚴格大于它的拓撲維數DT，則該集合為分形。這樣的維數可以是整數，也可以是分數，它是圖形不規(guī)則性的度量。巖石材料作為億萬年地質演變的產物，具有大量自然形成的不同層次的孔隙、空洞和裂紋分布，可以抽象地看成高剛度的海綿體。對一個海綿立方體在歐氏空間看是三維，而在單向壓力作用下，由于海綿體的高度空隙性，可以壓扁在一個平面上，這時它的維數是二維。這種維數量剛的突變性說明歐氏空間的整數維只是一個表觀維數。事實上，海綿體

28、可以看成一個分形物體（如Mengor海綿體），它的維數是處于2和3之間。這說明分形維數能刻畫海綿體這類隨機分布孔隙體的幾何結構本質。,2.9 分形理論（Fractals Theory),巖石力學分形研究的三個層次,第一層次是分形研究的數學基礎或形成其基本的數學框架，以及重新認識和建立分形空間中的力學量和力學定律；第二層次是廣泛、系統(tǒng)地研究探討巖石力學中的分形行為和分形結構，揭示巖石力學問題中一些復雜現象的分形機理和分形形成過程，應用分

29、形定量地解釋和描述巖石力學過去只能近似描述甚至難以描述的問題和現象；第三層次是巖石力學分形研究的理論和研究成果應用到工程，對工程中的復雜性關鍵技術問題進行統(tǒng)計描述，解決工程實際問題，促進工程問題的定量化、精確化和可預測性。,分形的定義,定義1： 設集合F?Rn 的Hausdorff維數是D。如果F的Hausdorff維數D嚴格大于它的拓撲維數DT，即D? DT，我們稱集合F為分形集,簡稱為分形.定義2：局部與整體以某種方式相似的形叫

30、分形定義3：F是分形，如果F具有如下典型性質：1)      F具有精細結構，即有任意小比例的細節(jié)；2)      F具有不規(guī)則性，它的局部和整體都不能用傳統(tǒng)的幾何語言來描述；3)      F通常有某種自相似形式，可以是近似的或是統(tǒng)計的；4)      一般F的分形維

31、數大于它的拓撲維數；5)      在大多數情況下 ，F可以用非常簡單的方法定義，也可以由迭代產生。定義4：分形就是比在經典幾何考慮的集合更不規(guī)則的集合，這個集合無論被放大多少倍，越來越小的細節(jié)仍能看到。,分形維數的測量,如圖7.3挪威海岸線長度到底多少是分形理論的一經典例子。當選大尺碼去度量該海岸線時，很多港灣和峽谷被忽略掉，當選小尺碼去量測時，小的港灣和峽谷被忽略。總之無論尺碼多小，總有一

32、些細節(jié)量不到，因此它的量測長度隨著尺碼的減小而不斷增加。圖7.4 給出了Feder量測的海岸線長度L和尺碼的雙對數圖。事實上量測的長度可以近似地表示為：,,經典分形,Contor集 Sierpinski集合,,,Menger海綿,,巖石損傷過程中的分形描述,巖石材料損傷演化的分形特征,,大理巖三點彎曲裂紋擴展圖,損傷區(qū)的分形維數的估計,破碎塊度分布的分形性質,在巖石破碎過程中，產生不同尺寸的碎塊。隨著破碎塊度的逐漸減小，必然

33、產生更多的新表面，因此需要耗散更多的能量。從某種意義上講，破碎過程也就是能量耗散過程。由于巖石破碎過程也是一個分形過程，可以建立一個分形破碎模型來分析破碎與能量耗散的關,,,巖爆的分形機理,如果說巖石試件的破壞是小尺度的巖石破壞，地震是大尺度的巖石破壞，那么巖爆就算中等尺度的巖石破壞。巖石試件從微觀斷裂到試件的破碎都表現出分形特征，而地震工作者也發(fā)現地震活動規(guī)律具有分形特征，作為巖石中等尺度破壞形式的巖爆也可能具有分形性質。,微地震的震

