非线性理论在工程地质中的应用

2016-04-14刘虎

地球 2016年5期

关键词：煤柱工程地质斜坡

■刘虎

（新疆地矿局第四地质大队新疆阿勒泰836500）

非线性理论在工程地质中的应用

■刘虎

（新疆地矿局第四地质大队新疆阿勒泰836500）

近年来，非线性理论在工程地质中得到了广泛应用，研究其相关课题有着重要意义。本文首先介绍了突变理论在工程地质中的应用，并结合相关实践经验，分别就神经网络理论，以及非平衡自组织理论的应用展开了研究与探讨，阐述了个人对此的几点看法与认识，望有助于相关工作的实践。

非线性理论工程地质应用

1 前言

作为能够有效提升工程地质实践效果的方式方法之一，非线性理论的关键地位不言而喻。该项课题的研究，将会更好地提升非线性理论的实践应用水平，从而有效优化工程地质工作的整体效果。

2 突变理论在工程地质中的应用

突变理论主要研究的是在非线性系统中如何从连续渐变状态变成系统性质的突变。其理论中一共有其中突变模型，而尖点突变模型在工程地质问题的解决中应用最为广泛。下面就对尖点突变模型在工程地质问题解决中的作用做出详细论述：

2.1 层状结构斜坡稳定性的定性分析

层状机构斜坡的稳定性问题一直困扰着地质界以及岩石力学界的学者以及工作人员，其中可以根据岩层倾角与斜坡坡角之间的关系分成三种不同的斜坡问题类型，不同的类型的变形破坏方式也不相同，这三种类型分别为：顺层斜坡、反倾岩层斜坡、近直立岩层斜坡。其中顺层斜坡的变形破坏主要为滑移弯曲变形，反倾岩层斜坡主要为弯曲拉裂变形，近直立岩层斜坡主要为崩塌破坏。不同类型的问题要建立不同的理论模型加以解决分析，其中反倾岩层斜坡问题为实际的工程地质中遇到较多的问题，那么就详细介绍一下。

用非线性中突变理论解决反倾岩层斜坡问题时，首先要通过力学模型建立实际系统的势函数表达式，然后经过适当的变换得出函数的平衡曲面方程，然后再根据系统失去稳定性时的充分条件。经过理论的系统分析以及结合实际工程建设施工中的情况，倾斜角为30～70度的反倾岩层斜坡是稳定性最差的情况。应用这种研究方法对于由层状围岩组成的地下洞室发生顶拱塌落和弯折内鼓失稳的条件的研究也具有很好的效果。

2.2 狭窄煤柱冲击地压稳定性的定性分析

狭窄煤柱冲击地压的发生是由于刚度比不够，并在多种外界扰动触发下所造成的一种岩体失稳现象。矿山中冲击地压有相当一部分发生在煤柱上，发生原因为在煤柱的逐渐破坏中，由于煤柱上层覆盖有坚硬岩层，发生冲击地面。在发生时顶板岩层并不破坏而只是参与到能量的释放中，在这种情况下我们多采用刀柱式采煤法。根据刀柱式采煤法我们建立数学模型，

通过研究模型我们得知煤柱的刚度在小于梁的刚度时，冲击地面就不会发生，相反当煤柱刚度大于梁的刚度时，就会发生。可见煤柱冲击地面的发生于介质强度并非有密切的联系。

3 神经网络理论在工程地质的应用

神经网络理论的原理在于模仿人类大脑的功能，通过对一直的样本的学习研究，建立输入输出之间的非线性的联系，对于这些已有的关系进行存储，便可以对于未知的样本进行预测了，下面我们以神经网络理论在预测水库诱发地震震级的例子，来说明圣经网络理论在工程地质中的应用。

首先我们要建立一个水库诱发震级的学习样本表，我们在此表的建立上通过分析国内外上百余个水库诱震资料的分析处理，在七个方面得到了量化的数据，对于一些不能量化的用二值模式表示。其中这七个方面分别为：坝高、库容、库区建库前地震概况、库区岩性特征、主要成因类型、库区内有无大的活断层通过、库区是否岩溶地区。之后利用样本表建立BP算法网络，然后根据样本表建立不同方面的节点，其中输入层要建立14个节点，输出层要建立3个节点，中间层要建立12个节点。然后进行至少两万次的学习训练。其中输出层建立的三个节点所代表的意义为最大震级的三个指标。实际工作表明这项技术对于预测水库诱震方面精确度可达到80%以上。

4 非平衡自组织理论在工程地质的作用

4.1 对于岩石累进性破坏的研究

任何岩石都是含有大量孔隙和微裂纹以及组成岩石晶粒间的接触界面，岩石通过这些极其不明显的“结构面”分成了无数个小的单元。所以，我们可以把任何岩石看作一个复杂的巨大系统，这系统中包含着无数的子系统。并且可以用热力学和统计力学的知识来定量描述分析。在岩石不收任何外力的情况下就会表现出非线性的性质。在三轴压缩试验过程中，在每个轴向压力小于岩体的自身强度时，岩体的变形破裂就会呈稳定发展趋势，这种情况应于系统演化的非平衡线性区，此时如果停止对岩石加力，岩石系统将会一直保持在稳定状态下。但是如果所加的力大于岩石自身的强度时，岩石系统就会进入远离平衡区，随之产生的就是系统内部各子系统之间发生长程关联的非线性相互作用，并且各子系统将表现明显的“相干效应”和“协同效应”，最终我们可以见到的最为直观的就是导致岩石发生雪崩式的破坏。由此可见岩石的累进性破坏是一种自组织过程，各岩石单元之间的自组织过程是最终导致岩石发生累进性破坏的本质原因。

4.2 对斜坡演化的自组织过程的研究

无疑我们都知道各类斜坡都经历着三个阶段，平衡态，近平衡态，远离平衡态，这三个阶段是任何一个复杂的体系形成结束都要经历的过程。任何一个斜坡体系都是由无数个相互交错的裂缝岩体所构成，一个斜坡系统都是一个复杂的系统，其中包含了无数个小的子系统，一个斜坡从平衡状态变成非平衡状态都经历着系统内部各子系统的自组织过程，并且大量研究表明斜坡体系的演变过程中的确表现出了非线性系统所具有的规律，在失去稳定性之前都会表现出明显的异常。所以我们在研究斜坡演化的过程中都可以利用微分方程进行系统的定量的研究，并且根据三个不同的观测时序，例如应力时序，位移时序，降雨时序。便可以确定推测出斜坡系统的稳定性。