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基金助我静心科研(续) 精选

已有 8763 次阅读 2017-12-12 11:21 |个人分类:基金杂谈|系统分类:科研笔记|关键词:基金申请,建议| 基金申请, 建议

昨天,华北水利水电大学(我的大学母校)董教授告知我们,他们和我们联合申请的2017年度“NSFC-河南联合基金”重点项目“豫西锁固型滑坡演化机理及其动态追踪预警方法”获批啦。这是我们自2009年开始研究锁固段脆性破裂与失稳机理”以来申请到的第4个基金项目。

在基金项目的连续资助下,锁固段脆性破裂理论的发展已渡过了艰难的初创岁月,从最初多数人的激烈反对到目前多数人的热情支持,历经坎坷历程现已趋于完善。大家晓得,做科研,除了有新想法,还得有经费支撑,人可不是活在“真空”中。在2009年前,那时我真算得上“土豪”,每年拿到的横向项目能达到数百万元,开基坑、边坡工程项目评审会拿到的专家费也不是少数。然而,自从一头扎到“锁固段”中,被“锁固段”的各种有趣力学行为“锁住”了,自此一发不可收拾。后来,横向项目基本不做啦,各种评审一概拒绝,各种会议能推的就推掉,有了“躲进小楼成一统,管他春夏与秋冬”的感觉。有了基金的支持,科研经费基本够用,继续静心做科研没有后顾之忧。

2015年,写过一篇博文《基金助我静心科研》(http://blog.sciencenet.cn/blog-575926-914209.html),看到这篇文章后,不少“青椒”与我联系,说有启发,希望多写点这方面的博文,我所的同事看到后也给予我精神上的鼓励。

若基金申请经验能对别人有所帮助,何乐而不为呢?关于如何写好基金申请,好多科学网博主提出了很好的建议,皆可借鉴。我仍然认为,写好立项依据与凝练出非空泛的科学问题,是基金申请的关键。下面晒晒我们2015年面上基金项目多层嵌套锁固段自相似破裂机制与失稳物理预测研究中的立项依据部分,可供打算申请基金的青年朋友们参考。

先写个导读,以便于大家能厘清立项依据写作的脉络。

导读:

在岩石破裂过程研究中,我们发现了一种不同寻常的现象。简言之,在浅源强震孕育过程中,锁固段被加载至膨胀点时,Benioff应变开始出现加速现象,但加速持续一段时间后,大部分震例普遍出现不同寻常的现象——应变速率急剧降低。这与室内岩样剪切蠕变试验揭示的破坏特征完全不同,也与锁固型滑坡监测位移曲线反映的锁固段破裂加速至宏观破裂阶段的变形特征不同。

进一步的分析认为,只有多层嵌套锁固段概念可以合理解释自膨胀点蠕滑加速开始、向峰值强度点演化过程中出现的整体急剧减速和局部加速现象。本项目拟采用理论分析、力学试验与数值模拟相结合的技术路线,阐明岩石破裂膨胀点与峰值强度点的表面能关系,揭示主锁固段加速蠕变开始后次级锁固段的破裂模式,并提出其破坏准则。在此基础上,构建多层嵌套锁固段自相似破裂的失稳预测模型,为提升地质灾害失稳时间的预测精度提供基础依据。

项目的立项依据:

岩石作为地球浅表层的主要介质,其破坏失稳造成的各类地质灾害,如岩爆、崩塌、滑坡与强震等,常给人类造成巨大的人员伤亡和财产损失。对地质灾害的准确预测,是防灾减灾的关键,也一直是学者们长期研究的热点和难点问题。尽管诸多学者[1-6]在地质灾害研究中已做出了巨大努力,但对世界上许多灾难性地质灾害屡屡预测失败的现实表明,脱离物理机制的经验或统计预测无能为力,解决途径是走物理预测之路。

诸多岩体失稳致灾的演化方式是蠕变破坏或近似蠕变破坏,即在长期缓慢的构造应力加载或环境因素作用下,岩体微裂隙丛集形成宏观破裂面的过程,强震孕育过程是典型实例。申请人及团队近5年的研究表明[7-12],掌握蠕变加速阶段的破裂规律,是实现岩体失稳物理预测的关键。目前用于描述蠕变加速阶段的模型,如粘弹塑性屈服面模型[13]、内蕴时模型[14]和细观力学模型[15]等,或存在原理上的缺陷,或表达复杂难以应用,都无法准确描述蠕变加速阶段的力学行为。

2009年以来,申请人及团队依托国家自然科学基金重点项目斜坡失稳的广义临界位移准则与预测方法41030750),在地质灾害预测研究中取得了一系列突破性进展:

