УДК 550.34.01
ОСОБЕННОСТИ ДИНАМИКИ ФОРМИРОВАНИЯ МАГИСТРАЛЬНОЙ ТРЕЩИНЫ
© 2014 г. Р. А. Лементуева, Н. Я. Бубнова, А. В. Треусов
Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва E-mail: bubnova@ifz.ru Поступила в редакцию 17.01.2013 г.
Проведен анализ результатов ряда экспериментов по изучению динамики развития магистральной трещины. Исследовалось разрушение горных пород при длительном нагружении с применением невзрывной разрушающей смеси (НРС). Модель нагружения позволила приблизить эксперимент к натурным условиям в связи с большой длительностью нагружения (около 2 суток). Показано что отсутствует единый центр разрушения. Вычислены координаты центров излучения акустической эмиссии. Получена зона разрушения, где формируется магистральная трещина. Совместный анализ миграции сильных акустических событий (ACmax) с определением координат и также деформационные наблюдения позволили детально представить кинетику развития очаговой зоны.
Ключевые слова: нагружение, разрушение, акустический сигнал, первое вступление. DOI: 10.7868/S0002333713060094
ВВЕДЕНИЕ
Целью проведенного анализа ряда экспериментов являлось изучение динамики развития магистральной трещины при длительном нагружении образцов горных пород различного минерального состава и структуры.
Одним из направлений изучения формирования разрыва во время землетрясений при моделировании на горных породах является постановка экспериментов на прессе. Экспериментаторы показали возможность анализа структуры сдвиговых трещин по акустическим данным [Виноградов, 1989; de Joussineau, Aydin, 2007]. Исследование формирования очага разрушения в экспериментах на образцах горных пород представлено наиболее полно в работах [Соболев, Пономарев, 2003; Томи-лин, 1994].
Изучение локации акустических сигналов (АС) представлено в работах [Sobolev, Getting, 1987; Mogi, 1968].
В статье Ботвиной [Ботвина, 2011] продолжено изучение механизма развития очага разрушения на моделях из металла и песчаника с использованием автоматизированного комплекса DiSP-4.
В представленной работе сделана попытка проследить процесс разрушения образца с определением координат источников излучения акустических сигналов и привлечением данных локальной тензометрии, чтобы представить кинетику процесса трещинообразования на микроуровне и зону локализации разрушения-возникновение магистральной трещины.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Представленные материалы анализа результатов были получены при деформировании образцов под воздействием медленно возрастающей нагрузки, создаваемой невзрывной разрушающей смесью (НРС). Методика нагружения с применением НРС представлена в работах [Ребецкий и др., 2005; Лементуева, Бубнова, 2009]. Процесс подбора внешних условий нагружения образцов в экспериментах предварялся расчетами напряженного состояния с помощью комплекса UWAY [Ребецкий и др., 2005]. Расчеты показали возможность моделирования процесса разрушения образцов в обстановке, приближенной к процессу разрушения горных пород в природных условиях. Данная методика позволяет создавать продолжительную линейную нагрузку на образец до 15 кг/см2 в час. На рис. 1а представлена схема исследуемого образца и расположение акустических и тензометриче-ских датчиков на его гранях, а также схема устройства для нагружения с применением НРС.
Для исследования акустических сигналов применялся специализированный акустико-эмисси-онный измерительно-вычислительный комплекс Aline 32D фирмы "Интерюнис". В комплект аппаратуры входят программно переключаемые фильтры низких и высоких частот приемных каналов в диапазоне 30—200 кГц. Для регистрации акустических сигналов устанавливались четыре ультразвуковых пьезоэлектрических датчика типа GT300 для приема сигналов по каналам комплекса Aline 32D. При записи акустических сигналов
3
33
(а)
I---1
К2
а
Грань В
Грань С А
© Грань А У К1 Г---1 К2 1----1 1 ^ \ 1 \ — 1 \ / Й4 ^
///////////Л/ У//////////Л
■ 158 мм -
©
5
1500 -
1000
500
-500
-1000
1500
(б)
0336 <М2
ь и-» / »^Л»»/ V
100
200 цкб
0
Рис. 1. (а) — Схема экспериментальной установки и расположение датчиков на образце; К1, К2, КЗ — тензометриче-ские розетки; (11, (12, (13, (14 — акустические датчики; НРС — устройство нагружения; (б) — один из сигналов акустической эмиссии, зарегистрированный датчиком 12.
устанавливался уровень порогового значения сигнала — 40 мкВ. Четыре пьезодатчика были устанавлены на противоположных гранях образца по разные стороны от предполагаемого местоположения магистральной трещины.
В качестве дополнения к акустическим исследованиям проводились деформационные наблюдения с использованием прибора Т-2В, оснащенного специализированными фильтрами НЧ. В комплект аппаратуры входили тензорозетки (каж-
Рис. 2. Кривая СУМ (а); кривая разностей (б) т1—т2, т3—т4.
