失稳阶段

地质环境系统的失稳是其演化过程中的必经阶段，在此阶段系统原有的稳定性遭到破坏，宏观状态具有异常涨落的特点，属于非平稳的随机过程。处于这个阶段的系统不再遵守大数定律，又称为无序的状态。

图2-5 小球运动的失稳(渐变)过程

地质环境系统的失稳也可以用小球在凹槽中的运动形象描述。如图2-5所示，若施加给小球的随机力不断增大或某一次施力过大，小球会突破凹槽的限制，从槽内运动到B点。如果小球到达B点时，能量已消耗殆尽，小球将停止在B点。B点是一个不稳定点，任何一种随机干扰都有可能再次决定小球的运动方向。假定前方遇到一股阵风，小球会向左运动，回落到凹槽中，即回到原先的稳定态。这种情况在实际工作中，经常会遇到，例如，处于退化中的草场，采用人工封育的措施，即撤除牛羊啃食、人车碾压破坏的外力后，恰逢丰水年或一场大雪，草场可以自动缓慢修复，最终重现昔日繁茂的景象。然而，对于某些草场，人工封育并不见效，这就如同小球达到临界点B时，动能未完全耗竭，小球会向C点方向继续运动，此时，小球在惯性作用下继续运动。据此可以理解，当草场的退化超过某一阈值时，退化的趋势是难以遏制的，即使采用人工封育的办法，仍然难以恢复原有的生态状况。

地质环境系统失稳时，原先的驱动力和影响因素的排序可能会发生变动，先前的主导因素退居次要地位，取而代之的是新的作用因素，如放大的随机干扰或原先处于次要地位的因素。至于系统未来的走向则如系统科学所指出的，“当系统状态处于临界点时，随机干扰会成为系统状态如何变化的决定因素”。换句话说，在对系统未来变化的信息掌握不充分的情况下，地质环境系统失稳的具体道路和失稳的形式往往是事前难以预测的。

(一)关于地质环境系统失稳后的未来走向

一般来说，地质环境系统失稳后的大致走向可以通过一些专业理论和其他先验知识予以判断，但具体的细节和过程往往是很难事先确定的。这一点可用小球离开B点(临界点)的运动来说明。图2-5是一个剖面图(二维)，对于具有三维特征的凹槽来说，若小球离开B点选择是向坡向滚落，具体的运动路径也许是由B点到C'或C″等(C'、C″等均为剖面图外的坡下点)。至于小球最终选择哪一路径取决于哪条路径最顺直、最光滑、耗能最小，以及促使小球离开B点的那种作用的施力方向。正因为如此，在研究地质环境系统失稳的问题上，具体时间、地点和规模的精确预测都面临很大的困难。目前唯一可行的办法就是提高野外长期监测的精细度，包括监测点的密度和时间间隔，以便从中获取地质背景条件动态变化特征和规律的信息。这些信息是自然和人为对地质体施加作用的综合响应在时空上的表现。这些信息掌握越及时，就越能提高对后一时刻系统状态的判断精度，信息滞后越明显，预测效果就越差。

(二)关于地质环境系统失稳的形式

地质环境系统由稳定进入到失稳阶段有两种形式，即渐变和突变。

1渐变

渐变是系统的涨落不断增大，呈现出异常涨落特征的时间过程。其状态的时间序列是连续的，没有间断点，整个时间序列往往具有明显的上升或下降的趋势。图2-5所示的小球从B点向C点运动的形式，就是小球状态渐变的形象写照。

渐变是地质环境系统失稳常见的一种形式，在此过程中，系统的结构、功能也呈现缓慢的变化，伴随这些变化，常出现各种对我们不利的地质环境问题，如地下水污染、地面沉降、水土流失、荒漠化等。

由于渐变是状态连续的变化过程，信息是连续的，前一时刻的状态与后一时刻的状态有一定的关联，因此，地质环境系统渐变过程的理论研究或具有渐变特征的地质环境问题预测仍可沿用前面提到的有关系统处于稳定状态的那些数学方法。为了提高可信度，应采用资料不断更新，分时段拟合的办法，而且，预测外推的时间长度不能过长。

