秦四清
浅析岩石(体)破裂失稳研究之“痼疾”及其破解之道 精选
2019-1-9 10:11
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标签:岩石破裂失稳研究, 误区

咱看过岩石(体)破裂失稳研究方面的大量文献,尽管这些研究对探索岩爆、滑坡、地震等机制有所裨益,但在研究方法——力学分析、破裂实验与数值模拟等方面,不同程度地陷入了某些误区而长期不能自拔,若这些“痼疾”不除,虽能发表众多灌水论文,但无济于事。

一、地质概念模型问题

研究实际岩体失稳,首先必须理解主控其稳定性的地质结构——地质原型,才能概化出地质概念模型,进而才能有的放矢地开展多方位、多层次研究。如研究地震机制,得知道“谁”在发震。如果不能知晓是断层锁固段发震,而认为是断层两盘的弹性回跳或断层粘滑发震,那么就会抽象出错误的地质概念模型,模型搞错了,研究的越深入,只能在错误的道路上越走越远。

Reid1910)【1】提出的弹性回跳说认为:岩层受力发生弹性变形,当应力超过岩石弹性强度发生断裂,接着断层两盘岩石整体弹跳回去,恢复到原来的状态,于是地震就发生了。若这个假说成立,即能发生弹性回跳,那么当构造应力加载到断层两盘岩石的弹性极限时,构造应力必须卸载,这莫名其妙啊。再者,若说岩石(体)在弹性极限断裂,学过岩石力学的人都会摇头。嗯,有点地质构造和力学知识的人,容易运用“反证法”知道其已经错到姥姥家了。

Brace (1966)1提出的滑地震成因说,更是“张冠李戴”的“杰作”。黏滑模型的出处,最早来自于在压剪作用下两块岩石接触面的光面摩擦效应,而大多数断层是有一定宽度不是光滑接触滴,故在实际断层中几乎不存在这样的效应。再者,我们早已指出,黏滑模型本身没有弹性应变能释放,是“不地震”的模型。我们的理解是断层中的高强非均质体(锁固段)是积累高能量能引发大地震的载体,当其宏观破裂前,会呈现“黏结”现象;当其宏观破裂时,会呈现“滑动”现象。这一认识得到了广大地震们的认可。所以说,断层黏滑是表象,本质受锁固段破裂过程控制。

人们通过力学实验研究岩石破裂失稳过程时,多以单体岩样为对象,而实际岩体失稳涉及到多体的相互作用问题,所以从单体实验揭示的某种失稳机制和规律,不能直接外推应用于实际对象。还有一点要注意,有些学者研究过“双体”相互作用问题,其实为“串联”模型(图1),而实际滑坡和地震涉及的多锁固段模型(图2),貌似为“串联”而实为“并联”模型,两者在力学行为上有很大不同。

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1 双体串联模型

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2 锁固型斜坡地质概念模型

综上所述,人们在研究岩石(体)失稳过程时,要有透过现象看本质的能力,才能避免陷入误区,而要做到这一点,抽象出正确的地质概念模型是关键。

二、岩样与实际岩体在几何属性和受载条件方面的差异性问题

基于正确的地质概念模型,可厘清主控岩体稳定性的地质结构,进而了解其几何属性与受载条件,这可指导室内力学试验,以为探寻岩体失稳前兆和失稳演化规律提供有价值的线索。例如,孕震锁固段以大尺度、扁平状为几何特征,且承受高温、高围压以及极其缓慢的构造应力加载或应力腐蚀作用,这使其具有强非均匀性和低脆性的属性。知道了这些,进行室内岩样破裂试验时,才能尽可能地考虑这些属性,以使室内力学模拟试验结果逼近真实过程。

还有,室内岩石力学实验,多采用刚性伺服控制试验机加载,以得到完整的应力-应变曲线且便于洞察峰后破坏行为。然而,当研究多体相互作用的依次断裂情况时,并不存在这样的“伺服控制”机制,故将室内试验结果用于解释实际岩体破裂失稳机制时,应慎重从事。

过去完成的诸多岩石力学实验,盲目性太强,与地质原型严重脱节,做了太多的无用功,以后必须要严重注意。

三、本构模型的复杂化问题

影响岩石变形破坏行为的因素众多,且其过程涉及到非线性和不连续问题,所以在本构模型研究方面,人们不仅要考虑多因素,还要耦合损伤和断裂理论等,以致于模型中涉及多个难以测定的参数,从而极大地增强了模型的非确定性。

鉴于此,咱的想法是:(1)通过剖析地质概念模型和进行力学实验,筛选出控制变量,以抓住“宗”;(2)通过破裂特征点应力或应变比值,进一步消去某些变量,使模型得以简化而便于应用。

大多数自然现象的演化是极其复杂的,但背后支配其演化的原理或定律可能是简单的,正所谓“大道至简”嘛。杨振宁先生【2】也曾指出“对于宇宙,其实可以通过一组方程式来了解,包括牛顿的运动方程、麦克斯韦方程、爱因斯坦的狭义与广义相对论方程、狄拉克方程和海森堡方程。这不多的几个方程式主宰了我们所看到的一切非常复杂的现象,当你懂得它们的威力时,就会发现其所散发着的一种物理学的美。”

四、数值失稳预测问题

在谈这个问题之前,咱先看看室内岩样的宏观破裂(失稳)能否预测。某个岩样,其岩性和结构都为已知,加载速率也为已知,但岩样强度(即使同一地点取的同一种岩样,其强度也不会相同,有较强的离散性)未知,若进行多物理量监测,仅根据监测信息能提前预知加载到何种应力或应变发生失稳吗?若在不掌握其破裂失稳演化规律的情况下,显然答案是否定的。对孕震锁固段而言,在其峰值强度点处(宏观破裂点)会发生一次大地震。由于其岩性和强度是未知的,对其的加载速率也未知,已知的只有监测信息,如地震目录,若不知道大地震发生的规律性,何谈预测预报问题!再回到数值失稳预测问题,能用数值模拟方法解决上述岩样的失稳预测问题吗?肯定不能!若某种方法对简单的岩样失稳预测都不行,又何谈复杂的岩爆、滑坡乃至地震预测问题呢?

总之,在岩石(体)失稳预测研究中,地质概念模型不能与地质原型脱节,简化的力学模型不能与概念模型的几何属性和受载条件脱节。在此基础上,抓住主控因素,构建简约的本构模型、失稳预测模型,并进行实例验证,才可能找到“大道”,才能揭示岩爆、滑坡、地震等的演化过程之谜

参考

【1】震源物理模型评述【1】:群雄逐鹿

http://blog.sciencenet.cn/blog-575926-978306.html

2我心目中的科学与艺术

http://blog.sciencenet.cn/blog-3322199-1155729.html

其它(略)


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