Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цели и задачи исследования... 11
1.1. Физические методы измерений, используемые для диагностики и контроля напряженного состояния грунтов и горных пород 11
1.2. Прикладные методы анализа экспериментальных зависимостей 19
1.2.1. Общие сведения 19
1.2.2. Детерминистский анализ 20
1.2.3. Спектрально-корреляционный анализ 22
1.2.4. Способы «фильтрации» сигналов, основанные на Фурье-анализе, используемые в геофизической практике 24
1.2.5. Вейвлет-анализ 27
1.3. Выводы по первой главе 32
2. ИК-Радиометрический метод диагностики изменений напряженного состояния геоматериалов 34
2.1. Тепловые преобразователи, используемые в физических измерениях 34
2.2. Теоретические основы метода ИК-радиометрической диагностики материалов 35
2.3. Аппаратура, применяемая для регистрации изменений интенсивности ИК-излучения 38
2.4. Выводы по второй главе 41
3. Экспериментальные исследования нестационарных изменений напряженного состояния горных пород методом ик-радиометрии 43
3.1. Предварительные замечания 43
3.2. Измерения и анализ вариаций интенсивности инфракрасного излучения с поверхности образца горной породы при квазипериодических нестационарных режимах нагружения 44
3.3. Измерения и анализ вариаций интенсивности инфракрасного излучения с поверхности образца горной породы при ударных режимах нагружения 59
3.4. Выводы по третьей главе 65
4. Экспериментальное обоснование возможности использования инфракрасной радиометрии для фиксации и диагностики быстропротекающих механических процессов в массивах грунтов и горных пород 66
4.1. Экспериментальные исследования методом ИК-радиометрии изменений напряжений на поверхности забоя скважины в модели грунтового массива 66
4.2. Фиксация изменений «быстропротекающих» изменений напряженного состояния «крупномасштабного» образца, моделирующего массив горной породы 74
4.3. Анализ возможности использования ИК-радиометрии для оценок характерных параметров динамических механических процессов в натурных условиях 77
4.3. Выводы по четвертой главе 79
Заключение 81
Благодарности 83
Список литературы 84
- Прикладные методы анализа экспериментальных зависимостей
- Теоретические основы метода ИК-радиометрической диагностики материалов
- Измерения и анализ вариаций интенсивности инфракрасного излучения с поверхности образца горной породы при квазипериодических нестационарных режимах нагружения
- Фиксация изменений «быстропротекающих» изменений напряженного состояния «крупномасштабного» образца, моделирующего массив горной породы
Введение к работе
Актуальность работы
Изучение механических последствий нестационарных во времени воздействий на геологическую среду, обусловленных как природными, так и техногенными процессами, во многом предопределяющее эффективность систем мониторинга состояния и обеспечения безопасности взаимодействующих с этой средой объектов, является одним из приоритетных направлений в современной прикладной геомеханике и горной геофизике. В связи с этим представляется практически важной разработка систем сбора и обработки данных, характеризующих изменения состояния геоматериалов во времени. В настоящее время предложен и внедрен на практике целый ряд методик, основанных на использовании различных физических эффектов, проявляющихся при изменениях напряженного состояния геоматериалов, что позволяет фиксировать такие изменения и получать информацию об их интенсивности и длительности.
Вместе с тем, характерной особенностью применяемых на практике методик «физического» геомониторинга является сложность и неоднозначность физических моделей, связывающих вариации определяемых механических величин и непосредственных результатов измерений. Далее, для большинства указанных методик характерен контактный способ проведения измерений, существенным недостатком которого является нарушение сплошности исследуемого объекта при внедрении в него чувствительного элемента, а также зависимость результатов таких измерений от качества установки датчиков.
Одним из способов физических измерений, позволяющих преодолеть обозначенные трудности, является разрабатываемый метод оценки упругих изменений напряженного состояния объемов грунтов и горных пород по регистрируемым данным о вариациях интенсивности инфракрасного (ИК-) излучения с их поверхности. Метод основан на общепризнанных теоретических соотношениях, а возможность выполнения бесконтактных измерений дает ИК-радиометрии особые преимущества в таких условиях, как, например, в призабойных зонах глубоких скважин, или в грунтах, представляющих собой наиболее сложный тип геоматериалов с точки зрения экспериментальной оценки изменений напряженного состояния.
Таким образом, развитие метода ИК-радиометрических измерений применительно к идентификации процессов упругого, допредельного деформирования геоматериалов, происходящих в реальных условиях при нестационарных во времени воздействиях, представляется своевременным и актуальным.