34、源位置分布（2月到5月,微地震的震源位置分布（6月到9月）,分形維數與主巖爆之間的相關性,巖爆的物理過程可以用損傷力學來描述，首先由于巖石內的初始損傷在采動應力作用下，在巖體內部形成局部損傷拉應力狀態(tài)。這些局部損傷拉應力引起巖體內的局部微破裂。隨著采動應力的增加，局部微破裂也相應增加，并且在某些區(qū)域形成微破裂集聚。該區(qū)域的裂紋密度（單位體積的微裂紋數目）明顯大于其它背景區(qū)域。一些地質構造面的存在使得進一步開采所誘發(fā)的應力狀態(tài)是拉應力，則

35、嚴重損傷區(qū)將演化成巖爆的震心，并形成一個大的巖爆事件。如果進一步開采誘發(fā)的是高壓應力狀態(tài)，那么集聚區(qū)將經歷一個損傷愈合過程，因此一部分應變能將被吸收。這個過程剛好對應于聲發(fā)射探測的平靜期或反常期。在損傷愈合過程后，持續(xù)作用的高應力再一次在嚴重損傷區(qū)形成局部拉應力場。這些微斷裂非常容易匯合聚集，有可能發(fā)生一個巖體的大破裂（巖爆）。,巖爆規(guī)律,巖體內微破裂分形集聚的分形維數與能量釋放成負指數相關關系。一個低分形維數值的出現，意味著巖體內將形

36、成一個大的破裂事件，也就對應一次巖體失穩(wěn)事件。因此可以根據聲發(fā)射事件分布的分形維數的減小，作為預測主巖爆發(fā)生的指標。,,應變能的釋放與分形維數的關系,露天礦剝離采用單斗/卡車間斷開采工藝，采煤采用單斗卡車膠帶輸送機半連續(xù)開采工藝，安家?guī)X露天礦設備選型配套時為了提高設備的可靠性和生產能力，優(yōu)選了國外成熟的大型采掘設備，主要設備有35m3電鏟、172噸級運輸卡車、9.6m3前裝機、520馬力履帶推土機和450馬力推土機。,2.10 神經網絡

37、理論（Neural network Theory),井工礦采用綜合機械化放頂煤開采工藝。自行研制的大功率高可靠性刮板輸送機，以及高工作阻力的液壓支架。,3 巖土工程系統(tǒng)分析原理,巖土工程系統(tǒng)分析應突出歷史觀、工程觀、系統(tǒng)觀和非線性觀，具體指導思想如下：（1）巖土工程體是一個復雜的動態(tài)系統(tǒng)和耗散系統(tǒng)，其演化過程具有不可逆性和自組織性。（2）系統(tǒng)規(guī)律具有不確定性，跟外界的干擾和內部系統(tǒng)本身有關。（3）巖土工程系統(tǒng)大多具有可控性，用反饋

38、控制。（4）巖土災害的發(fā)生往往表現為突發(fā)性，但也有可能漸變破壞。,,3.1 整體性原理,整體性原理是指：各個要素一旦組成系統(tǒng)，就具有孤立要素不具有的性質和功能，整體的性質和功能不等于各個要素性質和功能的簡單相加。要素是系統(tǒng)的基礎，是構成系統(tǒng)的必要條件，但如果要素不按一定的結構方式組合起來，也就不能構成有機的整體。相同的要素，其組合方式不同，構成的整體性質可能大不一樣。金剛石和石磨的例子。,分解協(xié)調原理指的是：人們在認識和構造系統(tǒng)過

39、程中，可以將研究對象的活動過程或組成結構分解為若干個相互連接和關聯(lián)的部分，協(xié)調關系或調整結構，可以使系統(tǒng)的功能達到預定的效果。,3.2 分解協(xié)調性原理,分解—協(xié)調—整體過程,順層斜坡的滑移—彎曲變形,,,在現場地質調查中，只能發(fā)現坡體前緣巖層的皺曲現象，在坡體的后部發(fā)現一些張裂破壞跡象，如果不把這些現象有機地聯(lián)系起來在儀器分析，從整體上考察，就很難得出坡體的變形機制。從整體上考察，結合坡體的巖體結構，就可以得出坡體產生“滑移—彎曲”的概

