自組織臨界性分形災(zāi)變理論研究

1、自組織臨界性、分形及災(zāi)變理論研究自組織臨界性、分形及災(zāi)變理論研究4/4自組織臨界性、分形及災(zāi)變理論研究自組織臨界性、分形及災(zāi)變理論研究本文圍繞著沙堆模型實(shí)驗(yàn),睜開了工程領(lǐng)域的散粒系通通表現(xiàn)自組織臨界性的判據(jù)的研究;爾后基于自組織臨界性的判據(jù)對(duì)兩個(gè)典型災(zāi)害系統(tǒng)地震系統(tǒng)和斜坡松弛積聚物系統(tǒng)的組構(gòu)特點(diǎn)和自組織臨界性動(dòng)力學(xué)行為之間的關(guān)系進(jìn)行了商議;最后主要針對(duì)影響公路和鐵路的斜坡重力作用災(zāi)害,在自組織臨界性概念的框架下,分別對(duì)災(zāi)害的形成機(jī)理、運(yùn)動(dòng)過程、展望預(yù)告和防治對(duì)策進(jìn)行了專題研究。研究的主要工作及結(jié)論以下:1、在課題組先前實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,睜開了各種粒徑級(jí)配的沙堆實(shí)驗(yàn)。在大尺度下,粒徑均勻的沙堆和粒徑

2、級(jí)配曲線斜率不連續(xù)的非均勻沙堆表現(xiàn)為序列的準(zhǔn)周期行為或規(guī)模的正態(tài)分布,而粒徑級(jí)配曲線斜率連續(xù)的非均勻沙堆表現(xiàn)出SOC特點(diǎn)。2、提出用信息熵來描述自組織臨界性系統(tǒng)中冪次分布所包含的信息。首次定義了真實(shí)沙堆演化中沙崩大小分布的信息熵,并對(duì)沙崩信息熵進(jìn)行了解析。隨著沙堆演化的向前推進(jìn)沙崩信息熵增大,并在臨界態(tài)基本趨于牢固,達(dá)到最大值。沙崩信息熵表現(xiàn)了系統(tǒng)的無序度,表現(xiàn)了沙堆系統(tǒng)演化的復(fù)雜性,這對(duì)于理解復(fù)雜系統(tǒng)的潛藏作用體系有著十分重要的意義。同時(shí)沙崩信息熵也表示臨界態(tài)的趨近可以經(jīng)過熵的變化來表現(xiàn),沙崩信息熵大小表示了沙堆當(dāng)前狀態(tài)與臨界態(tài)之間的距離,沙崩信息熵越小表示沙堆當(dāng)前狀態(tài)距離臨界態(tài)越遠(yuǎn),沙崩信

3、息熵越大表示沙堆當(dāng)前狀態(tài)距離臨界態(tài)越近,當(dāng)沙崩信息熵達(dá)到最大時(shí)表示沙堆系統(tǒng)的臨界態(tài)已經(jīng)達(dá)到。3、利用篩下沙粒數(shù)量構(gòu)造了關(guān)系維數(shù),推導(dǎo)出了關(guān)系維數(shù)的詳盡計(jì)算公式,計(jì)算了單面坡沙堆實(shí)驗(yàn)各種粒徑級(jí)配的分維數(shù)。結(jié)合沙堆實(shí)驗(yàn)得出擁有自組織臨界性的沙堆系統(tǒng),其顆粒粒徑擁有分形分布,提出了擁有自組織臨界性的系統(tǒng)其組構(gòu)擁有分形特點(diǎn)和系統(tǒng)組構(gòu)的分形構(gòu)造可以作為自組織臨界現(xiàn)象發(fā)生的判據(jù)的假說,并利用顆?？臻g排列擁有分形特點(diǎn)的元胞自動(dòng)機(jī)沙堆模型考據(jù)了這一假說。4、依據(jù)GR定律,解析了中國(guó)大陸地區(qū)的地震活動(dòng)性,發(fā)現(xiàn)地震活動(dòng)在空間和能量分布上,當(dāng)考慮其整體行為時(shí)具自組織臨界性。利用分形理論中的粗視化網(wǎng)格法,深入研究了中

