ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2004, № 3, с. 60-63
УДК 550.34.01
ВЛИЯНИЕ ВИБРАЦИЙ ИА ДВИЖЕНИЕ БЕРЕГОВ ЕДИНИЧНОГО РАЗРЫВА В ТВЕРДОМ МАТЕРИАЛЕ
© 2004 г. С. Д. Виноградов
Институт физики Земли им. Г.А. Гамбурцева РАН, г. Москва Поступила в редакцию 24.12.2002 г.
В работе представлены результаты экспериментов на твердых двухмерных моделях единичного сдвигового разрыва. Движение берегов разрыва под действием статической нагрузки было неравномерным, на фоне гладкого скольжения возникали отдельные скачки, сопровождавшиеся излучением акустических импульсов. Эксперименты проводились с вибрационным воздействием и без него. Сопоставление показало, что под воздействием вибрации на разрыв меняется режим возникновения скачков смещения берегов разрыва. Значимо меняется доля скачкообразного движения в величине полного смещения берегов разрыва.
Связь строения и физико-механических свойств среды с характеристиками распространяющихся упругих волн давно стала использоваться в сейсмологии и сейсморазведке. Воздействие же упругих волн на среду было замечено и стало использоваться позже. Сначала влияние вибраций стало использоваться в технике при забивке свай, для получения однородных смесей и т.д. Было замечено явление разжижения грунтов при сильных землетрясениях.
В 70-х годах началось использование вибраций для воздействия на нефтяные залежи [Сургучев и др., 1975; Гадиев, 1977; Барабанов и др., 1987; Николаев, 1993]. В этом случае использовались более слабые вибрации, их амплитуда была существенно меньше тех, которые использовались в технике.
В работах Таджикского Института сейсмологии и сейсмостойкого строительства была найдена связь сейсмичности в районе Нурекской ГЭС с величиной вибраций, производимых гидроэлектростанцией [Мирзоев и др., 1991]. В лабораторных экспериментах с образцами горных пород было получено, что вибрационное воздействие оказывает влияние на свойства материала образца и на выделение акустической эмиссии при его деформации и разрушении [Стрижков и др., 1989; Шамина и др., 1990; Мирзоев, Виноградов и др., 1991; Соболев и др., 1997]. Во всех указанных исследованиях регистрировался интегральный эффект, однозначного физического объяснения дано не было.
Физико-механические свойства среды во многом определяются ее неоднородностью. Одним из наиболее сильных видов неоднородности являются трещины. Поэтому естественный интерес представляет экспериментальное изучение влияния вибраций на отдельную трещину, находящуюся в
напряженной среде. Такие эксперименты были сделаны на моделях из мягкого фотоупругого материала [Виноградов и др., 2002]. Результаты экспериментов носили качественный характер, был установлен факт наличия вибрационного воздействия на движение берегов разрыва. В настоящей работе представляются результаты экспериментов, проведенных на моделях из твердого материала, что позволило подойти к влиянию вибрации на сейсмогенный разрыв.
Методика, техника эксперимента. В опытах использовалась модель с подготовленным сдвиговым разрывом. Одним из преимуществ такой модели является возможность многократного ее использования при хорошей повторяемости результатов эксперимента. Модель изготавливалась следующим образом. Две пластинки из плексигласа толщиной 3 мм размерами 30 х 80 мм с хорошо обработанными краями складывались длинными торцами и склеивались на концах. Получалась пластинка размером 60 х 80 мм с разрывом в середине, при этом на концах разрыва не имелось каких-либо особенностей. Полученную пластинку вклеивали в середину листа плексигласа такой же толщины, но больших размеров. К середине разрыва под углом 45° к нему прикладывалась сжимающая нагрузка. Для этого по обе стороны разрыва против его середины сверлили два отверстия, в которые плотно вставлялись металлические стержни, к которым и прикладывалась нагрузка. При увеличении нагрузки берега разрыва начинали проскальзывать друг относительно друга с отдельными скачками, при которых происходило излучение упругих волн.
Приложение нагрузки в середине разрыва создавало неравномерность распределения напряжений вдоль разрыва с максимумом в его средней части. Однако из-за малой толщины листа при-
ВЛИЯНИЕ ВИБРАЦИИ
61
3
л
а
Рис. 1. Схема модели: 1 - модель, 2 - вклейка с разрывом, 3 - вибратор. Черные кружки - стержни, стрелками обозначена нагрузка.
Рис. 2. Датчик смещений. Внизу - схема его установки на разрыве. 1 - тензорезисторы, 2 - иглы для установки датчика.
2
кладывать нагрузку к его периферии для создания равномерного распределения напряжений по разрыву было невозможно из-за неизбежных из-гибных деформаций листа. Приложение нагрузки к середине разрыва обусловливало и то обстоятельство, что движение его берегов также начиналось в средней части, и в этой же области были максимальные смещения. Схема модели представлена на рис. 1.
Для регистрации смещений берегов разрыва был изготовлен датчик смещений. Он имел форму скобы из полоски бронзовой фольги толщиной 0.4 мм, шириной 6 мм. На обеих сторонах скобы были наклеены тензодатчики сопротивления, которые включались в мостовую схему. К концам скобы припаивались две иглы, с помощью которых осуществлялась установка датчика в средней части разрыва. Иглы закреплялись на противоположных берегах разрыва в непосредственной близости от него. Схема датчика и его установки представлены на рис. 2.
