岩土工程系统科学理论.ppt

岩土工程系统科学理论,主要内容,3、岩土工程系统分析原理,1、广义系统科学的形成和发展,2、广义系统科学的理论体系,4、滑坡突变的失稳特征,5、岩爆（冲击地压）系统科学分析,6、地面沉陷的系统科学,7、岩土工程失稳破坏的自组织原理,1.1概念系统是相互作用着若干要素的集合体。,系统思想系统观一般系统论广义系统科学原子论创始人德莫克利特的著作“世界大系统”最早提出“系统”；亚里士多德最早提出“整体大于部分之和”的论断系统的本质特征。我国古代的中医思想“黄帝内经”，提出天人相应的理论、经络学说、阴阳学说、五行学说等系统思想和辨证思想。。,1、广义系统科学的形成和发展,莱布尼茨单子论指出单子是事物的元素，宇宙被规范在一个完满秩序的统一体系中。已经注意到系统具有一定的结构和组成要素。并认识到事物之间的联系和相互作用。康德首先提出了知识的系统性，初步提出了整体论和目的论的观点。马克思和恩格斯明确提出了系统的概念和思想一切事物、过程乃至整体都是有无数相互联系、相互依赖、相互制约、相互作用的事物和过程形成的统一整体。,近代系统观,奥地利的理论生物学家贝塔朗菲（M.V.Beterlanffy）于1968年出版了一般系统论的基础、发展与应用创建了一般系统论，并与维纳Weiner提出的控制论和仙农（Shannon提出的信息论组成了狭义系统论。,一般系统论,广义系统科学,一般系统科学,非线性科学,系统论控制论信息论,耗散结构论协同学突变理论超循环论混沌动力学分形理论神经网络理论重整化群方法细胞自动机模拟方法,贝塔朗菲于1932年发表的理论生物学是一般系统论的萌芽，1968年出版了一般系统论的基础、发展与应用是系统的阐述。系统是由若干个相互联系、相互作用的部分，按照一定的结构所组成的具有一定新功能的有机整体。要素、结构和相互作用是构成系统三个不可缺少的因素。要素是构成系统的基本元素，结构是元素的组成方式，也就是要素之间的关系，相互作用是根本。,2、广义系统科学的理论体系,2.1系统论,要素构成的系统相互作用的数学表达式,Qi表示要素P（i-1,2,3）的某个参量,上式中任何一个Qi不再孤立，都已纳入整个系统，它的任何变化都回引起其他所有量Q，甚至整个系统发生或大或小变化，因为各个要素之间存在着相互作用。,,生长、竞争、整体性、总和、机构化、中心化、果决化,2.2控制论,1948年维纳发表控制论为标志，控制是在获取、加工和使用信息的基础上，控制主体使被控客体进行合乎目的的行为。目的是行为的向导，是行为最终结果的体现。控制的目的一方面当系统处于所需要的状态时，保持系统稳定原状态稳定。另一方面当系统布处于所需状态时，则引导系统由现有状态稳定过渡到预期的状态。信息的作用一是明确控制是否达到目的，就必须对系统的状态信息有所获取；二是达到这种目的，则么了解环境信息及系统偏离目的的信息。,控制论的研究对象可控系统，不是一切系统。系统必须具有以下特征可控性、目的性、可观性、闭环性和多向性控制的基本方式反馈控制反馈是指系统输出的全部或一部分通过一定的通道反送到系统的输入端，从而对系统的输入和再输出施加影响的过程。,,控制遵循的原则及时性原则、适度性原则、准确性原则、随机性原则。实施的手段最优控制、自适应控制、智能控制和模糊控制。控制论的主要方法功能模拟方法和黑箱方法功能模拟方法就是根据模型与原型之间的相似关系，用模型莱模拟对象，通过模型莱间接研究原型的规律性。黑箱方法就是通过考擦系统的输入和输出及其动态过程，而不是通过直接考擦内部结构，莱定量或定性地认识系统地功能特性、行为方式以及探索内部结构机理地控制论认识方法，,信息论首先由仙农于1948年在通讯地数学理论提出的。信息论是以信息为主要研究对象，以信息运动规律为主要研究内容，以扩展人的信息功能特别是智力功能为主要研究目标的一门新兴的横断学科。