红层软岩灾变的界面过程与级联效应

The red-bed soft rock, as the typically easily-failed strata and critical strata leading to catastrophe, is widely distributed in the world, and the research in this area has attracted a great deal of attention of researchers and practitioners. The previous research focus more on the forming and developing mechanism of the multi-effects and multi-scale, with a lack in well-integrated association on multi-effects and multi-scale researches, which has become the bottleneck of the research on red-bed soft rock major disaster. Therefore, based on the multi-scale control of catastrophe and adopting the theories of interface process dynamics, non-equilibrium mechanics and synergetic, a research work contraposing red-bed soft rock which mainly studies the interface process and cascade effect of catastrophe for red-bed soft rock is to be carried out. Which mainly includes: (1) The fundamental dynamic model of interface effect and process of catastrophe for red-bed soft rock; (2) The multi-scale inter-correlation mechanism and dynamic model of interface effect and process of catastrophe for red-bed soft rock; (3) The multi-scale energy fluctuation mechanism, cascade effect and the influencing mechanism and model of interface process of catastrophe for red-bed soft rock; (4) The critical criterion of catastrophe for red-bed soft rock, the disaster-causing mechanism of multi-scale cascade effect and the interface control principle. Finally, according to the research, the principle of disaster-causing mechanism for red-bed soft rock is revealed essentially, forming the well-integrated association between every scales and effects in theoretical framework of the research on soft rock, which can offer a completely new theoretical foundation for the control of major disaster of red-bed soft rock projects, and has important theory significance and practical applications as well.

红层软岩由于其遇水后的强易损性，导致工程灾变频繁发生，成为学术界与工程界共同关注的焦点问题之一。以往研究注重其灾变不同效应及其不同尺度的发生发展机制，在跨效应跨尺度研究上尚缺乏完整的关联，灾变全过程链条上存在缺失，成为制约其灾变机理研究重大突破的瓶颈。为此，以红层软岩为对象，从灾变多尺度控制角度出发，运用界面过程动力学、非平衡热力学与协同学等，研究红层软岩灾变的界面过程与级联效应。重点包括：（1）红层软岩灾变的界面效应与界面过程动力学基本模型；（2）软岩灾变界面过程的多尺度内在关联机制及其动力学模型；（3）软岩灾变的多尺度能量涨落机制、级联效应及其界面过程影响机制；（4）软岩灾变界面过程的临界判据、多尺度级联效应致灾机理及其界面控制原理。通过研究，揭示软岩致灾的本质，形成软岩研究基本理论框架中各个效应之间、各个尺度之间的完整关联，为揭示红层工程重大灾变机理与控制灾害提供全新的理论依据。

水-岩相互作用是国际上工程地质和岩石力学领域的前沿课题。红层软岩由于其遇水后的强易损性，导致大量工程灾变的频繁发生，成为学术界与工程界共同关注的焦点问题之一。通过前期研究，一方面重点揭示了软岩灾变的物理、化学、力学等不同效应及其微观、细观、宏观等不同尺度的发生发展机制与规律；另一方面使人们逐渐认识到软岩工程中滑坡、塌方等灾变主要是由软岩遇水软化这一特性所导致的，进而认识到这一特性是在水、岩密切接触的两相之间的过渡区界面上多尺度连续激发作用形成的。目前软岩灾变研究的基本理论框架中各个效应之间、各个尺度之间缺乏完整的关联，甚至存在跨效应跨尺度研究上的断链，在某种程度上，这已经成为制约红层软岩工程重大灾变研究的瓶颈。因此，本项目采用跨尺度试验、非线性动力学、颗粒离散元、随机介质等方法，从灾变的多尺度控制角度，揭示了红层软岩灾变的水-岩界面过程及其多尺度内在关联的本质特征与规律，阐明了其多尺度级联效应，在原先较为单一尺度灾变表达的基础上，实现了多尺度内在关联；从灾变过程中多尺度能量转化和物质交换的底层科学问题上，建立了层软岩灾变界面过程与级联效应的控制原理——界面过程临界判据、多尺度级联效应致灾作用机理及其界面控制原理，并验证了其合理可靠性。本研究不仅可以丰富、完善和发展工程地质学理论与方法，而且可为红层工程重大灾变机理研究与安全调控提供全新的理论和方法。成果正应用于研究三峡库岸消落带岩体劣化、水库诱发地震、川藏铁路工程红层岩体大变形、南水北调中线工程膨胀土岸坡变形等，成果还可广泛应用于交通、市政、水利、矿业、人防、军工等的软岩边坡、隧道、路基、基坑等软岩工程安全防护与科学研究。同时，本研究共发表论文39篇，其中SCI、EI已收录27篇；申请发明专利21项，其中授权10项，公开11项；获得国家软件著作权2项。培养博士生9名、硕士生12名。