图2-6 小球运动的失稳(突变)过程

2突变

突变是非线性系统的共有行为。它也是地质环境系统涨落不断增大，呈现出异常涨落特征的时间过程。与渐变不同的是，突变前后的整个时间序列在某一处中断，或者说出现断点。突变强调的是变化的瞬间性、骤然性，指的是在可以忽略的时间间隔内完成的系统性质(结构、功能)的突然改变。其过程如同图2-6中，小球从B点坠落到C点的情况。

地质环境系统的突变往往引发突发性的地质环境问题即地质灾害，例如火山喷发、地震、滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷、岩爆等。从环境地质学的角度来讲，突发性地质环境问题产生的根本原因是发生处的那个地质环境系统结构急剧改变，尤其是岩土体原有结构的骤变、岩层断裂破坏、岩土物质的快速运动。这一动力学过程显示了系统内部各点之间(或各元素之间)一切动力学的耦合与相互作用，已完全不同于先前的状态，或者说，发生了质的变化。

突变发生时，岩土体内各点的状态和物理力学参数是变量，且为快时变的，物理边界的位置和性质也处于频繁快速的调整之中，因此，试图直接刻画诸点之间的动力学相互作用，把握突变瞬间系统内部变化的所有细节与遍历的状态之间的关系，几乎是不可实现的。此外，作为复杂性系统的一种独特行为，突变的发生受多因素相互作用的影响，因素之间的相干效应以及原有影响因素以外的某一随机干扰的异军突起，都有可能产生微妙的变化，经过放大，决定着系统突变最终状态的走向，从而使系统演化问题具有多解性和难以预测性。目前可行的做法是，刻画系统的整体状态、行为、特征的动力学变化，不再刻意追究其内部细节的动力学过程。即便如此，有关突变的研究，特别是突变现象的预测，仍是一个非常复杂而艰难的课题。

相关的文献资料表明，内动力地质作用引发的地质灾害如火山喷发、地震活动，目前人们还难以捕捉区域尺度的发生规律，对其动力学过程了解得还不深入，总体上仍处于唯象学的发展阶段，即以收集观察的经验事实为主，通过总结、归纳和推理，提出假说。获得的新进展一般也仅仅属于对前人观察结果的补充和更新的性质。至于发生在地球浅表由外动力地质作用引发的地质灾害，虽然人们了解得较深入，资料和经验的积累程度相对较高，但在预测预报方面仍显得力不从心，预测的成功率也较低。总之，无论是内动力地质作用还是外动力地质作用引发的地质灾害，目前预测预报的方法还只能是根据历史记录采用经验或半经验的公式，对灾害发生的时间、地点、规模作出概率估计。

为了提高地质灾害预测预报的质量，长期以来，许多学者作出了不懈的努力，从数学模型的构建，定性分析手段的改进，力学理论的剖析等各个方面做了大量探索，然而，其效果并不明显。相关的进展正如有些学者在论及滑坡时间预测研究现状时所指出的:“目前所谓的‘成功预报’，大多只是根据临滑现象所作出的经验判断，目前采用定量预报模型对滑坡所作出的预测预报几乎无一例外的都是一些事后检验，到目前为止，还没有一个滑坡是真正依靠定量预测成功的实例。”他们还认为，“滑坡的预测预报仅仅从纯数学的角度建立滑坡预报的定量模型是很难从根本上解决问题的。”

需要强调的是，地质灾害点的预测预报不是一个简单的技术层面或操作层面的手段和方法问题，突破目前所遇到的难题应该也必须跳出长期以来人们已熟悉的科学思维定式和理论体系。於崇文院士在《地质系统的复杂性》中从现代系统理论的角度做了全面的论述。在地质事件历史演化的分形动力学一节中，於崇文院士提到，地质系统的演化观曾受到达尔文(Darwin)和莱伊尔(Lyell)的“均变说”或“渐变论”的深刻影响。这两位科学巨匠将演化看做一种缓慢的、渐变过程，任何事物应该都可以用我们周围所观察到的，在任何时间均以相同速率进行的过程来解释，例如，地质学的景观被认为是由平缓的过程所形成的，并且各种尺度的时间都可以由现在以其当时可观察到的速率和强度正在进行的过程平滑外推而加以解释，换句话说，小尺度的行为可以延拓，并且平滑地积累而产生各种尺度的事件。对此，於崇文院士指出:“从物理学的眼光来看，均变说是以人类生活在线性世界为前提的，……然而实际上我们生活在主要是非线性的世界中，对于其中的许多高度非线性的系统，人们不能用简单的线性思考的方式去处理，甚至去预测其中出现的行为”。“对于发生在地质历史中的宏观灾变现象，必须用一种新的理论代替均变说和渐变说来加以解释。”这种新的理论就是非线性系统复杂性理论。它应成为目前地球科学由唯象学阶段上升到具有普适性和包容性的基础理论和方法论。