信息学科研究的主要内容阐明信息的概念和本质哲学信息论探讨信息的度量和变换基本信息论研究信息的提取方法识别理论探索信息的传递规律通讯理论探明信息的处理方法智能理论探究信息的再生原理决策理论阐明信息的调解原则控制理论完善信息的组织理论系统理论,2.3信息论,信息的科学方法论包含一个方法和两个准则信息方法、功能准则和整体准则，信息方法是灵魂，而两个准则是保证。信息方法通过分析复杂事物包含的信息过程来揭示行为的奥秘（信息分析），通过建立适当的信息模型和合理的技术手段来模拟复杂事物的高级行为（信息综合）。功能准则在应用信息方法来分析或实现高级复杂系统的时候，主要着眼于系统的功能，不必关心具体结果。整体准则着眼于整体功能的优化，不必关心局部功能的最优。,耗散结构理论是比利时化学物理学家普利高津Prigogine及其研究集体经过20年的研究，于1969年首先提出，并逐渐发展形成的理论体系。耗散结构理论主要研究非线性系统在原离平衡态时出现的各种有序结构所需的条件、演化过程等。普利高津Prigogine应用数学中微分方程的稳定性理论、分支点理论、突变论及泛函分析等近代数学工具建立了耗散结构严密的数学方法。孤立系统与外界无物质和能量交换封闭系统与外界有能量无物质较好开放系统与外界有物质和能量的较好普遍意义上的反应扩散方程,,2.4耗散结构（DisipativeStructure理论,耗散结构形成的条件和性质,条件系统必须开放，形成耗散结构的必要条件远离平衡态，形成耗散结构的外部条件非线性相互作用，形成耗散结构的内部条件性质有序结构、对称破缺、自催化作用、分岔等岩石破坏具备了耗散结构的条件，因此具有耗散结构的性能。（1）和外界交换能量；（2）宏观破坏时非平衡性（3）细观破裂的相互作用,协同学（Synergetics是由德国科学家哈肯Hermenhaken于1971年创立的。协同学认为所有系统都可以分为有限个子系统。系统的行为往往不是子系统行为的简单叠加，而是由所有子系统相互作用、相互协调形成自组织对系统的贡献的结果。自组织是开放系统在子系统合作下出现的宏观尺度上的新结构。协同学就是研究自组织的形成和演化规律。它主要阐明系统中子系统出现协同运动的条件和规律。其基本思路把一个高维的非线性问题归结为用一组序参量方程来描述，序参量方程控制着系统在临界点附近的动力学行为。,2.5协同学Synergetics,伺服原理,实际系统中子系统的数目比较多，表征子系统的状态变量也很多。怎样从繁多的变量中得出控制实际系统的参量（序参量）协同学根据系统不稳定原理，当控制参数变化使系统达到失去稳定时，基本演化方程中变量按其阻尼性质分为两类一类变量联系的阻尼作用很大，随时间变化很慢，达到新稳定的驰豫时间很长，称为慢变量；一类变量联系的阻尼作用很小，随时间变化很快，达到新稳定的驰豫时间很短，称为快变量；伺服原理就是利用绝热消去法消去系统中伺服于慢变量的快变量，最终建立系统协同作用残生的序参量方程。,300多年来，人们运用微积分、微分方程成功地建立了各种模型。但这些模型只能描述连续、光滑变化的现象，然而显示生活中不连续和突变现象比比皆是（社会变革、地震、滑坡、岩石失稳破坏）。法国比尔高等研究院数学家Thom在拓扑学、奇点理论和结构稳定性理论等数学基础上建立了突变理论。采用拓扑的原因是因为自然界中各种力的平衡大都可以用光滑曲面来描述。当事物演变的轨迹在曲面上遇到中断处时，平衡遭到了破坏，发生了突变。,2.6突变理论（CatastropheTheory,突变的种类,Thom证明，当控制变量不超过四个时，只有七中基本突变形式。,尖点突变模型的主要特点,（1）多模态系统中出现两个或多个不同状态；（2）不可达性系统不可能达到平衡曲面的中间位置；（3）突跳从一个状态到另一个状态过度出现突跳；（4）发散在临界点附近，控制变量数值的微小变化可能导致终态巨大的差别。