40、念模型。,層次性原理是指任何復雜的巖土體工程問題都具有層次性，在分析時，不但應分層次逐個進行，而且要注意各層次之間的聯(lián)系。任何一類巖土體都是由不同層次構成，每一個層次都成為整體的一個子系統(tǒng)或子子系統(tǒng)，分析時從錯綜復雜的現象中將問題分解出不同的層次，針對不同層次采用不同的研究方法和手段。結構面的分類：I類結構面，以斷層為主，控制區(qū)域或山體的穩(wěn)定性II類結構面，以貫通性裂隙為主，控制局部巖體的穩(wěn)定性III類結構面，以斷系延伸裂隙為

41、主，破壞巖體的完整性,3.3 層次性原理,層次性原理體現在巖體工程循環(huán)賽那個幾何結構的層次性。板塊間的超大斷裂—區(qū)域性大斷裂—斷層—貫通性裂隙—斷續(xù)裂隙—巖石微裂隙—晶體間的斷裂。尺度效應,自相似原理指的是：事物的局部和整體形態(tài)相似，或系統(tǒng)的各個層次具有相似的結構。狹義的自相似僅指幾何形態(tài)的相似，廣義的自相似可以擴展到系統(tǒng)的各個層次在時間、空間以及功能上的相似。分形理論,3.4 自相似性原理,開放性原理是指任何系統(tǒng)只有把自己保持在不斷

42、與外界交換物質、能量和信息狀態(tài)下，才能具有保持自身動態(tài)穩(wěn)定性的能力。巖土體的物質交換主要自阿巖石圈（土壤圈）內進行。,3.5 開放性原理,巖土體,,地下水、地表水和大氣水,,植被,人類活動,,,太陽,突變性原理是指系統(tǒng)實現質變的一種方式，本質是系統(tǒng)從一種穩(wěn)定狀態(tài)向另一種穩(wěn)定狀態(tài)的躍遷。巖土體的突變?yōu)暮芏啵夯?、巖爆、沖擊地壓、崩滑、泥石流、地震等。突變性原理在地質災害防治方面有較大的適用價值，如何人對突變的控制，從突變失穩(wěn)轉化微漸

43、變破壞。下圖：,,,3.6 突變性原理,,,,自組織原理是指巖土體的演化過程實質上就是組成工程體的各子系統(tǒng)之間通過不斷競爭和協(xié)同，在一定的外界條件和系統(tǒng)內部非線性機制作用下，從無序到有序，從低級到高級的自組織演化過程。,3.7 自組織原理,京廣鐵路大瑤山隧道施工,自組織廣泛存在地下開挖工程中，開挖形成自然拱——開挖結構一個自組織表現，這種調節(jié)能力有一定的限度，如果開挖速度太快或開挖強度太大，在巖體的自我調節(jié)能力顯得無能為力，巖體將發(fā)生大

44、規(guī)模的整體破壞。,,,對稱破缺原理是指在系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化時，系統(tǒng)從無序局運分布狀態(tài)到有序結構時，系統(tǒng)的對稱性要降低，也就是對稱性發(fā)生了破缺。對稱性是廣義的，它既指幾何形態(tài)，也包含系統(tǒng)的功能狀態(tài)。,3.8 對稱破缺原理,巖體的破壞共扼剪切破壞，,,,,,,,,,,統(tǒng)一性原理也成為普適性原理。是指世界上各種事物之間存在著普遍適用的規(guī)律，具體表現為：不同系統(tǒng)演化途徑具有統(tǒng)一性，自然解中存在一些普適性常數以及同型規(guī)律和冪律規(guī)則。,,,3.9

45、統(tǒng)一性原理,（1）演化途徑的統(tǒng)一性無論是動力學系統(tǒng)、熱力學系統(tǒng)、生物學系統(tǒng)，都遵循無序——有序的演化規(guī)律，在演化過程中存在著自組織過程。巖土工程演化同樣存在一個無序到有序的自組織過程。,（2）普適常數黃金分割數是Fibonacci發(fā)現的——0.618，在動物的繁衍、植物的生長過程中，是尺寸大小比、種類數量比和增長速度比等方面出現的一個普適常數，在巖土工程領域也存在。,在混沌動力學中Feigtnbaum發(fā)現在混沌區(qū)周期窗口中倍周期分