дая из которых состояла из трех датчиков, закрепленных под углом 45 градусов). Обработка тензо-метрических наблюдений проводилась на основании результатов, представленных ранее [Ребецкий, Лементуева и др., 2005], где в экспериментах при разрушении горных пород различного минерального состава и структуры исследовались закономерности изменения средней главной деформации и максимальной сдвиговой деформации.
В представленной статье для анализа совместно с акустическими наблюдениями использовалось только поведение максимальной сдвиговой деформации Т = (Е1 — Е3), где Е1 и Е3 — главные деформации.
Исследования проводись на образцах из доломита, мрамора и других горных пород. Для анализа представлены результаты эксперимента, полученные при длительном нагружении образца доломита. Эксперимент по нагружению образца до появления магистральной трещины продолжался около суток.
РЕЗУЛЬТАТЫ АКУСТИЧЕСКИХ НАБЛЮДЕНИЙ
При нагружении горных пород возникновение дефектов приводит к появлению акустических сигналов различной амплитуды. Волновая картина одного из акустических сигналов (датчик ё2) представлена на рис. 1б.
Для определения первых вступлений акустических сигналов из полутора тысяч "событий" были выбраны 35, где амплитуда четвертой фазы колебаний в 5 раз превышали сигнал шума. Первые значительные по амплитуде сигналы АС, превышающие заданный порог срабатывания датчиков, зарегистрированы прибором примерно через 5 часов после начала эксперимента.
Построены графики разности первых вступлений волн акустических сигналов т1—т2, т3—т4 (рис. 2б), полученные на соответствующих акустических датчиках (d1 и d2, d3 и d4). График приведен совместно с кривой СУМ (сумма АС за 1 сек), полученной с помощью программно-вычислительного комплекса Aline 32D (рис. 2а).
По разности времен первых вступлений волн акустических сигналов можно определить местоположение источников колебаний, для чего был разработан алгоритм и составлена вычислительная программа.
По своей сути методика аналогична широко используемой в сейсмологии процедуре определения положения эпицентра по данным группы станций, известной как "метод засечек".
Как известно, при обработке сейсмических данных на каждой из регистрирующих станций по разностям времен вступления продольных и поперечных волн определяются эпицентральные расстояния, а затем уже положение эпицентра рассчитывается по методу наименьших квадратов.
Грань С
80 —I—
ЛЕМЕНТУЕВА и др.
" I
F
40 г
60 50 40 30 20 10
Гр. А
j_I_I_L_
х 0 60 70 80 / х, y, z —координатыточек z
Грань А
-Грань В
Рис. 3. Расположение центров излучения АС в порядке их возникновения. X, У, Z — координаты центров излучения.
В представленных нами экспериментах присутствуют только времена вступления продольных волн, поэтому для адекватной оценки эпи-центральных расстояний предлагается дополнительно использовать сведения об известных геометрических размерах образца и точных расстояниях между датчиками.
Два из четырех акустических датчиков расположены на торцевых гранях образца и, зная расстояние между ними, а также зарегистрированные на них времена вступления волны, можно легко определить положение очага на воображаемой линии, их соединяющей. Проще говоря, можно рассчитать масштабирующий коэффициент для перехода от времен вступления излучаемых АСтах для этих двух датчиков к физическим расстояниям внутри образца.
Для оценки эпицентральных расстояний для двух оставшихся датчиков (которые расположены не так симметрично) логично использовать этот же масштабирующий коэффициент.
Таким способом определяются радиусы четырех сфер, которыми необходимо рассечь исследуемый образец для применения "метода засечек".
Заметим, что, рассчитанное, затем, с помощью метода наименьших квадратов положение центра излучения является не окончательным. Аналогичная задача решается для некоторого дискретного набора масштабирующих коэффициентов в окрестности первоначально выбранного, и в качестве окончательного выбирается решение, дающее наименьшую погрешность.
Расчеты по всем отобранным событиям показали, что при размерах образца доломита 158 х 75 х х 50 мм невязка метода наименьших квадратов (т.е. погрешность оценки) при определении положения источника составляла около 3 мм.
С помощью разработанного алгоритма были вычислены координаты всех сильных сигналов акустической эмиссии. Нумерация сигналов соответствует порядку их возникновения. На рис. 3 представлено вычисленное расположение источников излучения акустических сигналов внутри образца.
Четыре первых сильных сигнала АСтах показали смещение центров излучения вниз вблизи грани В (сверху вниз по координате У), а сигнал АС5 оказался несколько выше предыдущих. Акустические сигналы 7, 8, 9 и 11 указывают на перемещение дефектов в сторону грани А. Миграция центров акустических событий от грани В к грани А свидетельствует об изменении напряженно-деформационного состояния образца при нагруже-нии. Сигнал АС10 зарегистрирован вблизи грани В. При нагружении образца, вероятно, происходило накопление дефектов в определенных зонах (в начале у грани В, затем — у грани А). Можно предположить, что центры излучения указывают на формирование кластера. Ширина его по координате Х составила 15—16 мм, а в глубину кластер был ограничен внутренними поверхностями У—
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.