（5）滞后突变并不是在分叉集内发生，而是在分叉集线上发生，从底页跳到顶页与从顶页跳到底页的位置不一样。尖点突变的5个特征,尖点突变的基本方程,尖点突变只有两个控制变量和一个状态变量，势函数为平衡曲面（Vx所有临界点的集合）为奇点集方程分叉集（既满足平衡曲面方程，又满足奇点集方程）方程,,,,,岩样-试验机系统突变分析,试验机的变形特性符合虎克定律岩样的本构关系以岩样的位移作为状态变量，可以得到系统的势函数平衡曲面尖点位置,平衡曲面的标准形式,为了得到尖点突变模型的标准形式，将平衡曲面在尖点处展开泰勒级数，依照Thom安全截断法则，安全截取前3项,平衡曲面标准形式的化简,令把无量纲参数代入平衡方程这里尖点突变理论认为控制变量p,q符合分叉集方程时，系统才会发生突变，分叉集方程是系统发生突变的充要条件，这样,混沌（chaos首先由李天岩和约克1975年在论文周期3则混沌提出的。定义对初值的敏感性或确定的随机性。确定的是因为系统混沌行为是由内在原因，而不是外来的噪声或干扰产生，即过程具有严格的确定性。随机性指的是行为的不规则性和不可预测性。著名的“蝴蝶效应”由气象学家洛仑兹提出。,2.7混沌动力学理论（ChaoticTheory,混沌可以直观地理解为确定性方程所产生地随机现象。Logistic模型（用于生物的繁殖）,当0u1,仅有一个有意义的解（平衡态）,当1u3,出现另一个稳定的解,当3u1＋,稳定解变得不稳定了，对于任意的初始值，当n趋近于无穷大时，序列一直无限地在两个解x1x2之间徘徊,,变成一个周期两个解,当1u0,dn呈指数增长，系统向混沌演化λ0,dn呈指数收缩，系统趋于稳定解Λ0,dn＝d0，系统处于临界状态,重整化群理论（renormalizationgroup是由美国物理学家威尔迅Wilson在研究相变时将重正化思想用于描述标度律和普适性的一种数学物理方法。重正化群理论主要通过重正化空间格子模型来研究临界现象和行为。重正化群理论主要通过重正化空间格子模型来研究临界现象和行为。利用重正化技术研究岩石力学一些临界行为已取得了一些成果。Madden利用重正化技术把岩石宏观导电率和微裂纹群联系起来研究，Allegre等则研究了岩石裂纹的合并问题。Smalley等对断层的临界滑动进行了重正化研究。重正化技术是一种模拟非均匀大系统演化过程的数学工具。它最重要的特征是系统在临界状态时尺度不变性。也就是说，脆性岩石在临界破坏时不同尺度下具有相同的破坏性质。从这个意义上讲，重正化技术成为研究宏细观尺度之间的一个桥梁。,2.8重整化群理论（RenormalizationGroup,岩石破坏的重正化模型,图中显示四个小格子单元组成一个大单元，而大单元的性能具有唯一性，它由四个小格子单元组合而成。同样四个大单元可以组成一个更大的单元，以此类推。这就是模型的重正化过程。（1）、（2）、（3）及（4）是四个不同的尺度，任何一个尺度都需要重正化。一个组合而成的大单元有五种可能情况[bbbb]、[bbbu]、[bbuu]、[buuu]、[uuuu],这里b表示已破坏单元，而u表示未破坏单元。由于破坏单元空间位置的差异，大单元[bbbu]、[bbuu]和[buuu]分别有种类型。如果假定单元相互独立，那么每一种单元状态的破坏概率可以用下式表示,,破坏条件概率,在模型中采用条件概率Pa,b表示破坏单元对临近非破坏单元的影响。一个已承受应力b的未破坏单元，如果再承受临近破坏单元转移过来应力a-b就破坏的条件概率定义为Pa,b。对应力转移和单元破坏作如下假定（1）当大单元中所有小单元全部破坏时，大单元才破坏；（2）破坏单元先前承受的应力平均转移给临近未破坏单元。在数学上条件概率Pa,b可以由概率Pa和Pb表示,,重正化求解,根据重正化群理论的尺度不变性假定，岩石临界破坏时所有尺度单元的破坏概率相同，即P1r1P1r.这样上式只有一个未知数P1r，但由于方程十分复杂，利用解析方法仍难于求得方程的解。