近年来，非线性系统复杂性理论中的一个重要成果是“崩塌动力学”［波拜克(PerBak)］的出现。该理论从系统自组织临界性的角度对突变的机理进行了研究，认为自然界和人类活动中的许多动力学过程具有三大特点:①过程的不可逆性及其多重时间标度;②动力学行为的自相似性和分形性(即标度不变性);③以不同规模的阵发、崩塌的方式进行的间歇性。这些特点产生的内在原因是:①系统的演化遵循极值动力学，它是自组织临界的普适原理;②系统通过自组织而趋于临界态———自组织临界过程;③演化过程自组织临界性的实质是分形动力学的吸引子，它具有串级“崩塌－间断平衡”的分形谱系结构;④相互作用为主导，慢驱动和阈动力学是实现自组织临界性的基本条件。上述观点，对于一般读者来讲，很可能十分陌生，但它在科学方法论上的意义却是重要的，很可能为达尔文的渐变式演化和突变演化之间搭起一座桥梁。同时，对从事突发性地质灾害预测预报的科技工作者来说，这一理论无疑会破解长期以来人们苦苦探索但始终难以取得实质性进展的困惑，为提升预测预报水平奠定了新的理论基础。

尽管实现突发性地质灾害的精准预测预报仍需要长期艰苦的探索，但并不意味着现阶段人们在防灾减灾上就无所作为。突变论的奠基人托姆曾指出:“任何一种过程究竟是以渐变的方式还是以突变的方式进行，关键在于条件的变化，包括系统内部的成分、结构和外部作用。”这段论述可以得到如下启示:突变的发生是有内外条件的，突变之前往往出现人们可以察觉(观测)到的“前兆”。在许多情况下，前兆持续的时间可长达数天甚至数月，这一时段正是系统自组织趋于临界态的过程，如果能够及时采取人为措施，改变系统的输入(方式、强度、分布)或岩土体内部的结构，就有可能改变系统的失稳形式，使孕育的突变转化为渐变，从而消除或延缓地质灾害的爆发，达到减轻灾害损失的目的。

压杆稳定实验和压缩试验两者之间有3点不同，具体介绍如下：

一、两者的适用不同：

1、压杆稳定实验的适用：压杆稳定实验对于塑性材料，无法测出压缩强度极限，但可以测量出弹性模量、比例极限和屈服强度等。与拉伸试验相似，通过压缩试验可以作出压缩曲线。

2、压缩试验的适用：压缩试验主要适用于脆性材料，如铸铁、轴承合金和建筑材料等。

二、两者的相关要求不同：

1、压杆稳定实验的相关要求：由于受压杆失稳后将丧失继续承受原设计荷载的能力，而失稳现象又常是突然发生的，所以，结构中受压杆件的失稳常造成严重的后果，甚至导致整个结构物的倒塌。工程上出现较大的工程事故中，有相当一部分是因为受压构件失稳所致，因此对受压杆的稳定问题绝不容忽视。

2、压缩试验的相关要求：压缩试验中，试样端面存在较大的摩擦力，影响试验结果。试样越短影响越大，为减少摩擦力的影响，一般规定试样的长度与直径的比为1～3，同时降低试样的表面粗糙度，涂以润滑油脂或垫上一层薄的聚四氟乙烯等材料。

三、两者的用途不同：

1、压杆稳定实验的用途：压杆稳定实验主要应用于大型工程中。

2、压缩试验的用途：压缩试验为测定材料在轴向静压力作用下的力学性能的试验，是材料机械性能试验的基本方法之一。

-压杆稳定

-压缩试验