Значительный объем исследований, результаты которых представлены в настоящей диссертационной работе, был выполнен при поддержке РФФИ (код проекта № 03-05-64447).
Целью работы является разработка методики идентификации изменений напряжений в массивах грунтов, горных пород и строительных конструкциях по измерениям интенсивности теплового потока с их поверхности при различных режимах нагружения, в частности, при ударных и «квазипериодических» воздействиях, и установление границ применимости этой методики.
Методы исследований
В диссертационной работе использованы общепризнанные соотношения термоупругости и технической термодинамики, методы физико-механических лабораторных испытаний, методы прикладной теории случайных процессов и специальные способы цифровой обработки экспериментальных зависимостей сложной структуры.
Задачи исследования:
- обоснование возможности применения ИК-радиометрических измерений для контроля быстропротекающих механических процессов в массивах грунтов и горных пород и тестирование выполнения основных физических предпосылок в условиях экспериментов;
- разработка методики и техники ИК-диагностики изменений напряженного состояния геоматериалов в лабораторных экспериментах при режимах нагружения и схемах измерений, моделирующих натурные условия;
- разработка методики интерпретации данных ИК-радиометрических измерений;
- анализ влияния параметров измерительной системы и условий проведения измерений на эффективность оценки характеристик наблюдаемых процессов.
На защиту выносятся следующие основные научные положения:
- полученные на основе теоретического анализа функциональные зависимости, связывающие изменения интенсивности теплового излучения с поверхности геоматериалов с непрерывными во времени вариациями первого инварианта их напряжений;
- экспериментальное обоснование возможности диагностирования протекающих в геоматериалах динамических процессов по записям изменений во времени интенсивности теплового излучения с их поверхности;
- алгоритмы обработки и интерпретации экспериментальных данных ИК-радиометрических измерений, позволяющие получать качественные и количественные оценки изменений напряженного состояния исследуемых образцов геоматериалов во времени;
- оценка границ частотного диапазона динамических процессов, протекающих в геоматериалах, для идентификации которых эффективны ИК-радиометрические измерения.
Достоверность и обоснованность научных положений подтверждаются:
- использованием соотношений между параметрами адиабатического деформирования геоматериалов и мощностью сопровождающего этот процесс ИК-излучения, основанных на фундаментальных законах термоупругости и термодинамики излучения;
- использованием методов прикладной теории случайных процессов и методов обработки временных рядов данных, уже апробированных в геофизических исследованиях;
- удовлетворительной сходимостью результатов оценки нестационарных изменений во времени напряженного состояния исследовавшихся образцов, полученных по данным ИК-радиометрических измерений, с соответствующими оценками, полученными на основе стандартных электротензометрических измерений.
Научная новизна результатов исследований:
- разработана методика количественной оценки нестационарных изменений напряженного состояния объемов грунтов и горных пород по данным бесконтактных измерений вариаций инфракрасного излучения с их поверхности;
- для обоснования применимости разработанной методики проведены серии лабораторных экспериментов по регистрации интенсивности инфракрасного излучения с поверхности образцов грунтов и горных пород при различных видах динамических нагружений;
- выполнены пробные эксперименты на крупномасштабных образцах (стендах) с имитацией условий выполнения натурных измерений;
- с учетом анализа физических предпосылок предложенной методики и параметров используемой приемно-измерительной аппаратуры определены границы применимости использования ИК-радиометрии в лабораторных условиях и in-situ;
- применена техника вейвлет-анализа для решения задачи выделения полезной составляющей в записях вариаций интенсивности инфракрасного излучения с поверхности образцов мрамора при существенно нестационарном изменении их напряженного состояния.
Практическое значение работы
Границы применимости предлагаемой методики обосновывают возможности ее использования для фиксации и диагностики динамических механических процессов в массивах геоматериалов и строительных конструкциях, имеющих характерные частоты, лежащие в диапазоне 0,5..5 Гц; как известно указанный частотный диапазон является наиболее опасным для подвергаемых сейсмическим и другим динамическим воздействиям крупномасштабным объектам (сооружения, плотины, насыпи и т.п.).
Реализованные в данной диссертационной работе подходы к обработке экспериментальных временных рядов могут быть рекомендованы для анализа реальных геомеханических данных сложной структуры, например, в системах обработки данных мониторинга состояния геотехнических объектов.
Реализация результатов работы
Результаты данной диссертационной работы указывают на правомерность использования ИК-радиометрических измерений в качестве эффективного инструмента в системах геофизического и геотехнического мониторинга для исследования изменений напряженного состояния массивов горных пород при техногенных и природных воздействиях.