1)在崩滑灾害预测研究方面,认识到滑面锁固段是锁固型斜坡稳定性的主控因素,发现锁固段被加载至膨胀点时开始出现位移加速现象,对诸多锁固型崩滑灾害实例分析表明,这是崩滑灾害发生前必须出现的唯一前兆;提出了多锁固段崩滑灾害临界位移指数律[8],对Vaiont滑坡、盐池河崩塌与新滩滑坡等诸多实例的回溯性分析,证实了其正确性。

2)在强震预测研究中,发现锁固段被加载至膨胀点时,震群事件开始发生,震群事件是强震发生前可识别的唯一前兆;提出了孕震断层多锁固段脆性破裂理论[7],对中国及邻区[16-20]、环太平洋地震带[21]历史大震孕育过程的回溯性预测效果良好,对中缅边境地震区[22]、昭通地震区[23]、汶川地震区[24]、海原地震区[25]、于田地震区[26]和普洱地震区[27]的前瞻性预测已得到实际验证。

在强震预测研究实践中,我们发现了一种不同寻常的现象。简言之,在浅源强震孕育过程中,锁固段被加载至膨胀点时,Benioff应变开始出现加速现象,但加速持续一段时间后,大部分震例普遍出现不同寻常的现象——应变速率急剧降低。这与室内岩样剪切蠕变试验揭示的破坏特征完全不同,也与锁固型滑坡位移监测曲线反映的锁固段破裂加速至宏观破裂阶段的变形特征不同。

原理上,岩石被加载至膨胀点时,微破裂丛集,应变局部化开始,此时即使荷载保持恒定,蠕变也会急剧增长,非稳定破裂亦将不可抑制地发展下去,导致岩石在短期内发生宏观破坏(图1A1B1段)。对锁固型滑坡位移监测曲线的分析亦表明,岩质锁固段膨胀变形开始后,位移将持续增长至锁固段发生宏观破坏(图2A2B2段),通常不会出现减速现象。而浅源强震的孕育过程则不同,除个别震例(如1966年邢台地震)外,当锁固段被加载至膨胀点(图3Sc*)后,通常会出现应变急剧减速这一特殊现象(图3A3B3段),直至锁固段岩体的损伤累积到临界阈值(图3Sf*(1)),才发生宏观破裂。这一客观现象的存在致使主破裂发生时间大大迟滞,可达数年乃至数百年之久,极大地增加了预测时间窗口的不确定性。

将室内实验、崩滑灾害与浅源强震的环境因素进行比较,可看出浅源强震与前两者的区别在于其锁固段尺寸更大,且所承受的温度和围压更高。尺度、温度与应力水平对破裂速率有何影响呢?现分别予以讨论。岩质锁固段被加载至膨胀点后,其尺度与之前相比变化并不显著,难以解释破裂速率的急剧减缓。一般材料尺度越大,因包含更多缺陷其强度性质趋于劣化,破坏过程应更加迅速,不可能出现迟滞现象。试验研究[28]表明,在常温~600范围,其他因素不变时,温度越高岩石的粘滞系数越小,热破裂越剧烈,也不能解释蠕变速率的急剧减缓。Heap[29]Brantut[30]的试验结果表明,围压恒定时,差应力变化10%,蠕变率可变化2.5个量级,失稳时间随之成数十倍的跃变。由此推测,若此时出现构造应力减载,可迅速降低蠕变速率,有可能导致破坏延缓。但申请人近期的研究[31]表明,构造应力卸载只有在特定地震区每轮孕育周期主震事件发生后才出现,在锁固段被加载至膨胀点后构造应力仍处于缓慢增长状态,因此也不能从应力因素角度合理解释这种急剧减速现象。


1 砂岩在阶梯荷载下的蠕变曲线[32]



2  Vaiont滑坡位移监测曲线[9]

(可看出在锁固段膨胀点至峰值强度点之间A2B2段),位移出现持续加速现象。在峰值强度点后,坡体变形破坏进一步加剧,但由于锁固段还有残余强度,坡体仍不能整体下滑。当锁固段变形破坏至残余强度点时,可认为坡体开始整体下滑。)


3 普洱地震区1964.1.31-1982.12.18累积Benioff应变与时间关系[20]

1973/8/16MS6.3级地震与1979/3/15MS6.8级地震,分别是锁固段在膨胀点与峰值强度点的标志性事件;横坐标对应的时间减去3000年为实际年份。)


