岩体变形演化过程中耗散结构形成的条件

2025-04-03 02:31:11

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回答1：

一、岩体变形系统的非线性特征与能量耗散

1.岩石与岩体的非线性

唐春安^［16］指出，对地表岩石结构而言（即可以不考虑温度影响），岩石本身的性质主要是弹脆性的，形成材料宏观非线性的主要原因并不是微观介质的非线性，而是微观介质参数的不均匀性，这种不均匀性使得岩石在承载过程中不断经历单元体的破坏，细观单元体的连续破坏便造成宏观介质的不断损伤，从而形成宏观的非线性变形现象。因此，在一个统一的变形场中，微破裂不断产生的原因除了荷载不均、形态不够光滑等结构因素形成应力集中之外，更主要的是单元体强度的不均匀性。例如，微观介质强度分布较为均匀的材料，其宏观表现一定是以线性性质为主的材料；反之则一定表现出明显的非线性行为。

对岩体而言，结构面与岩块的非线性耦合作用，使得其在演化过程中的非线性行为更加复杂。

从岩体前兆变形物理量随时间变化表现出的非单值、单点的不确定现象及滑坡位移加速蠕变过程等，都表明了非线性的存在（图4-2和4-3）。岩石力学试验、理论研究成果都表明，岩体的本构方程及岩体的宏观应力应变属性都是非线性的，有时为了简化分析采用线性假设，只是在一定应力范围内而采用的一种近似手段。

若岩体变形系统内部各部分相互作用仅仅是线性的，则只能造成系统的衰亡，因为此时事物只能是无限增长或衰减的极端均匀状态。事物相互依存的非线性表现在相互约束、相互反馈上，有了非线性才有形态的多样性：定态、周期状态、非周期状态、局部的复杂结构等。由现代非线性科学理论得知，非线性是复杂性之源，所以人们常说“地质体太复杂了”。

图4-2 洒勒山新滑坡位移不连续现象^［17］

图4-3 洒勒山滑坡裂缝变形过程^［18］

2.岩石与岩体变形过程中的能量耗散机制

首先把岩石的微观变形机制划分为两种类型：第一种类型是在一定的边界条件下，岩石的微观变形使岩石变形受到阻止作用；第二种类型是在一定的边界条件下，某些变形机制消除前者的阻止作用使变形继续下去。前者称应变硬化作用，后者称应变软化作用。

应变硬化作用和应变软化作用，将外部传递给变形体系的能量转变为岩石的内部应变能，或将岩石内部的高应变能转变为热能，即将利用率高的能量转变为利用率较低的能量，这个过程是能量的耗散过程^［19］。

上述两大类变形机制在岩石变形过程中有三种相互作用形式：①应变硬化作用中各种微观变形机制越活跃，则提供越多的应变能给应变软化作用中各种微观变形机制，有利于后者活化；同样，后者越活跃消耗的应变能越多，使前者的作用增强，即不易产生大量的应变能积累。②当外界传递给变形岩石体系的能量速率一定时，应变硬化作用中各种变形机制都消耗外界的能量。如果各种变形机制中的某一种机制增强，它就消耗更多的外界传递给体系的能量，因而就抑制了其他变形机制的作用，当体系的温度、压力变化不大时，某种作用不能无限地增强，又因为其他作用没有达到“饱和”，就要阻止前者的增强。同理，应变恢复作用中的各种变形机制都共同消耗应变能，存在着与上述相似的竞争。③各种微观变形机制在变形岩石系统中的自身竞争。当体系的温度、应力变化不显著时，由于能量源一定，不可能使某一变形机制无限制地增强。以上说明了岩石变形过程中存在着非线性关系。

岩体显然是一个开放系统，通过水的循环、热的交换、风化、剥蚀及卸荷等作用与外界进行物质和能量交换。如水的作用，不仅会使水渗入岩体介质，而且在流出过程中又会带走某些物质；又如在高地应力区，河谷临空面附近的应力集中，往往使周围岩体（特别是坡脚和谷底处）内的应力超过其强度，于是岩体发生破裂变形，形成各类表生结构面。而表层岩体内的应力又因释放而降低，围绕河谷临空面形成一个应力降低带。应力集中产生的能量积累和应力释放导致的能量耗散，表明所研究的岩体系统和外界（卸荷作用等）进行着能量交换。

二、岩石失稳时的状态——远离平衡态

从伺服控制岩石单轴加载试验知道，岩石失稳都发生在峰值强度后应变软化区间的某一阶段（图4-4中的AB段）。过峰值强度后，即使停止加载亦不能保持稳定的平衡，因为岩石内部裂纹扩展、贯通、合并等是一个自发的动态过程，且试样承载力小于加载力，岩样加速变形，这是一种远离平衡态的情况。当系统演化至临界点A时，涨落（扰动）起关键作用，涨落不是被衰减反而会被放大，从而导致系统从不稳定态走向一个新的状态，产生新的稳定有序结构，即耗散结构。

图4-4 岩石变形本构曲线

三、岩体失稳过程中的降维、减熵与有序性

由岩石单轴拉张试验（图4-5）可看出：随着外荷载增加，首先是均匀的变形阶段，微破裂在空间均匀地分布，随着变形进入非线性阶段，特别是超过岩样的峰值荷载后，微破裂开始丛集，并逐渐向未来大断裂面附近集中，这种集中和丛集过程使微破裂的空间分布出现有序降维趋势。

图4-5 在岩石变形过程中微破裂的空间分布^［20］

从微破裂的均匀、随机的空间分布（无序）到出现变形局部化，直至贯通断裂（有序），其根本原因在于系统离开了原有的平衡态，系统失稳之源也来自于无序结构的失稳和新的有序结构的形成。

在向失稳态演化过程中，岩体必然要产生一些变形破坏现象，此时系统有熵产生，它使系统进化。进化过程中，熵产生伴随着系统内部有序（不稳定性）和无序（稳定性）的存在与竞争。此时产生的熵必定为负熵，否则岩体系统的演化必将终止。由此可见，岩体失稳过程必伴随有减熵过程。图4-6示出了云南龙陵地震强震前的地震活动熵的时间进程，可看出强震前复杂孕震系统的减熵特征有普遍存在的特点。

图4-6 云南龙陵地震强震前地震活动熵的时间变化^［21］

系统科学理论也已证明：降维、减熵、有序的内涵是一致的。降维和减熵过程的存在表明系统的动态特征是一个从无序到有序的发展过程，说明系统的约束变得越来越强，表现出某种临界行为。有序性往往意味着系统的不稳定性，即熵和分维值低，有序度大，系统的稳定性差。因此，系统在不稳定时，可能形成耗散结构。图4-7给出了在地震前分维值与时间的关系，可看出在向失稳态演化过程中，降维过程是客观存在的。

图4-7 云南普洱地震前分维随时间的变化^［21］

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