46、叉點序列和混沌帶倍周期逆分叉序列的相鄰分叉點間距之比都趨近于一個無理數：4.6692016091029907……,（3）同型性不同的學科具有相似的定律，本質不同的領域會出現結構統(tǒng)一的定律。這就是同型性。,,,（4）冪律規(guī)則,地震震級大于m的地震數目N服從(G-R)定律,泥石流流量與發(fā)生概率,洪水發(fā)生的概率和大小,滑坡的頻率與規(guī)模,,,,（1）根據巖土工程特征，建立相應的數學力學模型；（2）求出系統(tǒng)的總勢能，利用泰勒級數展開、變量替換

47、將勢函數化為突變的標準形式：,4 滑坡突變失穩(wěn)特征,4.1 突變分析的一般步驟,（3）對V求導，得平衡曲面M,和分叉集方程,（4）系統(tǒng)發(fā)生突變得必要條件u<0。,（5）當控制變量u,v滿足分叉集方程時，系統(tǒng)處于臨界狀態(tài)，由此得系統(tǒng)突變的充分條件。,（6）系統(tǒng)中某些因素變化，導致ｕ，ｖ變化，可對系統(tǒng)演化途徑做定量分析。,,層狀結構斜坡由于寬度和坡長遠大于巖層厚度，在彈性條件下，將斜坡彎曲問題視為彈性薄板穩(wěn)定問題。假定板梁受垂直向下

48、的自重力，垂直于板梁的上下巖層的壓力。,4.2反傾斜坡彎曲拉裂變形的尖點突變分析,系統(tǒng)的勢函數,,,薄板儲存的應變能：,重力作的功：,Q1所作的功：,Q2所作的功：,系統(tǒng)總勢能可表示為結構的應變能和荷載勢能的組合：,其中,令：,,斜坡失穩(wěn)條件，必要條件：u<0,斜坡失穩(wěn)條件，充分條件：分叉集方程,斜坡失穩(wěn)條件不僅與外部因素Q1Q2有關，還與巖體的內因（幾何尺寸、材料性質有關。,不同因素對斜坡穩(wěn)定性的影響,,,1、巖層的傾角（1）

49、隨著巖層傾角的增大，巖層發(fā)生失穩(wěn)的臨界變形深度有減小的趨勢。（2）當傾角很小時，斜坡發(fā)生彎曲拉裂變形，其變形達到很大的深度才發(fā)生破壞的可能。所以低傾角反傾巖層一般不可能發(fā)身拉裂變形破壞。（3）對于陡傾巖層，隨著傾角的增加，臨界深度減小很少，且隨著傾角增加而逐漸趨于穩(wěn)定的趨勢。（4）對于中等傾角，傾角的不同對斜坡臨界失穩(wěn)深度有較大的影響。（5）巖層要發(fā)生彎曲拉裂變形乃至失穩(wěn)破壞，存在一定的臨界起始傾角。,,2、巖層厚度和彈性模量對

50、臨界深度的影響隨著巖層厚度的增加，臨界失穩(wěn)甚業(yè)呈現遞增的趨勢。,3、外界因素對斜坡穩(wěn)定性的影響孔隙的水壓力、地震和爆破,4.3漲落誘發(fā)巖體失穩(wěn)機制,（1）臨界微擾動誘發(fā)失穩(wěn)機制現代非線性科學認為：在臨界點附近，漲落誘發(fā)作用主要通過漲落的放大效應來實現，由于系統(tǒng)處于高度不穩(wěn)定狀態(tài)，任何微小的漲落都會被放大，微漲落在臨界點附近轉化微巨漲落，這種巨漲落驅動事物向新的狀態(tài)演化。,,滑坡是一種常見的斜坡失穩(wěn)而產生的巖土工程災害。在礦山、交通

51、、水利和城市建設過程中由于大量開挖和施工不當等原因，破壞了山體的穩(wěn)定，從而誘發(fā)滑坡的發(fā)生和發(fā)展，造成災害性的事故?；咎卣鳎夯瑒拥膸r土體具有整體性，并保持著斜坡原有的地質結構特征；滑移的方式為滑動，而不是滾動或傾覆。,,滑坡的危害,我國是一個多山的國家，西部尤其如此，據初步統(tǒng)計由滑坡、泥石流造成的災害，每年達200億左右。僅80年代一次性死亡人數在200人以上或直接經濟損失在千萬元以上有十余起（如1980年的鹽池河滑坡、1981

