非線性理論在工程地質(zhì)中的應(yīng)用

■劉虎

（新疆地礦局第四地質(zhì)大隊新疆阿勒泰836500）

非線性理論在工程地質(zhì)中的應(yīng)用

■劉虎

（新疆地礦局第四地質(zhì)大隊新疆阿勒泰836500）

近年來，非線性理論在工程地質(zhì)中得到了廣泛應(yīng)用，研究其相關(guān)課題有著重要意義。本文首先介紹了突變理論在工程地質(zhì)中的應(yīng)用，并結(jié)合相關(guān)實踐經(jīng)驗，分別就神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論，以及非平衡自組織理論的應(yīng)用展開了研究與探討，闡述了個人對此的幾點看法與認識，望有助于相關(guān)工作的實踐。

非線性理論 工程地質(zhì) 應(yīng)用

1 前言

作為能夠有效提升工程地質(zhì)實踐效果的方式方法之一，非線性理論的關(guān)鍵地位不言而喻。該項課題的研究，將會更好地提升非線性理論的實踐應(yīng)用水平，從而有效優(yōu)化工程地質(zhì)工作的整體效果。

2 突變理論在工程地質(zhì)中的應(yīng)用

突變理論主要研究的是在非線性系統(tǒng)中如何從連續(xù)漸變狀態(tài)變成系統(tǒng)性質(zhì)的突變。其理論中一共有其中突變模型，而尖點突變模型在工程地質(zhì)問題的解決中應(yīng)用最為廣泛。下面就對尖點突變模型在工程地質(zhì)問題解決中的作用做出詳細論述：

2.1 層狀結(jié)構(gòu)斜坡穩(wěn)定性的定性分析

層狀機構(gòu)斜坡的穩(wěn)定性問題一直困擾著地質(zhì)界以及巖石力學(xué)界的學(xué)者以及工作人員，其中可以根據(jù)巖層傾角與斜坡坡角之間的關(guān)系分成三種不同的斜坡問題類型，不同的類型的變形破壞方式也不相同，這三種類型分別為：順層斜坡、反傾巖層斜坡、近直立巖層斜坡。其中順層斜坡的變形破壞主要為滑移彎曲變形，反傾巖層斜坡主要為彎曲拉裂變形，近直立巖層斜坡主要為崩塌破壞。不同類型的問題要建立不同的理論模型加以解決分析，其中反傾巖層斜坡問題為實際的工程地質(zhì)中遇到較多的問題，那么就詳細介紹一下。

用非線性中突變理論解決反傾巖層斜坡問題時，首先要通過力學(xué)模型建立實際系統(tǒng)的勢函數(shù)表達式，然后經(jīng)過適當(dāng)?shù)淖儞Q得出函數(shù)的平衡曲面方程，然后再根據(jù)系統(tǒng)失去穩(wěn)定性時的充分條件。經(jīng)過理論的系統(tǒng)分析以及結(jié)合實際工程建設(shè)施工中的情況，傾斜角為30～70度的反傾巖層斜坡是穩(wěn)定性最差的情況。應(yīng)用這種研究方法對于由層狀圍巖組成的地下洞室發(fā)生頂拱塌落和彎折內(nèi)鼓失穩(wěn)的條件的研究也具有很好的效果。

2.2 狹窄煤柱沖擊地壓穩(wěn)定性的定性分析

狹窄煤柱沖擊地壓的發(fā)生是由于剛度比不夠，并在多種外界擾動觸發(fā)下所造成的一種巖體失穩(wěn)現(xiàn)象。礦山中沖擊地壓有相當(dāng)一部分發(fā)生在煤柱上，發(fā)生原因為在煤柱的逐漸破壞中，由于煤柱上層覆蓋有堅硬巖層，發(fā)生沖擊地面。在發(fā)生時頂板巖層并不破壞而只是參與到能量的釋放中，在這種情況下我們多采用刀柱式采煤法。根據(jù)刀柱式采煤法我們建立數(shù)學(xué)模型，

通過研究模型我們得知煤柱的剛度在小于梁的剛度時，沖擊地面就不會發(fā)生，相反當(dāng)煤柱剛度大于梁的剛度時，就會發(fā)生。可見煤柱沖擊地面的發(fā)生于介質(zhì)強度并非有密切的聯(lián)系。

3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論在工程地質(zhì)的應(yīng)用

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的原理在于模仿人類大腦的功能，通過對一直的樣本的學(xué)習(xí)研究，建立輸入輸出之間的非線性的聯(lián)系，對于這些已有的關(guān)系進行存儲，便可以對于未知的樣本進行預(yù)測了，下面我們以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論在預(yù)測水庫誘發(fā)地震震級的例子，來說明圣經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論在工程地質(zhì)中的應(yīng)用。

