ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2011, № 10, с. 25-31
УДК 539.42
ХАРАКТЕР РАЗРУШЕНИЯ ГРАНИТА ПРИ РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЯХ ДЕФОРМИРОВАНИЯ
© 2011 г. В. С. Куксенко, Е. Е. Дамаскинская, А. Г. Кадомцев
Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, г. Санкт-Петербург Поступила в редакцию 01.12.2010 г.
С привлечением метода регистрации сигналов акустической эмиссии исследуются механизмы разрушения образцов гранита при нагружении, управляемом скоростью дефектообразования, при моделировании stick-slip, а также при деформировании водонасыщенных образцов. Установлено, что под действием механической нагрузки в сухих образцах наблюдается дисперсное дефектообразова-ние, затем происходит локализация, образуется очаг разрушения, развитие которого приводит к формированию макроразрыва и разрушению образца. В водонасыщенных образцах происходит множественное хаотичное дефектообразование во всем объеме образца, что приводит к высокой степени поврежденности материала. На завершающем этапе деформирования образуются несколько очаговых областей, в которых развиваются магистральные трещины. При разрушении по механизму stick-slip происходит разрушение стопоров, находящихся на берегах разлома.
ВВЕДЕНИЕ
Работа посвящена исследованию влияния условий деформирования на процесс разрушения горных пород. Интерес к этой проблеме обусловлен тем, что в естественных условиях на горные породы действуют многие факторы, такие как: всестороннее сжатие, поровое давление жидкости, давление вышележащих пластов. Кроме того, во многих регионах земная кора рассечена многочисленными разломами, по которым может происходить сдвиг, и трещинами, которые являются концентраторами напряжений. Лабораторные эксперименты позволяют дифференцировать влияние каждого фактора на развитие разрушения.
В работе проведен анализ накопления дефектов в экспериментах 3 типов:
I — деформирование образцов в условиях управляемого режима нагружения (т.е. на установке с обратной связью, при которой нагрузка зависит от скорости образования дефектов); II—деформирование водонасыщенных образцов; III — деформирование образцов, позволяющих моделировать stick-slip.
Исследование закономерностей разрушения в условиях управляемого режима нагружения было детально проведено в работах [Томилин, 1994; Томи-лин, 2005]. В данной работе будут приведены некоторые результаты этих экспериментов, которые необходимы для прямого (непосредственного) сравнения с характером разрушения образцов при других условиях деформирования.
Известно, что проникновение жидкости в материал приводит к изменению его физико-механических свойств: изменяются скорость распространения Р-волны, увеличивается объем, меняется электросопротивление, прочность [Scholz,
1973; Соболев, 1993a; Адушкин, 2005; Stanchits, 2003]. Для объяснения этого явления была предложена дилатантно-диффузионная модель [Scholz, 1973]. Согласно модели предполагается, что по мере того, как в трещины проникает вода, там повышается поровое давление, в результате чего происходит увеличение объема породы и пространственной области, насыщенной водой, что приводит к изменению напряженного состояния в материале. Такие изменения могут привести к разрушению всего образца (а на крупномасштабном уровне — к землетрясению). В работе [Адушкин, 2005] показано, что техногенное воздействие, связанное с закачкой или извлечением жидкости из породного массива оказывает значительное влияние на режим сейсмичности. Однако механизм влияния жидкости на прочность недостаточно изучен. В связи с этим, в работе выполнены лабораторные исследования разрушения гранита, насыщенного водой, проведено сравнение характера разрушения сухого и водона-сыщенного образцов, предложены возможные механизмы влияния воды на изменение механических свойств материала.
В массиве горных пород в условиях естественного залегания всегда присутствуют разломы, образованные в результате природной (сейсмической, вулканической и т.д.) или техногенной деятельности. При изменении напряженного состояния массива по этим разломам может произойти сдвиг. По принятой классификации [Shearer, 1999] существует несколько видов сдвига по готовому разлому — это и dip-slip, при котором происходит вертикальный сдвиг, и strike-slip — сдвиг вдоль линии простирания разлома. Многие крупные землетрясения, происходящие в зоне субдукции, развивались по подобному механизму [Ammon et al., 2008]. При модели-
Pax, МПа 600
400 -
200 -
Дисперсное разрушение Локализованное
разрушение
4000
8000
12000 Время, с
Рис. 1. Изменение осевой нагрузки при управляемом режиме нагружения.