52、年雞趴子滑坡、1984年新灘滑坡、1983年灑勒山滑坡，1989年的溪口滑坡）。由滑坡造成水、陸路交通中斷引起的間接損失更無法估計。由人類建設工程引起的滑坡也不少，如云南漫灣水電站左岸纜機平臺斜坡失穩(wěn)，隴海線葡萄園段滑坡迫使鐵路改線，龍羊峽電站虎丘山斜坡變形，成昆線鐵西滑坡。,滑坡的分類,滑坡的分類比較繁雜，從不同角度去分類，例如按滑坡的組成物質、滑動速度、力學特征、滑體形態(tài)、滑體規(guī)模、發(fā)展階段等進行分類。我國按力學條件分類：牽引式

53、滑坡、推動式滑坡兩類。牽引式滑坡是由于坡腳處任意開挖所引起，斜坡失去平衡，靠近坡腳部分巖體首先開始向自由面膨脹、開裂、擠出，然后依次向上發(fā)展，最后整個邊坡失穩(wěn)滑移。推動式滑坡開始發(fā)生斜坡的上部，失穩(wěn)破壞的巖體向下滑移，并擠壓下部巖體，造成斜坡下部鼓丘和隆起。治理的方法不一樣：牽引式滑坡通過增加它的抗滑力，而推動式滑坡通過卸荷方法來減少的下滑力。,滑坡的發(fā)育過程,蠕動變形階段 由于開挖和外界因素的影響，首先在斜坡內部產生微小

54、的變形和移動，然后逐漸發(fā)展，直至坡面出現斷續(xù)的張拉裂縫。 隨著張拉裂縫的出現，滲水作用加強，變形進一步發(fā)展，后緣張拉，裂縫加寬，開始出現較小的錯距，兩側剪切裂縫相繼出現。坡腳部分巖體被壓裂致碎，并有潮濕滲水，此時滑動面初步形成，但尚未貫通。 斜坡變形進一步發(fā)展，后緣裂縫不斷加寬，錯距不斷增大，兩側羽毛狀剪切裂縫貫通并撕開，斜坡前緣巖體擠碎并鼓出，出現鼓張裂縫，坡腳附近滲水渾濁，滑動面已經形成，失穩(wěn)巖體開始整體向下滑動。

55、,滑動破壞階段滑體在整體下滑時，滑坡后緣迅速下陷，滑坡壁越露越高，滑體分裂成數塊?；麦w上的建筑物嚴重變形以至倒塌毀壞。漸趨穩(wěn)定階段滑動逐漸停止后，形成特殊的滑坡地形，在巖性、結構構造和水文地質方面相繼產生變化，例如斜坡巖體發(fā)生整體性破壞、巖體變得松散破碎，透水性增強，含水量增高，地層產狀發(fā)生變化。,滑坡的預測、預報,滑坡是一個典型的非線性系統(tǒng)的失穩(wěn)，非線性系統(tǒng)失穩(wěn)前都要展示大量的異常信息——失穩(wěn)前兆。,斜坡滑動類型,Heok根據

56、滑動面的差異把巖石邊坡的破壞分為四種類型：圓弧破壞、平面破壞、楔體破壞和傾覆破壞，前三種破壞性質屬于滑動破壞，最后一種屬于崩塌破壞。大量的理論研究和野外勘察表明，大多數巖石邊坡的破壞均為滑動破壞。 (a) (b) (c) (d)巖石邊坡的滑動類型(a)     平面破壞；(b) 圓弧破壞；(c) 楔體破壞；(d) 傾覆破壞,邊坡穩(wěn)定性分析方法,

57、巖石邊坡穩(wěn)定性分析目前有三種方法：（1）解析方法，最常用是塊體極限平衡法，它通過塊體在假定滑動面上抗滑力和滑動力之間的平衡關系來判斷邊坡的穩(wěn)定性。（2）數值方法，通過計算巖石邊坡中的應力分布，從而確定邊坡體的不穩(wěn)定區(qū)域。（3）概率法，把巖石邊坡的一些參數視為一個隨機變量場，通過建立隨機變量的分布函數來確定邊坡的穩(wěn)定性。,平面滑動穩(wěn)定分析,邊坡的穩(wěn)定性用穩(wěn)定性系數?來表示，它定義為塊體的抗滑力與下滑力之比。因此單平面滑動時邊坡的穩(wěn)定

