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灾变破坏的幂律奇异性前兆及灾变预测方法研究进展

作者:薛健 2018-05-31 08:43 来源:
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  非均匀脆性介质的灾变破坏是广泛存在于自然界、工程界的一类破坏现象,由于其突发性和不确定性,因而破坏性和危险性往往较大。许多地质及工程灾害的发生,比如地震、滑坡、雪崩、岩爆等,均与其有密切的关联。因此,探索非均匀脆性介质灾变破坏的本质,并基于此建立起预测灾变破坏的方法,对于减小灾变破坏的危害有着极为重要的意义。 

  灾变破坏前,许多物理量呈现出加速演化的前兆行为。这种加速演化通常被刻画为幂律关系,但幂指数却表现出极大的分散性,这为理解灾变破坏的机理及建立灾变破坏预测方法带来了极大困难。 

  近期,中科院力学所非线性力学国家重点实验室白以龙研究员团队针对灾变破坏幂律奇异性前兆及灾变破坏预测方法的研究取得重要进展。通过大量的大理岩、花岗岩试样的准静态单轴压缩实验,研究人员揭示了灾变破坏前响应函数的幂律奇异性指数在-1-1/2之间分布。基于灾变破坏的能量准则阐明了临界幂律奇异性指数的物理意义,并结合幂函数近似方法从理论上导出了临界幂指数的变化区间为-1-1/2,印证了实验观测的结果。幂指数的数值反映了加载过程在灾变点附近接近于能量自持过程的程度,即幂指数越接近-1表明系统的演化越接近无外力功输入的过程。 

  更进一步,基于临界幂律奇异性指数的分布范围并引入折算指数,提出了一个实时预测灾变破坏时间点的方法。基于实验数据的预测检验表明了该方法的有效性。并且,随着数据采样点逐渐趋近于破坏时间,预测值越来越精确,包含真实破坏时间的预测区间也逐渐缩小。 

  上述研究结果,为理解灾变破坏机理,建立灾变预测方法提供了一个新的角度。该研究成果已发表在Journal of Geophysical Research: Solid EarthXue, J., Hao, S., Wang, J., Ke, F., Lu, C. and Bai, Y. The changeable power-law singularity and its application to prediction of catastrophic rupture in uniaxial compressive tests of geo-media. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 123. 2018, https://doi.org/10.1002/2018JB015591。研究工作得到了国家自然科学基金项目的资助。 

  1 临界幂律奇异性指数βF在-1和-1/2之间的分布。图中不同的符号代表不同试样的数据。不同的颜色代表不同的斜率,即临界幂律奇异性指数βF的不同取值。 

  2 (a), (b), (c) 灾变点的预测值及其实时更新(以白大理岩试样为例)。(d) u-U曲线上标示出的与图a-c对应的演化阶段 

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