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浅析岩石（体）破裂失稳研究之“痼疾”及其破解之道: 热度 3 qsqhopeiggcas 2019-1-9 10:11; 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。 Reid （ 1910 ）【 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 】提出的黏滑地震成因说，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。图 1 双体串联模型图 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）; 个人分类: 科研随想|6027 次阅读|8 个评论

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