Результаты исследований были использованы НИИОСП им. Герсеванова при составлении научно-технического отчета по проекту № КЗ-5-1/2001 «Разработка научных основ подземного строительства в городах с обеспечением сохранности окружающей застройки и стабильности инженерно-геологических условий».
Апробация
Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на IV и V Всероссийских научно-технических конференциях «Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях» (Бийск, 2003, 2004 г.), научном симпозиуме «Неделя горняка - 2005» (МГГУ, 2005 г.); Международной научно-практической конференции «Инженерная геофизика - 2005» (Геленджик, 2005 г.); семинарах кафедры физики МГГУ (2003-2005 г.).
Прикладные методы анализа экспериментальных зависимостей
В теории обработки сигналов существует два основных подхода к анализируемым записям [54,58,68,84]. Первый предполагает их детерминированными, т.е. известными заранее и точно предсказуемыми для любого момента времени. Второй основан на представлении о случайных сигналах, которые можно описать лишь некоторыми осредненными характеристиками (математическое ожидание, дисперсия, корреляционные функции). Выбор одного из этих подходов определяется характером задачи. Известно, что практически любой сигнал s(t) может быть представлен как сумма элементарных колебаний т}(7), умноженных на соответствующим образом подобранные коэффициенты с,. Система функций rt{t) носит название базисной системы, а представление сигнала в виде (1.2.1.1) называют разложением сигнала по сумме базисных функций. Совокупность значений с. называется спектром сигнала в выбранной системе базисных функций. Выбор системы базисных функций для спектрального представления сигналов определяется как объемом априорных знаний об анализируемом сигнале (наличии в нем периодичности, гармоничности и т. д.), так и удобствами практической реализации необходимых вычислений. Ниже приводится описание основных приемов анализа и преобразования сигналов для выделения их полезных составляющих на фоне помех и шумов. Для спектрального анализа детерминированных сигналов чаще всего используют различные системы тригонометрических базисных функций, и среди них важнейшее место занимает система, основанная на разложении сигнала в ряд Фурье [11,25,47,49,57]. Ряд Фурье для периодического сигнала s(t) имеет вид [47,49,57]: где ak, bk - коэффициенты -той гармоники при гармонических составляющих, а0 - постоянная составляющая спектра. Эти коэффициенты образуют действительный спектр сигнала и определяются следующими соотношениями [47,49,57]: Здесь f0= частота первой гармоники, T - период гармоники, к - номер гармоники. Амплитуда Ак и фаза срк А:-той составляющей вычисляются по формулам [47,49,57]: Ряд Фурье может быть записан в комплексной форме, частота kf0 здесь меняется от —оо до +оо [47,49,57]: В случае непериодического сигнала вместо дискретного (линейчатого) спектр становится сплошным, а вместо ряда Фурье рассматривается интеграл Фурье. Огибающую дискретных спектров функцию S(f) называют спектральной плотностью функции s(t). Рассмотрим случай, когда непрерывная функция времени s(t) задана только своими значениями в дискретных эквидистантных по / точках.
Обозначим значения функции в этих точках s09sI,...,sN_I. Время t здесь будет определяться как t—г d , где d - шаг дискретизации и г - целое число (г=0,1, ...,N-1). Учитывая, что Эту формулу можно рассматривать как дискретный эквивалент соотношений (1.2.2.2) для расчета коэффициентов ряда Фурье (1.2.2.1)(47,49,57]. Для случайных сигналов s(t) конкретный спектр будет зависеть от конкретной реализации. Поэтому для оценки спектральных характеристик случайных сигналов пользуются энергетическим спектром S(f), вычисляемым с помощью действительного преобразования Фурье из автокорреляционной функции К(т): Авто- и взаимно-корреляционная функции играют центральную роль в изучении временных рядов вообще и в геофизических исследованиях в частности. Взаимно-корреляционные функции используются обычно для количественной оценки подобия между двумя временными рядами как функции временного сдвига т между ними. Автокорреляционная функция - то просто частный случай взаимно-корреляционной. Она измеряет степень подобия между временным рядом и его сдвинутой по времени копией как функцию от величины этого сдвига. Для определения подобия временных рядов конечной длительности пользуются выборочными корреляционными функциями. Пусть имеются две временные последовательности xt и Уі длиною по N отсчетов. Тогда дискретная автокорреляция Кх последовательности х. определяется выражением
Теоретические основы метода ИК-радиометрической диагностики материалов