只得借助数值迭代方法。显然0和1是方程两个稳定解，而P1r1P1rP*0.1707为方程不稳定解，它是系统失稳破坏区域和稳定变形区域的临界点。,,,分形几何是由Mandelbrot（1983）发展起来的一门新的数学分支，用来描述自然界不规则以及杂乱无章的现象和行为。分形几何学主要概念是自相似性和分数维数。Mandelbrot把分形定义为如果一个集合的Hausdorff维数严格大于它的拓扑维数DT，则该集合为分形。这样的维数可以是整数，也可以是分数，它是图形不规则性的度量。岩石材料作为亿万年地质演变的产物，具有大量自然形成的不同层次的孔隙、空洞和裂纹分布，可以抽象地看成高刚度的海绵体。对一个海绵立方体在欧氏空间看是三维，而在单向压力作用下，由于海绵体的高度空隙性，可以压扁在一个平面上，这时它的维数是二维。这种维数量刚的突变性说明欧氏空间的整数维只是一个表观维数。事实上，海绵体可以看成一个分形物体（如Mengor海绵体），它的维数是处于2和3之间。这说明分形维数能刻画海绵体这类随机分布孔隙体的几何结构本质。,2.9分形理论（FractalsTheory,岩石力学分形研究的三个层次,第一层次是分形研究的数学基础或形成其基本的数学框架，以及重新认识和建立分形空间中的力学量和力学定律；第二层次是广泛、系统地研究探讨岩石力学中的分形行为和分形结构，揭示岩石力学问题中一些复杂现象的分形机理和分形形成过程，应用分形定量地解释和描述岩石力学过去只能近似描述甚至难以描述的问题和现象；第三层次是岩石力学分形研究的理论和研究成果应用到工程，对工程中的复杂性关键技术问题进行统计描述，解决工程实际问题，促进工程问题的定量化、精确化和可预测性。,分形的定义,定义1设集合FRn的Hausdorff维数是D。如果F的Hausdorff维数D严格大于它的拓扑维数DT，即DDT，我们称集合F为分形集,简称为分形.定义2局部与整体以某种方式相似的形叫分形定义3F是分形，如果F具有如下典型性质1F具有精细结构，即有任意小比例的细节；2F具有不规则性，它的局部和整体都不能用传统的几何语言来描述；3F通常有某种自相似形式，可以是近似的或是统计的；4一般F的分形维数大于它的拓扑维数；5在大多数情况下，F可以用非常简单的方法定义，也可以由迭代产生。定义4分形就是比在经典几何考虑的集合更不规则的集合，这个集合无论被放大多少倍，越来越小的细节仍能看到。,分形维数的测量,如图7.3挪威海岸线长度到底多少是分形理论的一经典例子。当选大尺码去度量该海岸线时，很多港湾和峡谷被忽略掉，当选小尺码去量测时，小的港湾和峡谷被忽略。总之无论尺码多小，总有一些细节量不到，因此它的量测长度随着尺码的减小而不断增加。图7.4给出了Feder量测的海岸线长度L和尺码的双对数图。事实上量测的长度可以近似地表示为,,经典分形,Contor集Sierpinski集合,,,Menger海绵,,岩石损伤过程中的分形描述,岩石材料损伤演化的分形特征,,大理岩三点弯曲裂纹扩展图,损伤区的分形维数的估计,破碎块度分布的分形性质,在岩石破碎过程中，产生不同尺寸的碎块。随着破碎块度的逐渐减小，必然产生更多的新表面，因此需要耗散更多的能量。从某种意义上讲，破碎过程也就是能量耗散过程。由于岩石破碎过程也是一个分形过程，可以建立一个分形破碎模型来分析破碎与能量耗散的关,,,岩爆的分形机理,如果说岩石试件的破坏是小尺度的岩石破坏，地震是大尺度的岩石破坏，那么岩爆就算中等尺度的岩石破坏。岩石试件从微观断裂到试件的破碎都表现出分形特征，而地震工作者也发现地震活动规律具有分形特征，作为岩石中等尺度破坏形式的岩爆也可能具有分形性质。,微地震的震源位置分布（2月到5月,微地震的震源位置分布（6月到9月）,分形维数与主岩爆之间的相关性,岩爆的物理过程可以用损伤力学来描述，首先由于岩石内的初始损伤在采动应力作用下，在岩体内部形成局部损伤拉应力状态。