散粒体自组织临界性及其应用

【摘要】： 本文围绕较大尺度非均匀散粒体单面坡的自组织临界性及其产生机制，以及散粒体自组织临界性的应用展开研究。主要工作及结论如下： 1．首先，利用坡顶传送带加沙扰动形式，开展了较大尺度干燥状态临界单面坡散粒体沙堆模型实验。干燥状态沙堆的自组织临界性也受颗粒非均匀程度影响，作为系统组织原则的颗粒非均匀程度，确实是影响自组织临界性的两个因素之一，具有一定意义的普遍性(普适性)。在此基础上，利用大型粗颗粒实验系统，测定不同非均匀系数沙石材料的相对密度和直剪特性，探讨了颗粒非均匀程度对自组织临界性影响的具体物理力学机制：随着非均匀度的增大，散粒堆积体的颗粒结构空间分布堆积方式的多样性增大，颗粒滑动的摩擦耗能增加。因此，非均匀散粒体系统的物理力学性质具有失稳状态多样性和能量耗散加剧的特点，可以抑制扰动-反馈的放大作用，维持整体的鲁棒性，即同时满足自组织临界性的两个动力学特性(敏感性和鲁棒性)。从而非均匀散粒体可能突破尺度局限，使大尺度系统仍呈现自组织临界性。 2．采用相空间分析手段，对临界单面坡散粒体沙堆模型实验落沙序列进行了分析。重点探讨了在普通重构相空间理论思路基础上，针对落沙序列的吸引子关联维数计算方法的合理改进。得到初步结论：颗粒组成均匀的沙堆，吸引子关联维数大于非均匀沙堆；扰动较大时，吸引子关联维数也较大。随着非均匀度减小或扰动加大，Kolmogorov熵值均增大。 3．借用三维自相似渗流模型重正化群方法，讨论了散粒体稳定性与颗粒非均匀程度的关系。提出微观规则的准确合理是渗流模型与重正化群方法在实际应用中的非常需要重视之处。随着自相似阶数(对应着颗粒组构的非均匀程度)的增大，堆积体稳定性增强，并得到具有非线性变化特征的稳定性图式。通过关联临界指数的初步计算，得到关联长度的突变特性。 4．分析大尺度散粒体边坡中，尺度对自组织临界性的具体影响原因。大尺度散粒体坡面的崩塌滑动面，一般并非直线形，在崩塌过程中的耦合作用将增大落沙规模；理想化的沿直线坡面滑动情况，坡面表层砂粒的稳定性也并不是在时间、空间上都均衡的，可以造成起动容易止动难，或坡角失稳概率大从而牵连整个坡面的情况；长大高陡坡面的失稳形式，可以受坡脚(边界)的巨大影响。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第11页 5．结合干燥沙石临界单面坡实验现象观察，对溜砂坡灾害的产生原因、 崩塌特性及防治原则进行了讨论，提出溜砂坡崩塌的三个主要成因：寒冻风 化引起上部沙粒来源的持续不断；坡面的风化作用使颗粒进一步均匀、细化， 造成原来处于亚临界而稳定的坡面达到临界而容易失稳；坡脚对牵引式崩塌 的制衡作用削弱，易受坡脚干扰而诱发。提出：颗粒组成较为均匀的溜砂坡， 雪崩规模是较均一的，时间分布上是准周期的，工程措施所采用的安全系数 可以较准确地取定；溜砂坡的颗粒组成较复杂时，崩塌规模相差较大，安全 系数较难确定，但其平均崩塌量小，工程措施主要应考虑安全性与经济性的 合理平衡。溜砂坡的防治工程宜采用坡脚被动防护方式，提出了简易、经济、 合理的坡脚轻型支挡结构防治方案。 6．边坡崩塌落石的运动是散体大颗粒崩塌运动的典型情况，对这种灾害 的防治主要归结到已运动落石的被动防护——建设遮挡建筑物上。结合一具 体工点，对该灾害的防护工程方案进行研究和评述。