隧道变形失稳过程的非线性动力学分析与破坏判据研究

隧道变形失稳过程与破坏判据研究是地下工程的热点与难点之一。运用协同学与混沌动力学,分析了隧道变形失稳过程的非线性动力学演化特征,并将其划分为平衡、非平衡线性、非平衡非线性等3个演化阶段;从系统分析的角度,研究了整个隧道系统的涨落关联机制,建立了隧道变形失稳的动力学演化模型。在此基础上,分别给出了大数据量（≥3 000）与小数据量（ 3 000）条件下稳定性演化过程的动力学判别准则。结合隧道变形失稳的阶段性特征,建立了其破坏的混沌动力学判据。将以上研究应用于广州地铁某立体交叉隧道的稳定性分析中,验证了该动力学演化模型与判据的合理可靠性,对隧道稳定性状态的判别具有一定指导意义。     

苏北盆地低阻油层的测井解释评价方法研究

针对苏北盆地溱潼凹陷阜三段低阻油层，分析了其成因机理，阐述了低阻油层的测井响应特征，提出了使用神经网络和Sw—Φ交会图两种方法定性识别低阻油层。通过先进的斯伦贝谢的PetViewPlus测井解释软件，形成了针对苏北盆地溱潼凹陷阜三段低阻油层的测井定量解释方法，并在测井油水层判别中引入束缚水饱和度方法，对低阻油层的认识和客观评价收到了良好的效果。     

序列数据关联维的计算及意义

用混沌动力学研究所提出的方法，可以从观测数据重建系统的演变规则。该文采用时序数据重建复杂系统力学特征的方法，运用关联维的概念，求取了位移时序资料的分维，对关联维的意义进行了探讨，定量揭示了盆地演化过程出的混沌动力学特征。     

第四纪研究的非线性科学方法

第四纪研究中最常用的非线性科学方法可能是分形理论、时间序列分析及混沌动力学。振荡在新构造运动和古气候变化中都是普遍存在的,它是介于有规振荡和混沌之间的中间阶段和过渡。分形理论可以描述地貌的状态和演化特征,混沌吸引子的分维又是混沌的一个重要参量。在时间序列分析中计算混沌吸引子的关联维、李雅普诺夫指数、赫斯特指数、柯尔莫果洛夫熵等可以更深入地揭示时间序列的性质,加深对演化过程的认识。     

深埋煤层应力松弛状态演化试验与动力学分析

应用Lyapunov指数法,对试验得到的深埋煤层应力松弛系统演化对应于各级应变水平的时间序列进行分析,科学重构相空间,得到了每一递进应变水平的相轨迹均不重复地围绕各自对应的历史应力中值而顺次演化。采用分形几何学方法进行时间序列分析,定量揭示出煤样应力松弛系统演化的各层次间自相似性,并部分反映了经典力学与非线性科学间的关系。得到了对应各级应变水平系统演化时间序列的非线性动力学评价指标,并判定深埋煤层应力松弛系统为复杂系统且具有典型混沌特征。深埋煤层应力松弛系统演化的混沌程度及复杂程度呈下降规律,煤体内部力学性质弱化因素与强化因素之间竞争最为激烈的阶段,其混沌程度最高,而宏观破坏后系统伴随最低的混沌程度及复杂程度。     

白垩纪碳酸盐稳定同位素的分形和混沌分析

应用分形与混沌理论对白垩纪海相碳酸盐岩碳同位素δ13C进行了非线性分析,认为碳同位素δ13C变化序列均为混沌演化序列,在相空间维数m＞8时出现混沌吸引子,混沌吸引子的分维数在3.74左右;它的演化为混沌动力过程,描述它的变化至少4个独立变量的动力学系统.     

砂岩强度MTS试验及阶段特征的混沌动力学研究

采用MTS815.03电液伺服岩石试验系统对三种强度的砂岩进行全应力-应变试验研究,得出试验曲线呈明显的分段特征,曲线的离散性发生于应变软化阶段。通过对试验数据序列的混沌动力学分析得出：随着单向抗压强度的增加,砂岩全应力-应变过程的系统状态由强混沌态逐渐演化到低混沌态,进而质变为较有序的定常态;砂岩峰后应力-应变阶段曲线的线性性质增强,裂隙系统状态由强混沌态向强有序的定常态演化;砂岩峰前阶段的裂隙系统基本呈现弱混沌状态。该试验方法可靠,对砂岩强度阶段特征的混沌分析具有一定的理论意义。     

深埋隧道围岩系统卸荷演化过程的Lyapunov指数分析

岩石材料本质上是一种物理非线性的材料,在深埋条件下,隧道围岩系统的变形还表现出几何非线性,这两种非线性机制的相互作用使得围岩系统的卸荷演化具有高度的复杂性.根据重庆某深埋隧道围岩实际情况,运用FLAC3D三维显式有限差分法分析软件,建立了摩尔-库仑剪破坏与拉破坏复合的应变软化模型,采用大变彤方法对深埋隧道围岩系统卸荷进行数值仿真,引入混沌动力学理论对数值模拟的分析结果进行整合,提取了围岩系统演化过程中特征点演化时间序列的Lyapunov指数,对其混沌形态进行了研究.实例分析表明:深埋隧道围岩系统卸荷演化呈现典型的混沌性态,且系统演化具有对初始条件的敏感性.     