这些局部损伤拉应力引起岩体内的局部微破裂。随着采动应力的增加，局部微破裂也相应增加，并且在某些区域形成微破裂集聚。该区域的裂纹密度（单位体积的微裂纹数目）明显大于其它背景区域。一些地质构造面的存在使得进一步开采所诱发的应力状态是拉应力，则严重损伤区将演化成岩爆的震心，并形成一个大的岩爆事件。如果进一步开采诱发的是高压应力状态，那么集聚区将经历一个损伤愈合过程，因此一部分应变能将被吸收。这个过程刚好对应于声发射探测的平静期或反常期。在损伤愈合过程后，持续作用的高应力再一次在严重损伤区形成局部拉应力场。这些微断裂非常容易汇合聚集，有可能发生一个岩体的大破裂（岩爆）。,岩爆规律,岩体内微破裂分形集聚的分形维数与能量释放成负指数相关关系。一个低分形维数值的出现，意味着岩体内将形成一个大的破裂事件，也就对应一次岩体失稳事件。因此可以根据声发射事件分布的分形维数的减小，作为预测主岩爆发生的指标。,,应变能的释放与分形维数的关系,露天矿剥离采用单斗/卡车间断开采工艺，采煤采用单斗卡车胶带输送机半连续开采工艺，安家岭露天矿设备选型配套时为了提高设备的可靠性和生产能力，优选了国外成熟的大型采掘设备，主要设备有35m3电铲、172吨级运输卡车、9.6m3前装机、520马力履带推土机和450马力推土机。,2.10神经网络理论（NeuralnetworkTheory,井工矿采用综合机械化放顶煤开采工艺。自行研制的大功率高可靠性刮板输送机，以及高工作阻力的液压支架。,3岩土工程系统分析原理,岩土工程系统分析应突出历史观、工程观、系统观和非线性观，具体指导思想如下（1）岩土工程体是一个复杂的动态系统和耗散系统，其演化过程具有不可逆性和自组织性。（2）系统规律具有不确定性，跟外界的干扰和内部系统本身有关。（3）岩土工程系统大多具有可控性，用反馈控制。（4）岩土灾害的发生往往表现为突发性，但也有可能渐变破坏。,,3.1整体性原理,整体性原理是指各个要素一旦组成系统，就具有孤立要素不具有的性质和功能，整体的性质和功能不等于各个要素性质和功能的简单相加。要素是系统的基础，是构成系统的必要条件，但如果要素不按一定的结构方式组合起来，也就不能构成有机的整体。相同的要素，其组合方式不同，构成的整体性质可能大不一样。金刚石和石磨的例子。,分解协调原理指的是人们在认识和构造系统过程中，可以将研究对象的活动过程或组成结构分解为若干个相互连接和关联的部分，协调关系或调整结构，可以使系统的功能达到预定的效果。,3.2分解协调性原理,分解协调整体过程,顺层斜坡的滑移弯曲变形,,,在现场地质调查中，只能发现坡体前缘岩层的皱曲现象，在坡体的后部发现一些张裂破坏迹象，如果不把这些现象有机地联系起来在仪器分析，从整体上考察，就很难得出坡体的变形机制。从整体上考察，结合坡体的岩体结构，就可以得出坡体产生“滑移弯曲”的概念模型。,层次性原理是指任何复杂的岩土体工程问题都具有层次性，在分析时，不但应分层次逐个进行，而且要注意各层次之间的联系。任何一类岩土体都是由不同层次构成，每一个层次都成为整体的一个子系统或子子系统，分析时从错综复杂的现象中将问题分解出不同的层次，针对不同层次采用不同的研究方法和手段。结构面的分类I类结构面，以断层为主，控制区域或山体的稳定性II类结构面，以贯通性裂隙为主，控制局部岩体的稳定性III类结构面，以断系延伸裂隙为主，破坏岩体的完整性,3.3层次性原理,层次性原理体现在岩体工程循环赛那个几何结构的层次性。板块间的超大断裂区域性大断裂断层贯通性裂隙断续裂隙岩石微裂隙晶体间的断裂。尺度效应,自相似原理指的是事物的局部和整体形态相似，或系统的各个层次具有相似的结构。狭义的自相似仅指几何形态的相似，广义的自相似可以扩展到系统的各个层次在时间、空间以及功能上的相似。