Тракт регистрации смещений состоял из датчика, мостовой схемы, усилителя и самописца. Тарировка датчика смещений производилась с помощью микрометра. Одна игла датчика закреплялась на неподвижной части микрометра, другая соединялась с подвижным винтом. Собирался весь регистрирующий тракт. Смещение задавалось микрометром ступенями через 0.05 мм и регистрировалось на самописце. Было установлено, что 1 мм на записи соответствовал 16 мкм смещения игл датчика. Из схемы установки датчика, показанной на рис. 2, видно, что величина смещения берегов разрыва связана с величиной смещения игл датчика через cos а - угла между разрывом и линией установки датчика. Но поскольку угол а не превышал 15°, то cos а > 0.97, и пренебре-
жение углом при определении смещения по записям самописца вносило ошибку в пределах 3%.
Датчик нагрузки представлял собой стальную скобу, на которую были наклеены тензодатчики сопротивления, включавшиеся в мостовую схему. Для тарировки тракта регистрации нагрузки использовался рычаг, на конец которого подвешивались грузы известной величины. Тарировка показала, что 1 мм записи соответствовал нагрузке 21.0 ± 1.0 Н. Схемы датчика нагрузки и его тарировки показаны на рис. 3.
Эксперимент проводился следующим образом. Модель с установленным датчиком смещений помещалась в нагрузочное устройство, собирался весь тракт регистрации смещений. Нагрузка на разрыве постепенно увеличивалась, непрерывно велась регистрация смещений. Максимальная величина нагрузки была такой, чтобы после разгрузки модель приходила в первоначальное состоя-
P
7777777777777777777777
Рис. 3. Датчик нагрузки. Внизу - схема его тарировки. 1, 2, 3, 4 - тензорезисторы.
62
ВИНОГРАДОВ
0 10 20 30 40 50 60 70 с
Рис. 4. Примеры записей смещения, полученные в опытах. Под каждой кривой - шкала времени в секундах. Верхняя кривая - модель М1 без вибрации, нижняя -модель М1 с вибрационным воздействием.
ние. Проводилось две серии опытов по 12 циклов нагружение-разгрузка. Одна серия без вибрационного воздействия, другая - с вибрацией. Для оценки величины нагрузки в мостовую схему включался датчик нагрузки.
В качестве вибратора использовалась катушка от реле РЭС-22, на которую подавался сигнал от импульсного генератора частотой 10 Гц. Катушка устанавливалась на плоскости модели. В модели от катушки распространялись упругие импульсы частотой следования 10 Гц. Импульсы представляли собой затухающую синусоиду частотой 5 кГц, состоящую из 5-6 периодов с максимальной амплитудой в начальной части импульса. Величина максимальной амплитуды была определена с помощью стандартного акселерометра КВ-10, чувствительность которого на частоте 5 кГц составляла 1 мВ при ускорении 1 мс-2. Максимальная амплитуда ускорения оказалась равной 150 мс-2. В этом случае расчет смещения при частоте 5 кГц дает величину 6 мкм. Учитывая длину волны на этой частоте, получаем деформацию в вибрационной волне, равную 10-5. Средняя величина максимальной статической нагрузки в цикле равнялась 320 ± 25 Н, отсюда деформация в центральной области разрыва была около 10-2. Таким образом, деформация в
Средние величины по 12 циклам в опытах на моделях М1 и М2
Величины Модель М1 Модель М2
Без вибрации С вибрацией Без вибрации С вибрацией
N 13 ± 2 8 ± 1 13 ± 1 7 ± 1
А, мкм 12 ± 1 9 ± 1 13 ± 2 13 ± 1
ЕА, мкм 154 ± 21 75 ± 6 167 ± 18 91 ± 14
Е, мкм 308 ± 31 222 ± 24 258 ± 46 259 ± 37
ЕА/Е 0.51 ± 0.06 0.34 ± 0.04 0.66 ± 0.07 0.35 ± 0.04
вибрационной волне была на три порядка меньше деформации при нагружении модели.
При обработке записей, получаемых в экспериментах, определялись величины полного смещения берегов разрыва, а также величины скачков смещения, возникающих при нагрузке модели. Примеры записей, получаемых в опытах, показаны на рис. 4.
Эксперимент, результаты. Для проведения экспериментов были изготовлены две одинаковые модели М1 и М2. На каждой из них было сделано по 12 циклов нагружения без вибрации и 12 циклов с вибрационным воздействием. По записям смещения берегов разрыва измерялись величины полного смещения и амплитуды каждого из скачков, происходивших в процессе нагрузки. Для каждой величины находилось среднее по 12 циклам, а также величина разброса. Основной характеристикой, по которой оценивалось влияние вибрации, было выбрано отношение суммы амплитуд скачков смещения в цикле к полному смещению. Все средние величины по 12 циклам нагружения без вибрации и с вибрацией для каждой модели приведены в таблице. Величины смещения указаны в микронах. В таблице использованы обозначения: N - число скачков в цикле, А - амплитуда скачка, ЕА - суммарное скачкообразное смещение в цикле, Е - полное смещение в цикле.
Рассмотрение таблицы показывает, что при воздействии вибрации значимо уменьшаетс
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.