白垩纪碳酸盐岩稳定碳同位素的分形和混沌分析

应用分形与混沌理论对白垩纪海相碳酸盐岩碳同位素δ(13C)进行了非线性分析,认为碳同位素δ(13C)变化序列均为混沌演化序列,当相空间维数m>8时出现混沌吸引子,混沌吸引子的分维数D在3.74左右;它的演化为混沌动力过程,描述它的变化至少是具备4个独立变量的动力学系统.CO2的碳同位素组成系统是一个混沌系统,只要δ(13C)偏移发生很小的变化,就会引发或终止δ(13C)正偏移,这就是系统对初始条件的敏感依赖性及其内部蕴涵的非线性反馈机制成为维系过程长期进行的内在动力学原因.     

湘西沃溪金锑钨矿床分形成矿动力学

随着分形理论的建立与发展 ,应用分形理论研究矿床分布及元素的分布与富集规律已经成为研究成矿作用的一个有力的新工具。文中对湘西沃溪金锑钨矿床金品位空间变化进行了分形与混沌吸引子分析 ,结果表明 ,该矿床金品位分布具有分形结构特征 ,并都呈双分形关系 ,分叉处的金品位与其平均品位相当 ,分维值可以指示成矿流体的运移方向。其金品位空间变化为混沌序列 ,在相空间维数为 8～ 1 0时 ,出现一个混沌吸引子 ,吸引子的维数变化于 1 .5 3～ 4 .72之间 ;表明其成矿流体的演化及金元素的沉淀富集成矿过程为混沌动力学过程 ,描述或控制本矿区金品位变化的独立变量至少需要 8～ 1 0个。总之 ,成矿物质的沉淀过程是一个复杂的非线性动力学过程 ,矿物在热液体系中通过构造应力、流体流动、流体岩石反应等之间的复杂非线性反馈作用 ,最终在合适部位沉淀下来 ,形成了各种具分形与混沌特征的矿床和品位分布     

南洞地下河月径流时间序列的混沌特征及预测

利用基于相空间重构技术、混沌识别与预测理论对1993-2013年南洞地下河月径流时间序列的非线性特征进行了分析,由所获得的延迟时间和最佳嵌入维数实现了月径流时间序列的相空间重构,运用饱和关联维数法和小数据量法计算出南洞地下河月径流时间序列的饱和关联维数和最大Lyapunov指数,并运用Volterra模型对南洞地下河月径流时间序列进行了多步预测研究。研究结果表明,南洞地下河月径流时间序列相空间重构的延迟时间和最佳嵌入维数分别为τ=5、m=8,饱和关联维数D和最大Lyapunov指数λ分别为4.63、0.748 9,从定性和定量的角度证明了南洞地下河月径流时间序列具有弱混沌特征。Volterra自适应滤波模型的预测结果能较好地表征南洞地下河月径流的变化趋势和规律,对18个月内的短期预测精度较高,模拟效果较好。      

成矿元素巨量聚集的混沌机制——斑岩型和构造蚀变岩型矿床例析

成矿元素含量的变化受控于成矿系统内部的动力学过程,具有较强的随机性与混沌特征,对其变化特征的定量刻画有助于深入理解成矿过程,并为找矿预测提供理论依据。本文以三江普朗斑岩型铜矿的Cu元素与胶东大尹格庄构造蚀变岩型金矿的Au元素品位序列为研究对象,运用混沌时间序列分析法中的相空间重构技术、吸引子的关联维及最大Lyapunov指数解析了Cu与Au元素品位序列的分布特征。结果显示:斑岩型铜矿强矿化和中矿化Cu元素品位的饱和关联维介于4.42与9.69之间,饱和嵌入维介于25与28之间,最大Lyapunov指数介于0.0021与0.0661之间,弱矿化勘探线Cu元素关联维没有出现饱和现象,最大Lyapunov指数随着嵌入维的增大,由正数变为负数;构造蚀变岩型金矿的强矿化勘探线Au元素的关联维为3.18,饱和嵌入维为23,最大Lyapunov指数为0.0082,而中矿化和弱矿化勘探线Au元素的关联维没有出现饱和现象,且随着嵌入维的增大,最大Lyapunov指数由正数变为负数,表明斑岩型中-强矿化地区的Cu元素和构造蚀变岩型强矿化区域的Au元素品位序列具有混沌动力学特征,而弱矿化地区的Cu元素及中弱矿化地区的Au元素品位序列则具有更强的随机性特征;同时,具有混沌特征的斑岩型铜矿的饱和嵌入维和关联维及最大Lyapunov指数的均值都大于蚀变岩型矿床,说明斑岩型铜矿比蚀变岩型矿床的元素具有更强混沌特性与更复杂的控制因素,如温度、硫化作用、流体不混溶、蚀变叠加等。     

边坡演化的非线性时间序列多元混沌判别

以实测非线性时间序列为对象, 通过估计延迟时间与嵌入维数的相空间重构方法, 采取排除时间相关性点对的方法计算边坡系统关联维数D2;采用改进的Kantz法计算最大Lyapunov指数、以K₂熵作为Kolmogorov熵的近似, 并引入近似熵ApEn及系统复杂度混沌特征指标, 研究了边坡演化的多元混沌特征.通过实例分析, 发现多数边坡系统关联维数D₂为非整数, 最大Lyapunov指数、熵值均大于零以及系统复杂度位于(0, 1) 区间偏小值, 通过与确定性系统特征量的比较, 揭示了边坡系统的混沌特征, 并得出临滑阶段边坡混沌特征最为明显的结论.      