分形理论,3.4自相似性原理,开放性原理是指任何系统只有把自己保持在不断与外界交换物质、能量和信息状态下，才能具有保持自身动态稳定性的能力。岩土体的物质交换主要自阿岩石圈（土壤圈）内进行。,3.5开放性原理,岩土体,,地下水、地表水和大气水,,植被,人类活动,,,太阳,突变性原理是指系统实现质变的一种方式，本质是系统从一种稳定状态向另一种稳定状态的跃迁。岩土体的突变灾害很多滑坡、岩爆、冲击地压、崩滑、泥石流、地震等。突变性原理在地质灾害防治方面有较大的适用价值，如何人对突变的控制，从突变失稳转化微渐变破坏。下图,,,3.6突变性原理,,,,自组织原理是指岩土体的演化过程实质上就是组成工程体的各子系统之间通过不断竞争和协同，在一定的外界条件和系统内部非线性机制作用下，从无序到有序，从低级到高级的自组织演化过程。,3.7自组织原理,京广铁路大瑶山隧道施工,自组织广泛存在地下开挖工程中，开挖形成自然拱开挖结构一个自组织表现，这种调节能力有一定的限度，如果开挖速度太快或开挖强度太大，在岩体的自我调节能力显得无能为力，岩体将发生大规模的整体破坏。,,,对称破缺原理是指在系统状态发生变化时，系统从无序局运分布状态到有序结构时，系统的对称性要降低，也就是对称性发生了破缺。对称性是广义的，它既指几何形态，也包含系统的功能状态。,3.8对称破缺原理,岩体的破坏共扼剪切破坏，,,,,,,,,,,统一性原理也成为普适性原理。是指世界上各种事物之间存在着普遍适用的规律，具体表现为不同系统演化途径具有统一性，自然解中存在一些普适性常数以及同型规律和幂律规则。,,,3.9统一性原理,（1）演化途径的统一性无论是动力学系统、热力学系统、生物学系统，都遵循无序有序的演化规律，在演化过程中存在着自组织过程。岩土工程演化同样存在一个无序到有序的自组织过程。,（2）普适常数黄金分割数是Fibonacci发现的0.618，在动物的繁衍、植物的生长过程中，是尺寸大小比、种类数量比和增长速度比等方面出现的一个普适常数，在岩土工程领域也存在。,在混沌动力学中Feigtnbaum发现在混沌区周期窗口中倍周期分叉点序列和混沌带倍周期逆分叉序列的相邻分叉点间距之比都趋近于一个无理数4.6692016091029907,（3）同型性不同的学科具有相似的定律，本质不同的领域会出现结构统一的定律。这就是同型性。,,,（4）幂律规则,地震震级大于m的地震数目N服从G-R定律,泥石流流量与发生概率,洪水发生的概率和大小,滑坡的频率与规模,,,,（1）根据岩土工程特征，建立相应的数学力学模型；（2）求出系统的总势能，利用泰勒级数展开、变量替换将势函数化为突变的标准形式,4滑坡突变失稳特征,4.1突变分析的一般步骤,（3）对V求导，得平衡曲面M,和分叉集方程,（4）系统发生突变得必要条件u0。,（5）当控制变量u,v满足分叉集方程时，系统处于临界状态，由此得系统突变的充分条件。,（6）系统中某些因素变化，导致ｕ，ｖ变化，可对系统演化途径做定量分析。,,层状结构斜坡由于宽度和坡长远大于岩层厚度，在弹性条件下，将斜坡弯曲问题视为弹性薄板稳定问题。假定板梁受垂直向下的自重力，垂直于板梁的上下岩层的压力。,4.2反倾斜坡弯曲拉裂变形的尖点突变分析,系统的势函数,,,薄板储存的应变能,重力作的功,Q1所作的功,Q2所作的功,系统总势能可表示为结构的应变能和荷载势能的组合,其中,令,,斜坡失稳条件，必要条件u107,岩爆预测方法声发射,岩石在压力作用下发生变形和断裂破坏，岩石内部微裂纹的扩展和摩擦都能引起弹性能的突然释放并以应力波向外传播，这种现象称为岩石的声发射。它在地下采矿和地震工程中也称为地音。显然声发射的强弱和时空分布反映了岩体的破裂进程。在预测评估技术方面，不断成熟的模式识别技术和改进的声测方法使得低应力和高应力岩石之间声发射的差异能被精确地测量出来，并用来进行岩石应力集中区和岩爆先兆的评估，进而预测预报岩爆的发生。