58、性系數為：假設兩塊體之間存在一對作用力和，大小相等方向相反。作用的方向傾角為?。通過塊體Ⅰ的平衡可以求得作用力的大小和方向。塊體Ⅰ受到滑動面以下巖體對它的作用力， 單平面滑動 雙平面滑動,,,圓弧面滑動,當邊坡的巖性較軟或結構面與邊坡面傾向相反時，邊坡都沿某一個圓弧面滑動，而不是平面滑動。絕大多數土體邊坡也是圓弧面

59、滑動。圓弧面滑動的邊坡穩(wěn)定性系數定義為抗滑力矩與滑動力矩之比。圓弧面滑動穩(wěn)定性Bishop計算法,,楔體滑動,楔形體滑動是常見的一種邊坡破壞形式。因為楔形體是一個空間塊體，因此其穩(wěn)定性計算是一個比較復雜的問題。 楔形體滑動模型及其穩(wěn)定性計算,,上述計算的缺陷,有關幾種邊坡滑動模式一般都只考慮滑動塊體重力的作用，而實際上研究的邊坡大多承受靜水壓力、地震力及建筑物的作用力等外加荷載。在實際評價邊坡穩(wěn)定性時都要考慮這些外

60、加荷載的作用。,滑坡的防治措施,防治措施大致分為減滑工程和抗滑工程，減滑工程在于改變滑坡的地形、土質、地下水等狀態(tài)?？够こ淘谟诶每够瑯嬛飦淼謸趸伦冃位蚧瑒?，這類主要制止小規(guī)模的滑坡。,防治工程,,,,減滑工程,,,,抗滑工程,,擋土墻、抗滑樁、錨固工程、豎井樁,,削坡減重,,地表水排除工程,,地下水排除工程,,排氣工程,,河道構筑物,,地表水溝,,防滲工程,,水平鉆孔,,集水井,,泄水隧道,,立體排水工程,5、沖擊地壓的系統(tǒng)科學

61、,（1） 概述,沖擊地壓:井巷或采場周圍巖體在其力學平衡狀態(tài)破壞時，由于彈性變形能突然釋放而產生的突然、急劇、猛烈的動力現象。現象：常伴有很大的響聲、巖體的震動和沖擊波，在一定的范圍內可以感到周圍介質的震動；有時向采空空間拋出大量的碎煤或巖塊，形成很多煤塵；有時還釋放出大量的瓦斯。常導致巷道支架破壞，設備移動和空間被堵塞，危害程度比一般礦山壓力顯現程度更為嚴重，在地下開采中易造成嚴重的自然災害。,在我國，沖擊地壓最早于1933年發(fā)生在

62、撫順勝利礦。以后，隨著采深的增加和開采范圍的不斷擴大，北京、撫順、棗莊、開灤、大同、北票、南桐等礦區(qū)的許多礦井，都先后發(fā)生和記錄了沖擊地壓。隨著開采深度的不斷增加，沖擊地壓的危害將日益突出。,（2） 沖擊地壓分類,沖擊地壓一般可根據應力狀態(tài)、顯現強度和發(fā)生的地點和位置的不同進行分類。,（一）根據原巖（煤）體應力狀態(tài)分類,構造應力型沖擊地壓: 若構造應力遠遠超過巖層自重應力時，主要受構造應力的作用引起的沖擊地壓，如北票礦務局和天池煤礦發(fā)生

63、的沖擊地壓。,重力應力型沖擊地壓: 主要受重力作用，沒有或只有極小構造應力影響的條件下引起的沖擊地壓，如棗莊、撫順、開灤等局發(fā)生的沖擊地壓。,中間型或重力 — 構造型沖擊地壓: 它是受重力和構造應力的共同作用引起的沖擊地壓。,（二）根據沖擊的顯現強度分類,彈射: 一些單個碎塊從處于高應力狀態(tài)下的煤或巖體上射落，并伴有強烈聲響，屬于微沖擊現象。,礦震:它是煤、巖內部的沖擊地壓，即深部的煤或巖體發(fā)生破壞，煤、巖并不向已采空間拋出，只有片幫