因此,欲合理解释这一现象,应重新回到锁固段这一概念上来。锁固段是地质体滑动面或剪切带上应力集中、积累应变能的载体,往往尺度较大。例如,分布在活动断裂带上的锁固段尺寸可达数千米甚至数百千米,在这样大尺度的岩体中,应考虑其本身非均质性,即其内部也存在局部高强非均质体,可称之为次一级尺度的锁固段。在大尺度锁固段的变形破坏过程中,若存在次级锁固段,则其会阻挡已有裂纹的传播,这就容易解释急剧减速现象的出现。若这种理解正确,也能很好解释某地震区较大震群事件发生后,向临界状态演化过程中,发生的preshockforeshock次级震群事件(减速后的局部加速,图3)。现在看来,只有这种多层嵌套锁固段概念可以合理地解释自膨胀点蠕滑加速开始、向峰值强度点演化过程中出现的整体急剧减速和局部加速现象。针对地壳岩体局部非均质体的破裂过程研究,已有一些成果报道。岩土力学研究领域常用Lajtai剪切破坏准则[33]Jennings抗剪强度准则[34]Einstein结构面扩展模型[35]分析节理面岩桥的剪切贯通过程,但分析时岩桥与围岩的力学性质没有明显区别,其力学表达仍采用线弹性力学。在岩石细观断裂力学研究方面,谢和平[36]用分形理论修正了GriffithIrwin的裂纹临界扩展应力准则,结合Lung[37]的研究建立了沿晶断裂、穿晶断裂和沿穿耦合断裂的表面能模型,但其研究仅限于晶体层面,未考虑非均质体的尺度、强度影响与界面效应。在地震学领域,这类高强非均质体称之为包体、障碍体或凹凸体。Das[38, 39]提出了断层面上的障碍体模式,认为这种应力强度高于围岩的块体是断层破裂面的起始区域、阻力区域和集中区域,但未给出裂纹穿越或绕过这些区域的力学准则。Brady [40]Rice[41]完善了软包体模型,从实验、理论角度论述了软包体在地震发生和前兆机制中的作用,但这一模式不能解释强震孕育过程和前兆的统一机制。Dobrovolsky[42]以半无限介质中三维硬包体(球体或旋转椭球体)作为孕震体,导出了空间任意一点的位移、应变及其相应地电、地磁场的弹性解析解,对多种前兆异常机制作了一定解释,但不能解释加速蠕变或震群现象。梅世蓉[43]根据板内地震空区与前兆场的时空演化特征,提出了坚固体孕震模式,认为地壳中一定规模坚固体的存在是积累高应力的必要条件,也是导致裂纹由稳态扩展走向失稳或锁住断层的基本条件。该认识与申请人对断层中锁固段是积累高能量载体的认识一致,但未考虑坚固体内部次级非均质体的力学作用。许昭永等[44, 45]和张智等[46, 47]分别对包体与障碍体进行了一系列颇有价值的试验研究,包括高强非均质体的刚度、强度、数量、尺寸、分布方式和围岩接触性质以及裂纹系形态,但未从理论层面进行分析。刘庭金等[48, 49]则用RFPA2D软件对以上试验进行了数值模拟。

由热力学定律可知,物质破坏是能量驱动下的一种状态失稳现象。因此,从能量角度解读岩石的变形破坏规律,更能反映岩体失稳的本质特征。例如,对Griffith微裂纹模型可理解为,脆性材料的破坏起始于消耗能量最少的缺陷。这是对最小耗能原理的直观认识。热力学[50]对这一原理的叙述是,系统在某些约束条件下处于平衡态或稳定态时,其能量或耗能率为最小值。周筑宝[51]提出瞬时稳定态的概念,将这一原理的适用范围推广到了耗能全过程的任意时刻,并从这一角度给出了Griffith理论的证明。左建平等[52]依据这一原理,并结合谢和平等[53]对岩石变形过程中的能量耗散分析,导出了与塑性耗散能和温度耗散能有关的深部岩体失稳准则。

以上研究工作皆是非常有益的探索,对本项目研究有重要参考价值,但存在以下共同问题:

(1)未从最小耗能原理出发,给出较大尺度岩体中裂纹穿越或绕过局部非均质体的力学准则;

(2)研究重点非针对蠕变加速阶段;

(3)未考虑局部非均质体与围岩的界面效应;

(4)弹性理论适用于描述岩石稳定破裂阶段前的力学行为,不适用于描述岩石非稳定破裂阶段的非线性行为;

(5)未建立多层嵌套锁固段自相似破裂的失稳预测模型。

针对以上问题,申请人拟采用理论分析、力学实验与数值模拟相结合的技术路线,开展系统研究。探讨并解决以上问题,有助于深化对地质体失稳预测问题复杂性的认识,对提高失稳预测时间精度有重要作用。本项目研究是对我们已有认识的进一步深化,其研究结果具有重要的科学意义和应用价值。

后记:我们在上述基金项目的支持下,提出了“次级锁固段破裂的时间域与空间域自相似模式,用之可预测某些标志性预震,特别对地震危险性评估大有裨益。尽管后续的研究与当时写申请书时的想法有所不同,但次级锁固段概念的提出,无疑开启了揭示大地震演化过程之谜的另一扇大门。”

参考(略)




http://blog.sciencenet.cn/blog-575926-1089290.html

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