通过干燥沙石散粒体临界态沙坡实验,证实了沙石颗粒组成的非均匀系数是影响散粒体坡面崩塌自组织临界性的重要因素。利用大型粗颗粒实验系统,进行了不同非均匀系统散粒体沙石相对密度和直剪测试,以此对散粒体自组织临界性的形成条件和机制进行了初步分析。根据随着颗粒非均匀

第23卷 第18期

岩石力学与工程学报 23(18)：3178～3184

2004年9月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Sept.，2004

非均匀散粒体自组织临界性机制初探

*

蒋良潍 姚令侃 李仕雄

(西南交通大学土木工程学院道路与铁道工程系 成都 610031)

摘要 通过干燥沙石散粒体临界态沙坡实验，证实了沙石颗粒组成的非均匀系数是影响散粒体坡面崩塌自组织临界性的重要因素。利用大型粗颗粒实验系统，进行了不同非均匀系统散粒体沙石相对密度和直剪测试，以此对散粒体自组织临界性的形成条件和机制进行了初步分析。根据随着颗粒非均匀程度增大，堆积体的颗粒堆积结构渐趋复杂，颗粒间运动摩擦阻力增大的实验现象，提出观点：非均匀散粒体系统的物理力学性质具有失稳状态多样性和能量耗散加剧的特点，使扰动-反馈的放大作用被抑制，从而能够保持整体结构稳定，因此，大尺度的系统也可以呈现自组织临界性现象。

关键词 土力学，非均匀散粒体，自组织临界性，沙堆模型，扰动-反馈放大作用，大尺度系统 分类号 TU 413 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(2004)18-3178-07

MECHANISM OF SELF-ORGANIZED CRITICALITY

IN NON-HOMOGENOUS GRANULAR MIXTURES

Jiang Liangwei，Yao Lingkan，Li Shixiong

(School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031 China)

Abstract Based on the experiment of critical slope made up of dry sand-gravel mixtures，it is confirmed that self-organized criticality(SOC) in granular mixtures is strongly influenced by non-homogeneity of granular material. Using large-scale coarse grained soil test system，the relative density and direct shear characteristics of sand-gravel mixtures in different size distribution are tested. The occurring condition of SOC and its mechanism are discussed. It is observed that，along with the increment of non-homogeneity，the piled structure becomes more complex，and the sliding resistance among sands grows accordingly. Furthermore，it is concluded from experiments that if the physical characters determined by structure of non-homogenous granular mixtures，the multiform failure states and higher energy dissipation can cause sufficient restraint on disturbing-feedback propagation，granular mixtures will maintain overall stabilization. As a result，a large-scale system can present the SOC as well.

Key words soil mechanics，non-homogenous granular mixtures，self-organized criticality(SOC)，sand-pile model，disturbing-feedback propagation，large-scale system

SOC)，是Per Bak等提出的一个解释控制大量广延耗散动力系统的普遍组织原则的理论[1]，其最简单的理想化模型就是“沙堆模型”(sand-pile model)[2]，

自组织临界性(self-organized criticality，简称

散粒体沙堆可以看作一个带有局域相互作用和广延

1 前 言

2002年11月28日收到初稿，2003年2月17日收到修改稿。

* 国家自然科学基金(50278080)和高等学校博士点专项科研基金(200061307)资助项目。

作者 蒋良潍 简介：男，28岁，现为硕士研究生，主要从事防灾减灾工程及防护工程等方面的研究工作。E-mail：jiangehx@http://www.mianfeiwendang.com。