Известно (Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. [44], Гольденблат И.И. [22]), что приращение первого инварианта тензора напряжений АП при отсутствии теплоообмена вызывает приращение температуры в точке среды АГ = АтТ0ЛП, где Т0 — абсолютное значение температура до начала деформирования; Am = al рСр\ a — коэффициент линейного расширения, Ср —удельная теплоемкость при постоянном давлении; р— плотность материала. При таком режиме деформирования вариации температуры bT(t) во времени t подобны (с коэффициентом подобия АтТ0, где Ат имеет размерность [1 / Па]) функции bIT(t): Возможность получения информации о 677(7) по измерениям bT(t) представляется очевидной, однако ее реализация для геоматериалов затруднена тем, что значения 8T(t) имеют порядок 0,001 К. Например, используя для мрамора ориентировочные значения [60,75] a = 2700 кг/мЗ, получаем Ат -2,7x10"1 Па". Тогда при адиабатическом изменении осевого напряжения в образце мрамора на 5 МПа, т.е. примерно на 10 % от его прочности на сжатие [60], 17Ю,004 К. Если же ориентироваться на изменения упругих напряжений при природных волновых процессах в массивах, то здесь АТ- О К и менее [102], и обеспечить соответствующую точность измерений достаточно сложно. Кроме того, условия реальных геомеханических и геофизических экспериментов не позволяют использовать стандартные методы температурных измерений, особенно при измерениях в грунтах [77]. Один из возможных путей преодоления этих трудностей - разработка инфракрасной (ИК-) техники измерений малых вариаций температуры. В основе указанной техники измерений лежит известная зависимость мощности инфракрасного (ИК) излучения с поверхности тела от ее температуры W(T) = sT(uT (єг 1 — коэффициент излучательной способности, со - постоянная Стефана — Больцмана) [38,93]. Коэффициент излучательной способности является безразмерным и характеризует долю суммарного по спектру излучения данного материала от излучения абсолютно черного тела при той же температуре. Коэффициент излучательной способности зависит от вида материала, температуры, состояния излучающей поверхности и др.
Сведения о характере этих зависимостей, а также значения коэффициента для многих материалов приведены в соответствующей литературе, например [38]. Преобразовав W(T{t)) в зависимость bW(t) = W(T(t))-W(T0), линеаризуя соответствующие T(t) вариации bW(t) с учетом малости ЬТ(і)/Т0, и обозначая Ас =4ет пТ0, получим т.е. 3W(t) и ЗП(і) подобны с коэффициентом Ас (Вт / м2). Вследствие теплообмена при неадиабатическом режиме деформирования и постоянстве Т0 вместо (2.2.1) имеем для вариаций температуры 5Г(0 уравнение: где bhT(t) = bh(T(t)Q) - изменение температуры, необходимое для восстановления теплового равновесия, нарушенного деформированием. Из (2.2.2) и (2.2.3) следует: Предполагая пропорциональность вариаций результатов ИК-измерений, выполняемых без аппаратурных погрешностей, bUe(t) вариациям bW(t) с коэффициентом Аг (1/Втхм"2), зависящим от параметров аппаратуры, и используя (2.2.3) и (2.2.4), получаем для функции bU(t), описывающей результаты ИК-измерений при отсутствии внешних тепловых воздействий, В соотношениях (2.2.5) bUa(t) и bUh(t) - слагаемые bUe(t), соответствующие слагаемым bT(t) и bhT(t) (2.2.3), коэффициент А с размерностью В / Па записывается в виде A = AmAcAr, а слагаемое s(t) отражает наличие аппаратурных шумов в функции 3U(t), описывающей результаты ИК-измерений при отсутствии внешних тепловых воздействий. Вид функции bhT(t) в конкретных условиях можно определить, решая соответствующее уравнение теории теплообмена [30,46]. Однако, на первом этапе использования методики целесообразно оценить, можно ли в определенных условиях не учитывать эту функцию и ограничиться анализом данных измерений в рамках "квазиадиабатичности", когда пересчет экспериментальных записей bU(t) в функцию &77(Y) оказывается вполне простым и однозначным. Очевидно предположить, что деформирование будет "квазиадиабатическим", если скорость изменения во времени температуры за счет деформаций значительно превышает скорость ее изменений за счет теплообмена. Так, для «импульсных» режимов нагружения и разгрузки образцов горных пород и грунтов, при которых нагрузка изменяется в течение 0,2-0,3 сек., это предположение обосновано в [87,88,102], где показано, что такие изменения нагрузки действительно вызывают пропорциональные изменения мощности ИК-излучения поверхности образца. При возрастании уровней воздействий, когда деформации геоматериалов выходят за пределы упругости, внутри деформируемого тела начинают развиваться нелинейные процессы, в условиях которых вариации температуры и, соответственно, интенсивности ИК-излучения окажутся более значимыми. Однако, для диагностики поведения геоматериалов в этих условиях необходима разработка соответствующих физических моделей, позволяющих однозначно идентифицировать по изменениям ИК-излучения изменения параметров соответствующих нелинейных механических процессов. В диссертации не ставится задача изучения уже существующих крупных механических нарушений в массиве или уже интенсивно развивающихся механических процессов, хотя и в таких исследованиях могут быть использованы получаемые результаты и разрабатываемые методики. В развиваемом подходе имеется в виду обнаружение таких опасных процессов на ранних, "допредельных", стадиях их развития.