,预测实例,美国爱达荷州北部的Coeurd’Alene地区是生产铅、锌、银等有色金属的重要矿区。该矿区正常情况下声发射率一般在30次/日以下，但在岩爆发生前两小时左右，声发射活动突然激增，其峰值强度可达正常值的数十倍，随后迅速下降，再经过12小时就发生岩爆。图显示三个月内在同一个矿内所发生的四次岩爆的声发射记录，由于成功地预测了岩爆发生时间和地点，因而这四次岩爆均未造成任何人员伤亡。,钻屑法,钻屑法是在岩体内钻孔，同时测量岩粉量、声响、钻孔冲击、钻孔阻力和岩粉粒度，来判断岩体内应力集中程度，鉴别发生岩爆的倾向和位置。一般在钻孔时产生类似岩爆的冲击效应，这也是钻屑得以鉴定岩爆危险程度的物理基础，这种效应也可称为钻孔冲击。钻屑法一般应用于煤矿开采中。一般以钻屑量和正常排粉量之比作为衡量冲击倾向指标，它称为钻粉率指数。它的表达式为式中为钻粉率指数，Vb为钻出的岩粉量，Vz为正常排粉量，,,地球物理检测法,某些浅源地震机制和岩爆相似，因此可以利用检测地震的一些地球物理方法，如地质层析X线成像法及电磁辐射法，检测岩爆。地质层析X线成像法在岩爆和采矿诱发岩爆研究中有三方面的应用。（1）矿区岩体的主动成像能提供大区域岩体的特性；（2）通过连续成像可提供对岩体性质的监控；（3）以往岩体层析成像提供例如微震传感器布置区内岩石物理力学性质的信息。通过对岩体变形的连续成像可以确定事件区域和速度结构，从而预测预报岩爆的发生。电磁辐射是岩石破裂时的一种伴生现象，它和声发射检测岩爆具有许多相似之处，用于探测高应力区和动力过程。,岩爆的防治措施,在采掘过程中采取一定的措施防治岩爆的发生是完全可能的。目前防治岩爆有两类方法，一类是间接防治，另一类是直接防治。间接防治岩爆大多数发生在巷道的开挖过程中，而回采时一般很少发生。选择合理的巷道开掘方式和布置形式避免形成高应力集中和能量的大量集聚，对防治岩爆的发生极其重要。大量实践证明许多岩爆的发生是在不合理的开挖技术条件下形成的，一经形成就难于改变，往往会形成长时期的被动局面，此时为了防治岩爆，只能采取某些临时性的局部措施，因此，就防治岩爆措施而言，开挖技术措施是根本性和先导性的措施。主要包括1）尽量避免巷道进入高应力区的破碎带；2）避免形成不规则的巷道形状和孤立矿柱；3）开挖速度也是影响岩爆的重要因素。,,二、直接防治卸压爆破。卸压爆破是对具有岩爆危险的地带，用爆破的方式减缓应力集中程度，从而消除岩爆的产生，它是减缓岩爆发生的主要措施之一，在许多国家和地区应用。钻孔卸压。通过向高应力区钻一些大直径的钻孔来诱导岩体变形，减缓岩体中存储的高应变能，从而消除岩爆的产生。它是消除高应力区岩爆的主要措施。诱发爆破。利用爆破的方法诱发产生岩爆，使岩爆发生在规定的时间和位置范围内，从而避免更大的损害。注水软化。通过岩体内的原生裂隙对具有岩爆危险的地段进行注水湿润岩体，起到降低高脆性岩石强度、增加塑性性能。,形成岩土工程灾害的因素,自然因素生物圈的作用力风化太阳热能的作用力风化和冻融大气圈运动的搬运力风蚀大气降水的袭击力剥蚀、冲沟地表水圈的作用力掏蚀、冲刷、岸边再造地下水的作用力岩溶、破碎带的管涌、塌陷岩土的重力滑坡、崩塌地球引力和板块运动地震、地壳变形、火山,人为因素,人类活动一方面创造世界，另一方面破坏环境，造成岩土工程灾害。开挖斜坡斜坡失稳开采地下固体矿物地表移动、地应力重分布开采石油、天然气、地下水地面沉降、塌落、地震河流水系的改道和破坏河床变形、边岸再造、水库地震灌溉岩土盐碱化和湿化土木工程建造地基失稳、地层变形,岩土工程灾害的分类,渐进破坏地层缓慢沉降、风化、剥蚀危害也是渐进，破坏范围较大，暂时危害不大，但总体危害也特别大。可防治性好。失稳破坏滑坡、岩爆、崩塌破坏瞬间完成，范围相对较小，对人类的生产和生命危害极大，可防治性差。,研究的方法,根据本学科的工程特点，采用现场调查、科学实验和理论分析相结合的研究方法现场调查包括工程地质测绘、勘探、和物探，主要收集现场资料。