岩石破裂过程的临界特性研究
姓名：张后全 申请学位级别：硕士 专业：采矿工程 指导教师：唐春安
摘 要
随着我国国民经济的快速发展，岩石工程建设规模空前浩大。然而岩石工程本身极具复杂性、模糊性、非线性和不确定性，这些工程的稳定性也随之成为世人关注的焦点和难题。然而岩石工程的失稳并不是一蹴而就，而要经历一个由随机破坏到自组织逐步发展而最终达到破裂失稳的渐进过程。本文把岩石试件和加载机构看作一个小的岩石介质系统，来探索岩石工程失稳的临界特性，这无疑是件有意义的工作，它将对维持岩石工程的稳定性有所指导作用。
本 本文选用能够有效地对非均匀岩石介质进行应力分析和破坏分析的分析软件(RFPA2D)作为研究手段对岩石破裂过程的自组织临界特性进行研究，该方法的特点就是以岩石微破裂产生的力学机制为基础，能对岩石在各级应力状态下的微裂纹产生与发展、逐步通过自组织过程达到临界状态，最终破裂失稳的全过程进行仿真模拟，这样无疑可以系统完整地研究岩石破坏性质转化的本质规律，从而加深对岩石工程破裂失稳临界特性的理解。该方法克服了沙堆模型受沙堆规模、组织结构、外界扰动方式等多种因素影响而得不到自组织临界行为的不足，解除了逾渗模型和重正化模型只单纯研究岩石破裂演化的临界行为而不涉及到微裂纹产生的力学机制，从而使得人们对逾渗模型的临界概率点、重正化模型的不动点是否跟岩石微裂纹演化的自组织临界点相一致产生怀疑的顾虑，避免了物理细胞自动机模型定义的细胞破裂阈值能量该如何跟实际工程岩体力学性质参数相结合的费解。该方法的另一大特色就是可以形象展现岩石破裂过程的应力场变化：应力积累(stress buildup)、应力转移(stress transferCnCC)和应力阴影(stress shadow)，简称“3S”现象。
文首先对自然界中几种常见的自组织现象进行介绍后，给予了自组织现象一个清晰的概念并阐述了自组织的临界特征，其后通过建立岩石破裂过程的细观损伤统计本构模型从理论上证明了白组织临界点的存在，然后运用RFPA2D数值模拟方法对岩石破裂过程的自组织临界现象进行了仿真模拟，最后借助RFPA2D新近开发的功能，对每步产生的破裂集团大小及其相应数目进行统计，在此基础上采取最小而乘法、归一化极差方法、关联函数法等统计手段对岩石破裂自组织临界特征做了定量化分析，并对岩石破裂过程的相关临界特性(如破裂集团平均大小)进行了详细讨论，得到如下主要结论：
(1)在接个岩石破裂过程中，破裂集团大小与其相应数目满足负幂律关系，不同应力阶段对应着不同幂指数值。当接近自组织I镐界状态时，幂指数变化范围在1.1到1.5之间。
(2)微裂纹的幂律分布并不一定代表自组织临界状态的出现，只说明微裂纹的演化过程保持分形特征，但这微裂纹(破裂集团)分布只是一种统计意义上的自相似，而不是完全自相似。
(3)达到自组织临界状态后的声发射事件满足R／S经验关系式，声发射序列表现出时间标度不变性。
(4)通过自相关函数对声发射序列进行自相关分析表明，声发射序列具有时间长程关联性。
(5)岩石破裂过程的自组织临界点对应着岩石的长期强度。岩石破裂过程中的自组织行为是一个动态力学过程，并不一定只是在自组织临界状态点之后才发生，而是在靠近临界状态点前后都能发生，只不过显现程度各有差异，临界状态点之后现象更为显著。
本文的创新之处就在于为自组织理论的研究引入了一种新方法RFPA，它可从岩石破裂自组织临界行为产生的力学机制入手去研究岩石破裂过程的自组织临界特性，摈弃了前人只单纯研究破裂演化行为来获得自组织临界特性的不足。显然，通过RFPA方法所得到的自组织临界特性对岩石工程破裂失稳的预测、预报更具有实际应用价值。本文通过理论分析，数值模拟，统计分析三种手段分别从定性和定量角度有力地证实了自组织临界行为的存在，弥补了前人只采用单种手段去判断自组织临界行为存在的不足。研究结果表明自组织临界系统具有时空分形和长程关联特征，同时还发现微裂纹演化过程始终表现出分形特征，澄清了幂律特征就标志着自组织达到临界状态的片面观点。
关键词：SOC 标度不变性 幂律分布分形结构 长程关联
