高邊坡變形破壞的非線性動力學(xué)過程及其預(yù)測預(yù)警研究.pdf

1、滑坡是僅次于地震的重大災(zāi)害，是國際減災(zāi)十年計劃的重要研究內(nèi)容。其預(yù)測預(yù)警方法研究是滑坡研究的核心問題。目前的預(yù)測研究中存在的突出問題是對隱蔽地質(zhì)體的非連續(xù)、非均勻和多變性等復(fù)雜性特點的刻畫較為困難，難點在于經(jīng)典的數(shù)理方法與復(fù)雜對象之間的矛盾問題。這樣，需要探尋關(guān)于復(fù)雜性的新的理論方法進(jìn)行嘗試與探索。本文針對邊坡安全預(yù)警問題，在前人對邊坡系統(tǒng)演化及預(yù)測預(yù)警研究成果的基礎(chǔ)之上，主要采用70年代中后期發(fā)展起來的非線性動力學(xué)理論(包括混沌動力學(xué)

2、、分岔理論等)，結(jié)合巖土流變理論及非線性數(shù)值分析方法，開展邊坡系統(tǒng)的非線性動力學(xué)演化過程及預(yù)測預(yù)警方法研究。研究不僅可以探索邊坡預(yù)測研究的新方法，而且對于減輕滑坡災(zāi)害損失，保障工程安全和維護(hù)社會穩(wěn)定等具有重要的現(xiàn)實意義。論文的主要研究包括： 1.系統(tǒng)總結(jié)了國內(nèi)外在邊坡系統(tǒng)非線性演化過程、邊坡時間預(yù)測研究以及邊坡變形破壞研究等方面的研究現(xiàn)狀，尤其是非線性動力學(xué)理論在邊坡預(yù)測預(yù)警研究中的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展，指出了研究中存在的主要問題。

3、 2.運用協(xié)同學(xué)、突變論、分岔論及混沌動力學(xué)等非線性動力學(xué)理論探討了邊坡演化的非線性動力學(xué)過程與基本特點。通過協(xié)同學(xué)慢變量控制原理，研究了邊坡演化的協(xié)同突變過程，指出邊坡是由少數(shù)幾個慢變量控制的演化系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)協(xié)同產(chǎn)生條件和序參量的判定，并通過外界擾動、系統(tǒng)阻尼與系統(tǒng)演化分岔解的關(guān)系，指出在無擾動情況下，自身的阻尼變化促進(jìn)邊坡演化，而在擾動下，系統(tǒng)分岔解不連續(xù)變化，形成突變。并以實測非線性時間序列為對象，通過相空間重構(gòu)，研究了

4、邊坡演化的多元混沌特征。研究發(fā)現(xiàn)多數(shù)邊坡系統(tǒng)關(guān)聯(lián)維數(shù)D2為非整數(shù)、最大Lyapunov指數(shù)、熵值均大于零以及系統(tǒng)復(fù)雜度位于(0，1)區(qū)間偏小值，通過與確定性系統(tǒng)特征量的比較，揭示了邊坡系統(tǒng)的混沌特征。 3.以單變量摩擦定律為基礎(chǔ)，結(jié)合滑坡簡化動力學(xué)模型，建立了由滑動面剪應(yīng)力τ、滑坡速度V、滑坡位移u定義的三維分岔演化模型；依據(jù)混沌動力學(xué)奇點穩(wěn)定性判別條件，對Taylor級數(shù)近似后的等價自治方程特征值實部進(jìn)行線性分析，獲得邊坡系統(tǒng)

5、不同類型奇點的形成條件；并通過非線性數(shù)值分析，研究了邊坡演化的穩(wěn)定性問題。引入?yún)f(xié)同學(xué)絕熱近似假設(shè)，提出了位移速率預(yù)測的變分岔預(yù)測模型；基于該模型，引入邊坡失穩(wěn)的速率變化極值條件，獲得邊坡非線性演化失穩(wěn)破壞的時間推演式。結(jié)果表明：分岔演化具有結(jié)點、焦點和鞍點三種吸引子，結(jié)點與焦點趨于穩(wěn)定，鞍點趨于失穩(wěn)，以巖土體試驗參數(shù)β=1為分岔點；位移速率預(yù)測模型與破壞時間推演的精度與邊坡初始穩(wěn)定滑動速度密切相關(guān)。 4.基于改進(jìn)的Bishop條

6、分模型，通過考慮滑動面巖土體剪應(yīng)力松弛，首先建立邊坡漸進(jìn)演化分析模型；通過條間力F變化建立與變分岔預(yù)測模型的結(jié)合，并以時間序列反分析方法確定模型參數(shù)及等價時間間隔△t，提出了漸進(jìn)演化的非線性動力學(xué)預(yù)測耦合方法；并以樣條插值與數(shù)據(jù)擬合方法實現(xiàn)邊坡斷面及整體預(yù)測，為邊坡預(yù)測預(yù)警研究提供了新方法。 5.從混沌動力學(xué)演化、漸進(jìn)演化和峰值圖像等三個方面探討了邊坡安全預(yù)警的標(biāo)準(zhǔn)。即：通過分岔模型鞍點出現(xiàn)的約束條件(β=1)，建立了邊坡變形破

7、壞的混沌動力學(xué)演化標(biāo)準(zhǔn)；通過邊坡動態(tài)安全系數(shù)K=1時的邊坡平均位移速率(位移)，建立了漸進(jìn)演化分析標(biāo)準(zhǔn)；還通過整體位移速率與空間位置的關(guān)系曲線，提出了峰值圖像標(biāo)準(zhǔn)。研究發(fā)現(xiàn)，混沌動力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)主要與巖土體力學(xué)參數(shù)相關(guān)，漸進(jìn)演化標(biāo)準(zhǔn)更敏感于邊坡穩(wěn)定滑動速率的確定，而峰值圖像標(biāo)準(zhǔn)則具有趨勢預(yù)測能力。這三種標(biāo)準(zhǔn)的建立不同于以往的統(tǒng)計學(xué)方法，完善了邊坡預(yù)警理論。以本文邊坡非線性動力學(xué)預(yù)測與預(yù)警方法對甘肅黃茨滑坡與廣東省梅河高速公路某邊坡工程進(jìn)行實例