科学实验岩土物理力学参数、现场和室内模型实验、水文实验，主要评价岩土工程的稳定性。现在实验包括数值模拟实验。理论分析过去理论分析主要基于岩土力学、地质学和土建工程学，目前把非线性科学理论应用于岩土工程灾害分析。包括分形理论、突变理论、耗散结构理论、协同学理论、重整化群理论等，它们主要处理自然界和社会活动过程中复杂现象和规律。,6地层沉陷,基本概念地层沉陷是指地层中岩体临空或受力而发生垂直和水平方向上缓慢或突发性的变形、破坏和运动。其实则是地层中岩土体的失稳破坏。基本特点（1）研究范围大，采动临空面及其周围岩体直至地表；（2）不仅研究应力、应变，更关心岩体及地表产生的大变形和大位移；（3）不仅研究本身岩体的损害，而且研究地层沉陷所波及的地层环境的破坏。,地下采煤引起的地表塌陷,理论研究路径,理论研究是把岩体和临空面抽象为一定的理论模型，根据该理论模型的理论解及实测、实验求得的参数，对岩体内部及地表的应力和位移进行计算，其流程图如下地层沉陷的理论研究示意图,理论研究的三种方法,唯象学理论研究包括概率积分法、负指数函数法、典型曲线法。它简便易行，避开了岩体的本构，对于层状结构计算误差较小。经典力学理论研究（反分析）利用黑箱原理，进行岩体采动系统调制，老拟合采动岩体与地表的移动曲线。计算结果较差，很少使用。力学理论研究（正演分析）利用力学原理，将岩体抽象为力学模型，编制相应的计算程序对采动岩体与地表沉陷进行模拟。,地下开采地层内部沉陷特征,矿体采空后，围岩的原始应力平衡状态被破坏，应力开始重新分布，使围岩产生变形、移动、破坏，显然破坏的程度距离采空区的远近有关。分成六个区域，上覆岩层分为冒落带、裂隙带和弯曲带，底板分为底板导水裂缝带、保护带和承压水导升带。地层沉陷分区示意图,地表沉陷特征,沉陷盆地是在工作面推进过程中逐渐形成的，它比采空区域大得多。地表沉陷盆地的发生和发展地表沉陷盆地区域划分示意图,地表沉陷的危害,地层沉陷对建筑物的危害地层沉陷对水体的危害地层沉陷对铁路和公路的危害地层沉陷对井巷的危害地层沉陷对山体和露天矿边坡的危害地层沉陷诱发矿山动力灾害,地层沉陷的预测（概率积分法）,地下矿体采出后，岩层和地表将发生移动，以统计的观点将整个开采分解为无穷多个无限小的开采，整个开采对岩层和地表沉陷的影响相当于无穷多个无限小开采影响之和。地表下沉地表倾斜变形地表曲率变形地表水平移动地表水平变形,地层沉陷损害控制（一）,活动基础随意调整建筑物原基础高度的一组构件群，吸收采动岩体向上传递非线性变形，达到保护建筑物安全使用的目的。活动基础结构示意图,离层注浆控制地层沉陷,离层注浆控制沉陷就是利用矿体开采后覆岩层裂过程中形成的离层空间，借助高压注浆泵从地面通过钻孔向离层空间注入充填材料，占据采出空间向上传递，支承岩层、减缓离层上位岩体的进一步弯曲下沉，从而达到减缓地层沉陷的目的。其基本工艺原理图如下,改进开采工艺或充填技术,大条带开采工艺小煤柱开采大条带开采充填开采对于有条件的矿山进行充填开采，减少地面沉陷,,,,,,,,,,,,5煤、7煤、9煤、12煤开采后地表下沉等值线,重复采动引起地表沉降的动态概率积分计算结果,,,Ansys7.0有限元程序对薄板进行力学分析,,三边简支薄板挠度分布图,三边简支薄板最大主应力分布图,7、岩土工程失稳破坏的自组织原理,7.1岩石破裂过程的自组织临界特征岩石材料在一定应力作用下变形破坏过程表现出强烈的非线性特征，最明显的特征是累进性破坏现象和裂纹的扩展由随即、分散分布向最终破裂面集中的现象。岩石的累进性破坏一般是指在加载过程中当荷载超过一定的临界值时，岩石的变形从稳定破裂阶段跃上不稳定破裂。岩石破裂过程中裂纹由最初的随即分布向破裂面集中演化的现象实际上是一种耗散系统从无序向有序的演化所表现出的特有现象。,自组织临界现象岩石累进性破坏的本质,自组织临界现象数值模拟,