0-1测试方法的径流时间序列混沌特性应用

径流时间序列混沌特性识别的常用方法是基于相空间重构的关联维数法、最大Lyapunov指数法和Kolmogorov熵法。引入一种新的时间序列混沌特性识别方法:0-1混沌测试方法。该方法直接应用于时间序列不需要相空间重构,并且通过量化指标K_c是否接近于0或1来识别时间序列的混沌特性。以Logistic映射生成的序列、金沙江流域和美国Umpqua河多年日径流序列为研究对象,首先利用0-1混沌测试方法进行了混沌特性识别和判定;然后基于相空间重构,运用相空间重构、伪最近邻点法、关联维数方法、最大Lyapunov指数法和Kolmogorov熵5种非线性研究方法分析了这两列径流时间序列混沌特性。研究结果表明0-1混沌测试方法简单有效。以上方法交互验证了该两列径流时间序列存在低维混沌特性。     

珠江三角洲软土地基变形的混沌特性研究

混沌是非线性系统较普遍存在的一种现象，本文以混沌理论为基础，对珠江三角洲软土地基的变形特性进行了研究。从软土的工程特性和微观结构出发，分析了软土地基变形混沌性的根本原因，并对软土变形混沌性进行了定性判别和基于Lyapunov指数的定量判别。研究结果表明，珠江三角洲地区的天然地基及处理后的复合地基的最大Lyapunov指数 均大于0，软土地基的变形具有明显的混沌性。混沌理论为软基变形研究提供了一种新的途径，在工程领域具有广阔的应用前景。     

2.5Ma 以来古气候变化的混沌吸引子

利用2.5Ma以来经过时标调谐的宝鸡黄土剖面的粒度比值曲线,等时距(1000a)地重构了具2500个样本容量的时间序列。作者在分析此时间序列所记录的古气候变化的混沌特征后发现:2.5Ma以来的古气候是具有有限个自由度的复杂的混沌系统,吸引子关联维数为3.8,饱和嵌入维数为11,它的以最大Lyapunov指数和二阶Renyi熵表征的可预报时效(误差增大一倍所需时间)分别为0.66—0.76Ma和6600—7100a。已有的研究证明该剖面古气候时间序列的大部分时间区间受地球轨道参数的驱动,表明2.5Ma以来的古气候是一种混沌的与周期性的混合式振荡的动力系统。     

砂岩Kaiser点信号识别特征研究

对岩石试件加载及破坏过程进行了声发射试验,根据参数分析法得到Kaiser点。采用FFT研究了Kaiser点信号的频谱特征。运用小波包分析方法,计算了Kaiser点信号的能谱系数。用混沌时序分析方法研究Kaiser点信号,运用关联积分法方法提取关联维数D,综合FNN法和互信息法得到合适的m、? 值重构相空间,计算Kaiser点信号的最大Lyapunov指数,研究声发射信号混沌动力特征。结果表明,Kaiser点信号具有混沌特征。     

砂岩全应力-应变曲线二分段特征的Lyapunov定性分析

提出砂岩全应力.应变曲线的二分法原则,应用混沌动力学Lyapunov评价准则定性研究得到了曲线新的分段特征:试验曲线的所有峰前段均处于混沌状态,证明岩石节理裂隙这一复杂系统的非线性状态演化是客观存在、线性是近似的;节理裂隙系统有85%演化到峰后段时呈有序定常态,表明节理裂隙贯通后的岩石已呈现宏观破坏,线性特征明显:围压作用将延长节理裂隙的贯通过程,使之在峰后呈抵抗性破坏特征;峰后应变长度占总应变长度的2/3及以上时,该阶段节理裂隙系统的状态将主导其演化全过程的状态特征.     

岩石声发射混沌特征分析

岩石等脆性材料在加载过程中,随着荷载的增加,材料内部的微裂纹产生、扩展并伴随着声发射现象的发生。声发射是研究脆性材料破坏的良好工具。对砂岩、细砂岩和高丽山砂岩3类岩石进行了声发射试验,记录了加载及破坏过程中产生的声发射信号,并且采用混沌动力学理论研究了3类岩石的声发射活动规律,计算了岩石的关联维数和最大Lyapunov指数。研究结果表明,岩石加载及破坏过程具有混沌特征,用相空间重构法可以较好地揭示岩石破坏过程的动力学特征,这为混沌理论在岩石、岩体声发射其他领域的研究及应用奠定了基础。