0
ровании в лабораторных условиях скольжение по готовому разлому принято называть stick-slip [Соболев, 19936]. В данной работе проведены эксперименты по деформированию образцов, моделирующих stick-slip, которые позволят в дальнейшем сравнить результаты эксперимента с развитием очага землетрясения.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Во всех экспериментах на установке, позволяющей управлять деформацией и давлением воды (подробнее описано в [Ьоекпег, 1992]), подвергали на-гружению цилиндрические образцы гранита Ве-стерли (к = 190.5 мм, й = 76.2 мм). Образцы деформировали в условиях постоянного всестороннего сжатия (давление Рс = 50 ± 0.2 МПа) и одноосного осевого нагружения (Рж). В процессе эксперимента измерялись осевая нагрузка, продольная и поперечная деформации. Наблюдение за трещинообразова-нием проводили с помощью регистрации сигналов акустической эмиссии (АЭ). Известно, что основным источником АЭ в горных породах являются образующиеся трещины [Мячкин, 1974] и существует связь между параметрами трещин и АЭ-сигналов [Куксен-ко, 1982]. Для регистрации сигналов АЭ, генерируемых в процессе нагружения, к образцу крепили систему из шести пьезоэлектрических пьезопреобра-зователей (резонансная частота 0.6 МГц). Точность определения координат гипоцентров источников АЭ составила »3 мм во всем объеме образца, для более чем 104 сигналов. В результате проведения эксперимента была получена база данных, которая представляет собой набор параметров хронологически последовательных сигналов АЭ. Каждый сигнал характеризовался временем излучения, тремя координатами гипоцентра и амплитудой А, приведенной к референс-сфере радиусом Щ= 10 мм.
I. Деформирование образцов в условиях управляемого режима нагружения
Особенность этих экспериментов состоит в том, что изменение осевой нагрузки управлялось параметрами процесса разрушения. Нагрузка изменялась таким образом, чтобы активность АЭ-сигналов с амплитудой выше пороговой не превышала заранее установленного уровня. График изменения нагрузки приведен на рис. 1. В работе [Ьоекпег, 1992] было показано, что такой режим позволил растянуть во времени обычно быстропротекающую очаговую стадию и детально исследовать ее.
На рис. 2 приведены ^-проекции координат гипоцентров источников АЭ (по сути — это пространственное распределение образующихся трещин). Видно, что вначале дефекты образуются диспресно (рис. 2а). Затем наблюдается локализация (рис. 2б), формируется очаг, из которого распространяется макроразрыв (рис. 2в). Необходимо отметить, что такой вид распределений проекций гипоцентров получается при рассмотрении сигналов АЭ достаточно больших амплитуд, т.е. при анализе крупных дефектов [Томилин, 2005].
Подробный анализ развития разрушения в этих экспериментах был проведен ранее в работах [Томилин, 1994; Томилин, 2005]. Было установлено, что в данных экспериментах разрушение происходит по двухстадийному механизму [Крепко, 1996] с образованием, как правило, одной магистральной трещины.
II. Деформирование водонасыщенных образцов
Для исследования роли воды в развитии разрушения такой же образец, как и в предыдущем эксперименте, только полностью насыщенный водой, деформировали в условиях всестороннего сжатия (давление 50 МПа), вода нагнеталась под давлением 1 МПа. Осевая деформация задавалась дискретны-
(а) (б) (в)
Z, мм Д мм Z, мм
160
120 "
80 -
40-
т-г
20 40 60 X, мм
160
120 "
80 -
40"
-|-г
20 40 60 X, мм
160
120 "
80 -
40"
-|-1-г
20 40 60 X, мм
Рис. 2. Проекции координат гипоцентров источников АЭ: (а) — дисперсное разрушение; (б) — локализация разрушения (формирование очага); (в) — распространение макроразрыва.
0
0
0
Рах, МПа 500
400 "
Осевая нагрузка ■ Интенсивность АЭ
300 -
200
100
100 000
200000 Время, с
300000
йЛ/йГ, с
I
-1
80
60
- 40
- 20
400000
Рис. 3. Графики изменения осевой нагрузки и активности АЭ в процессе деформирования водонасыщенного образца.
0
0
ми шагами, при этом измерялась осевая нагрузка [БгапсЫгз, 2003].
Как видно на рис. 3 в момент ступенчатого увеличения нагрузки на образец наблюдали всплески активности АЭ. Представляло интерес проследить картину накопления дефектов в периоды времени, когда деформация и нагрузка оставались практически неизменными. Так же, как и в работе ^апсИ^, 2003] на графике изменения нагрузки (рис. 3) были выбраны два этапа: на I этапе нагрузка составляла — 86% разрушающей, на II этапе — 95%. На рис. 4 по-
казаны Х2-проекции гипоцентров АЭ-сигналов, соответствующие этим временным этапам.
Видно, что на протяжении этих этапов не наблюдалась локализация, образование дефектов происходило дисперсно (хаотично) во всем объеме образца. Подобное пространственное распределение наблюдалось как при анализе АЭ сигналов всех амплитуд, так и при анализе сигналов с амплитудами выше пороговой. Важно, что в этих экспериментах делокализованный характер разру-
(а)
(б)
(в)
Z, мм
160
120 -
80-
40-
Z, мм
160
120-
80-
40-
20 40 60
X, мм
И-г
20 40 60
X, мм
Z, мм
160
120-
80-
40-
п-1-г
20 40 60
X, мм
Рис. 4. Накопление дефектов в водонасыщенном образце: (а) на I этапе деформирования; (б) на II этапе деформирования; (в) после последнего увеличения деформации.
0
0
0
шения наблюдался для любых амплитуд АЭ-сигналов, т.е. для любых размеров дефектов.
Только после последнего скачкообразного увеличения нагрузки в течение »100 с (что составляет 2 х 10-4 от времени жизни образца) наблюдается образование нескольких областей повышенной концентрации дефектов, которые
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.