首先我們要建立一個水庫誘發(fā)震級的學(xué)習(xí)樣本表，我們在此表的建立上通過分析國內(nèi)外上百余個水庫誘震資料的分析處理，在七個方面得到了量化的數(shù)據(jù)，對于一些不能量化的用二值模式表示。其中這七個方面分別為：壩高、庫容、庫區(qū)建庫前地震概況、庫區(qū)巖性特征、主要成因類型、庫區(qū)內(nèi)有無大的活斷層通過、庫區(qū)是否巖溶地區(qū)。之后利用樣本表建立BP算法網(wǎng)絡(luò)，然后根據(jù)樣本表建立不同方面的節(jié)點，其中輸入層要建立14個節(jié)點，輸出層要建立3個節(jié)點，中間層要建立12個節(jié)點。然后進行至少兩萬次的學(xué)習(xí)訓(xùn)練。其中輸出層建立的三個節(jié)點所代表的意義為最大震級的三個指標。實際工作表明這項技術(shù)對于預(yù)測水庫誘震方面精確度可達到80%以上。

4 非平衡自組織理論在工程地質(zhì)的作用

4.1 對于巖石累進性破壞的研究

任何巖石都是含有大量孔隙和微裂紋以及組成巖石晶粒間的接觸界面，巖石通過這些極其不明顯的“結(jié)構(gòu)面”分成了無數(shù)個小的單元。所以，我們可以把任何巖石看作一個復(fù)雜的巨大系統(tǒng)，這系統(tǒng)中包含著無數(shù)的子系統(tǒng)。并且可以用熱力學(xué)和統(tǒng)計力學(xué)的知識來定量描述分析。在巖石不收任何外力的情況下就會表現(xiàn)出非線性的性質(zhì)。在三軸壓縮試驗過程中，在每個軸向壓力小于巖體的自身強度時，巖體的變形破裂就會呈穩(wěn)定發(fā)展趨勢，這種情況應(yīng)于系統(tǒng)演化的非平衡線性區(qū)，此時如果停止對巖石加力，巖石系統(tǒng)將會一直保持在穩(wěn)定狀態(tài)下。但是如果所加的力大于巖石自身的強度時，巖石系統(tǒng)就會進入遠離平衡區(qū)，隨之產(chǎn)生的就是系統(tǒng)內(nèi)部各子系統(tǒng)之間發(fā)生長程關(guān)聯(lián)的非線性相互作用，并且各子系統(tǒng)將表現(xiàn)明顯的“相干效應(yīng)”和“協(xié)同效應(yīng)”，最終我們可以見到的最為直觀的就是導(dǎo)致巖石發(fā)生雪崩式的破壞。由此可見巖石的累進性破壞是一種自組織過程，各巖石單元之間的自組織過程是最終導(dǎo)致巖石發(fā)生累進性破壞的本質(zhì)原因。

4.2 對斜坡演化的自組織過程的研究

無疑我們都知道各類斜坡都經(jīng)歷著三個階段，平衡態(tài)，近平衡態(tài)，遠離平衡態(tài)，這三個階段是任何一個復(fù)雜的體系形成結(jié)束都要經(jīng)歷的過程。任何一個斜坡體系都是由無數(shù)個相互交錯的裂縫巖體所構(gòu)成，一個斜坡系統(tǒng)都是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，其中包含了無數(shù)個小的子系統(tǒng)，一個斜坡從平衡狀態(tài)變成非平衡狀態(tài)都經(jīng)歷著系統(tǒng)內(nèi)部各子系統(tǒng)的自組織過程，并且大量研究表明斜坡體系的演變過程中的確表現(xiàn)出了非線性系統(tǒng)所具有的規(guī)律，在失去穩(wěn)定性之前都會表現(xiàn)出明顯的異常。所以我們在研究斜坡演化的過程中都可以利用微分方程進行系統(tǒng)的定量的研究，并且根據(jù)三個不同的觀測時序，例如應(yīng)力時序，位移時序，降雨時序。便可以確定推測出斜坡系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語

綜上所述，加強對非線性理論在工程地質(zhì)中應(yīng)用的研究分析，對于其良好實踐效果的取得有著十分重要的意義，因此在今后的實踐中，應(yīng)該加強對非線性理論的重視程度，并注重其在具體應(yīng)用實施過程中的諸多關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

[1]李思平，孫連英.基于非線性理論的邊坡穩(wěn)定性評價模型 [J].水文地質(zhì)工程地質(zhì). 2014（02）:88-89.

[2]胡慶豐.突變理論在巖體系統(tǒng)動力失穩(wěn)中的應(yīng)用 [J].巖土力學(xué).2014（03）：115-116.

[3]劉翠竹.高速滑坡三維理論模型 [J].山西建筑.2015（27）：50-52.

P5[文獻碼]B

1000-405X（2016）-5-231-1