4、國(guó)大陸地區(qū)斷層系的分形特點(diǎn)和分形構(gòu)造的跨尺度特點(diǎn)。建立了分形斷裂力學(xué)簡(jiǎn)化模型,給出了地震活動(dòng)性的b值與斷層系的分維數(shù)D以及斷層面的分維數(shù)d之間的定量關(guān)系,商議了b的物理體系,以及b和D之間的正相關(guān)關(guān)系,從理論上和實(shí)踐上證了然地震的自組織臨界現(xiàn)象源于分形幾何斷層系的自組織臨界性的動(dòng)力學(xué)過程,明確了系統(tǒng)組構(gòu)分形和地震活動(dòng)性之間的因果關(guān)系。5、研究了國(guó)道317都江堰至汶川K74+775K75+740段7處斜坡松弛堆積物顆粒粒度分布的分維規(guī)律,研究表示:斜坡松弛積聚物顆粒分布擁有優(yōu)異的分形構(gòu)造,分維數(shù)隨著斜坡高度的增加而增大,分維數(shù)越小,斜坡松弛積聚物中粗顆粒成分越多,分維數(shù)越大,細(xì)顆粒成分越多,分維

5、數(shù)在2到3之間。以實(shí)測(cè)資料為依據(jù),從顆粒流理論出發(fā),結(jié)合大型相對(duì)密度儀和直接剪切儀實(shí)驗(yàn),商議了資料性質(zhì)相同的顆粒物質(zhì)其宏觀力學(xué)性質(zhì)與顆粒粒徑分形分布之間的關(guān)系。推導(dǎo)了剪切應(yīng)力系數(shù)、正應(yīng)力系數(shù)、內(nèi)摩擦角和顆粒濃度與粒徑分維數(shù)之間的關(guān)系。結(jié)果表示:粒徑分維數(shù)D小的斜坡松弛積聚物,流動(dòng)性能差,坍毀流動(dòng)過程中,斜坡松弛積聚物系統(tǒng)與攪亂相互作用的效應(yīng)使松弛物沿坡面下落阻攔增強(qiáng),進(jìn)而限制了系統(tǒng)各部分敏感性遞加的趨勢(shì),使得擾動(dòng)強(qiáng)度不至于總是高出自穩(wěn)能力,該斜坡松弛積聚物系統(tǒng)仍擁有自組織臨界性動(dòng)力學(xué)特點(diǎn),進(jìn)而得出斜坡松弛積聚物系統(tǒng)對(duì)攪亂流傳限制的能力是由組構(gòu)的分形特點(diǎn)所決定的系統(tǒng)自己的性質(zhì)決定的。6、解析了巖

6、石破壞過程的自組織臨界特點(diǎn)。為了研究這種臨界問題,提出了一種利用自組織程度參數(shù)刻畫單元之間的應(yīng)力轉(zhuǎn)移和局部單元上的應(yīng)力集中的方法,并以單元的破壞強(qiáng)度遵從二次Weibull分布為基礎(chǔ),運(yùn)用重整化群理論建立了計(jì)算力學(xué)模型,推導(dǎo)了巖石破壞的臨界破壞概率pc。結(jié)果表示,當(dāng)單元的破壞概率p小于臨界破壞概率pc時(shí),單元的破壞是獨(dú)立的和隨機(jī)的,系統(tǒng)向牢固態(tài)演化;當(dāng)單元的破壞概率p大于臨界破壞概率pc時(shí),單元的破壞向宏觀貫串的張裂面這一吸引域集中;臨界破壞概率pc以及單元承受外載F的能力均與初始條件相關(guān),pc和F/F0隨自組織程度參數(shù)增大而減小,且F/F01,表示由于應(yīng)力的轉(zhuǎn)移使得單元破壞應(yīng)力降低。7、經(jīng)過對(duì)

7、地區(qū)滑坡的空間規(guī)模分布,以及單個(gè)滑坡演化過程的位移時(shí)間序列解析,證了然滑坡災(zāi)害擁有自組織臨界性?；乱话惆l(fā)生在眾多不連續(xù)面中強(qiáng)度效應(yīng)最弱的主滑面上?；嬖谘莼^程中是一種遠(yuǎn)離平衡態(tài)的自組織臨界現(xiàn)象。運(yùn)用圖型動(dòng)力學(xué)模型從圖型演化角度解析了滑動(dòng)面?zhèn)ζ茐姆绞降摹岸嗝字Z效應(yīng)”和傷害破壞的“鏈?zhǔn)椒磻?yīng)”過程。以確定性的、不可以逆的、非線性、非局域和沒有特點(diǎn)尺度的動(dòng)力學(xué)規(guī)則,描述傷害單元之間的一種自動(dòng)放大的非局域相互作用的連接過程,引入分布函數(shù)p）和（p）刻畫斷裂態(tài)吸引域在相空間的分布。商議了不相同傷害率下,滑面破壞的可能模式。8、解析了自組織臨界性系統(tǒng)的可展望性,以及自組織臨界性理論對(duì)災(zāi)害展望預(yù)告和災(zāi)害防治工程的啟示。在自組織臨界性的看法框架下,將改進(jìn)的重標(biāo)極差解析方法即RSH解析方法引入泥石流災(zāi)害預(yù)兆察看資料的辦理和解析中,并在