64、或塌落現象，但煤或巖體產生明顯震動，伴有巨大聲響，有時產生煤塵。較弱的礦震稱為微震，也稱為“煤炮’。,強沖擊: 部分煤或巖石急劇破碎，大量向已采空間拋出，出現支架折損、設備移動和圍巖震動，震級在２.3級以上，伴有巨大聲響，形成大量煤塵和產生沖擊波。,弱沖擊: 煤或巖石向已采空間拋出，但破壞性不很大，對支架、機器和設備基本上沒有損壞，圍巖產生震動，一般震級在2.2級以下，伴有很大聲響，產生煤塵，在瓦斯煤層中可能有大量瓦斯涌出。,（三）根據

65、震級強度和拋出的煤量分級,輕微沖擊: 拋出煤量在10t以下，震級在１級以下的沖擊地壓。,中等沖擊:拋出煤量在10~50t，震級在1~2級的沖擊地壓。,強烈沖擊:拋出煤量在50t以上，震級在２級以上的沖擊地壓。,圍巖沖擊: 發(fā)生在頂底板巖層內，根據位置有頂板沖擊和底板沖擊。,（四）根據發(fā)生的地點和位置分類,煤體沖擊: 發(fā)生在煤體內，根據沖擊深度和強度又分為表面、淺部和深部沖擊。,（3）沖擊地壓成因和機理,（1）強度理論：發(fā)生的條件是礦山

66、壓力大于煤體 — 圍巖力學系統(tǒng)的綜合強度。較堅硬的頂底板可將煤體夾緊，阻礙了深部煤體自身或煤巖交界處的變形。由于平行于層面的摩擦阻力和側向阻力阻礙了煤體沿層面的移動，使煤體更加壓實，承受更高的壓力，積蓄較多的彈性能。在煤體夾持帶內，壓力高、并儲存有相當高的彈性能，高壓帶和彈性能積聚區(qū)可位于煤壁附近。一旦高應力突然加大或系統(tǒng)阻力突然減小時，煤體可產生突然破壞和運動，拋向已采空間，形成沖擊地壓,（3）沖擊傾向理論：介質實際的沖擊傾向度大于規(guī)

67、定的極限值。這些指標主要有：彈性變形指數、有效沖擊能指數、極限剛度比、破壞速度指數等。,（2）能量理論：當礦體與圍巖系統(tǒng)的力學平衡狀態(tài)破壞后所釋放的能量大于其破壞所消耗能量時，就會發(fā)生沖擊地壓。,上述三種理論提出了發(fā)生沖擊地壓的三個準則，即強度準則、能量準則和沖擊傾向度準則。３個準則同時成立，才是產生沖擊地壓的充分和必要條件,（4）沖擊地壓影響因素,（一）自然地質因素主要包括采深、地質構造及煤巖結構和力學特性等,（二）開采技術因素開

68、采多煤層時，任何造成應力集中的因素，如開采程序不合理、本層回采不干凈、相鄰兩層開采錯距不合適等，均對防治沖擊地壓不利。從防治沖擊地壓的角度而言，壁式開采優(yōu)于柱式開采，旱采優(yōu)于水采，直線工作面優(yōu)于曲線工作面。煤柱和開采邊界是最主要的應力集中因素，應盡量避免和減少這些因素的有害影響。,（5）沖擊地壓預測,（一）WET法：該方法是波蘭采礦研究總院提出的，用于測定煤層沖擊傾向。WET為彈性能與永久變形消耗能之比。波蘭采礦研究總院規(guī)定：WET≥５

69、為強沖擊傾向；2≤WET＜５為弱沖擊傾向；WET＜２為無沖擊傾向。該方法雖存在一些不足之處，但基本適于我國情況，可作為煤層沖擊傾向鑒定指標之一。,（二）彈性變形法: 它是全蘇礦山測量研究院提出的。在載荷不小于強度極限80%的條件下，用反復加載和卸載循環(huán)得到的彈性變形量與總變形量之比（K），做為衡量沖擊傾向度的指標。當K≥0.7時，有發(fā)生沖擊地壓的危險。,（三）煤巖強度和彈性系數法:用煤巖的單向抗壓強度或彈性模量的絕對值，做為衡量沖擊傾