■劉虎

（新疆地礦局第四地質(zhì)大隊(duì)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(duì)新疆阿勒泰836500）

近年來(lái)，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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，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(kāi)了研究與探討，闡述了個(gè)人對(duì)此的幾點(diǎn)看法與認(rèn)識(shí)，望有助于相關(guān)工作的實(shí)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(shí)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(xiàng)課題的研究，將會(huì)更好地提升非線性理論的實(shí)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(diǎn)突變模型在工程地質(zhì)問(wèn)題的解決中應(yīng)用最為廣泛。下面就對(duì)尖點(diǎn)突變模型在工程地質(zhì)問(wèn)題解決中的作用做出詳細(xì)論述：

2.1 層狀結(jié)構(gòu)斜坡穩(wěn)定性的定性分析

層狀機(jī)構(gòu)斜坡的穩(wěn)定性問(wèn)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(wèn)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(wèn)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(wèn)題為實(shí)際的工程地質(zhì)中遇到較多的問(wèn)題，那么就詳細(xì)介紹一下。

用非線性中突變理論解決反傾巖層斜坡問(wèn)題時(shí)，首先要通過(guò)力學(xué)模型建立實(shí)際系統(tǒng)的勢(shì)函數(shù)表達(dá)式，然后經(jīng)過(guò)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(shí)的充分條件。經(jīng)過(guò)理論的系統(tǒng)分析以及結(jié)合實(shí)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(duì)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(dòng)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?yàn)樵诿褐闹饾u破壞中，由于煤柱上層覆蓋有堅(jiān)硬巖層，發(fā)生沖擊地面。在發(fā)生時(shí)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(guò)研究模型我們得知煤柱的剛度在小于梁的剛度時(shí)，沖擊地面就不會(huì)發(fā)生，相反當(dāng)煤柱剛度大于梁的剛度時(shí)，就會(huì)發(fā)生?？梢?jiàn)煤柱沖擊地面的發(fā)生于介質(zhì)強(qiáng)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(guò)對(duì)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(duì)于這些已有的關(guān)系進(jìn)行存儲(chǔ)，便可以對(duì)于未知的樣本進(jìn)行預(yù)測(cè)了，下面我們以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論在預(yù)測(cè)水庫(kù)誘發(fā)地震震級(jí)的例子，來(lái)說(shuō)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(gè)水庫(kù)誘發(fā)震級(jí)的學(xué)習(xí)樣本表，我們?cè)诖吮淼慕⑸贤ㄟ^(guò)分析國(guó)內(nèi)外上百余個(gè)水庫(kù)誘震資料的分析處理，在七個(gè)方面得到了量化的數(shù)據(jù)，對(duì)于一些不能量化的用二值模式表示。其中這七個(gè)方面分別為：壩高、庫(kù)容、庫(kù)區(qū)建庫(kù)前地震概況、庫(kù)區(qū)巖性特征、主要成因類型、庫(kù)區(qū)內(nèi)有無(wú)大的活斷層通過(guò)、庫(kù)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(diǎn)，其中輸入層要建立14個(gè)節(jié)點(diǎn)，輸出層要建立3個(gè)節(jié)點(diǎn)，中間層要建立12個(gè)節(jié)點(diǎn)。然后進(jìn)行至少兩萬(wàn)次的學(xué)習(xí)訓(xùn)練。其中輸出層建立的三個(gè)節(jié)點(diǎn)所代表的意義為最大震級(jí)的三個(gè)指標(biāo)。實(shí)際工作表明這項(xiàng)技術(shù)對(duì)于預(yù)測(cè)水庫(kù)誘震方面精確度可達(dá)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(duì)于巖石累進(jìn)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(guò)這些極其不明顯的“結(jié)構(gòu)面”分成了無(wú)數(shù)個(gè)小的單元。所以，我們可以把任何巖石看作一個(gè)復(fù)雜的巨大系統(tǒng)，這系統(tǒng)中包含著無(wú)數(shù)的子系統(tǒng)。并且可以用熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)的知識(shí)來(lái)定量描述分析。在巖石不收任何外力的情況下就會(huì)表現(xiàn)出非線性的性質(zhì)。在三軸壓縮試驗(yàn)過(guò)程中，在每個(gè)軸向壓力小于巖體的自身強(qiáng)度時(shí)，巖體的變形破裂就會(huì)呈穩(wěn)定發(fā)展趨勢(shì)，這種情況應(yīng)于系統(tǒng)演化的非平衡線性區(qū)，此時(shí)如果停止對(duì)巖石加力，巖石系統(tǒng)將會(huì)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(qiáng)度時(shí)，巖石系統(tǒng)就會(huì)進(jìn)入遠(yuǎn)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(zhǎng)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(jiàn)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(jiàn)巖石的累進(jìn)性破壞是一種自組織過(guò)程，各巖石單元之間的自組織過(guò)程是最終導(dǎo)致巖石發(fā)生累進(jìn)性破壞的本質(zhì)原因。

4.2 對(duì)斜坡演化的自組織過(guò)程的研究

無(wú)疑我們都知道各類斜坡都經(jīng)歷著三個(gè)階段，平衡態(tài)，近平衡態(tài)，遠(yuǎn)離平衡態(tài)，這三個(gè)階段是任何一個(gè)復(fù)雜的體系形成結(jié)束都要經(jīng)歷的過(guò)程。任何一個(gè)斜坡體系都是由無(wú)數(shù)個(gè)相互交錯(cuò)的裂縫巖體所構(gòu)成，一個(gè)斜坡系統(tǒng)都是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，其中包含了無(wú)數(shù)個(gè)小的子系統(tǒng)，一個(gè)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(guò)程，并且大量研究表明斜坡體系的演變過(guò)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(huì)表現(xiàn)出明顯的異常。所以我們?cè)谘芯啃逼卵莼倪^(guò)程中都可以利用微分方程進(jìn)行系統(tǒng)的定量的研究，并且根據(jù)三個(gè)不同的觀測(cè)時(shí)序，例如應(yīng)力時(shí)序，位移時(shí)序，降雨時(shí)序。便可以確定推測(cè)出斜坡系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，加強(qiáng)對(duì)非線性理論在工程地質(zhì)中應(yīng)用的研究分析，對(duì)于其良好實(shí)踐效果的取得有著十分重要的意義，因此在今后的實(shí)踐中，應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)非線性理論的重視程度，并注重其在具體應(yīng)用實(shí)施過(guò)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(píng)價(jià)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(dòng)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(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-5-231-1