Измерения и анализ вариаций интенсивности инфракрасного излучения с поверхности образца горной породы при квазипериодических нестационарных режимах нагружения
Особенность проводившихся экспериментов для обоснования эффективности методики в достаточно широком диапазоне режимов изменения нагрузки во времени состоит в том, что в них вариации напряжений идентифицируются не только по измерениям мощности ИК-излучения, но и непосредственно по записям показаний стандартных электромеханических датчиков [37,63,78]. В работах [87,88,102] с помощью такой измерительной системы получались синхронизированные записи импульсных изменений во времени нагрузки на образцы геоматериалов и соответствующих вариаций интенсивности ИК-потока с их поверхности. Режим изменения нагрузки во времени, представляющий из себя последовательность интервалов ее постоянства, разделенных «мгновенными» скачками, реализовался на ручном прессе. Совместная обработка сигналов радиометра и тензодатчиков показала, что по данным терморадиационных измерений можно четко фиксировать моменты импульсных изменений напряжений в грунтах и оценивать их относительные величины. Зависимости от времени значений напряжений в массиве имеют в большинстве реальных ситуаций более сложный вид, чем последовательность «скачков», рассматривавшаяся на предыдущих стадиях разработки методики [87,88,102]. Функциональные зависимости (2.2.1)-(2.2.5) между dU{f) и SI7(t), в отличие от конечных соотношений между мгновенными приращениями AU и ЛП, в принципе позволяют поставить задачу идентификации непрерывных изменений напряженного состояния геоматериалов во времени по данным терморадиационных измерений. В настоящей главе описаны методика и результаты опытов, в которых в которых образцы горных пород подвергались квазипериодическим и ударным воздействиям. Необходимо отметить, что выполнение методических экспериментов на образцах горных пород - принятая процедура обоснования и отладки методов геофизических наблюдений [41,43,61 и др.]. 3.2. Измерения и анализ вариаций интенсивности инфракрасного излучения с поверхности образиа горной породы при квазипериодических нестационарных режимах нагружения. В рассматриваемых опытах напряженное состояние образца -одноосное, т.е. П = о , где a - осевое напряжение. Схема устройства для нагружения образца и расположение измерительных датчиков показаны на рис. 3.2.1. нижней неподвижной (2) и верхней подвижной (3) жесткими пластинками нагрузочного устройства, сконструированного на основе стенда для испытаний грунтов. Пластинка (2) опирается на поверхность (4) стенда. Нагрузка на пластинку (3) передается через центрирующую шариковую опору (5) от верхней перекладины траверсы (6). К нижней перекладине траверсы прикреплен трос (7), нижний конец которого закреплен на рычажной штанге (8) в точке (9). Расстояние от точки (9) до неподвижной оси (10) рычага Ц=3см, а расстояние от оси (10) до точки (11) подвешивания на штанге (8) стержня (12) с грузом (13) - 1_2=41см, т.е. коэффициент передачи усилия рычажным механизмом 1_2Л-=13,7. Вес груза (13) в разных опытах составлял от 150 до 300 Н.
Изменения вертикального усилия в точке (11) обеспечиваются колебаниями «физического маятника» (груз (13) на конце «нити» (12)) близи вертикального положения равновесия. Указанное усилие преобразуется, через рычаг (8), трос (7) и траверсу (6), в сжимающее усилие, приложенного к образцу. Колебания инициируются начальным отклонением стержня (12) от вертикальной оси. Амплитуда усилия «управляется» изменением веса груза и начального отклонения «маятника». Варьируя положение груза (13) на стержне (12), можно менять основной период колебаний маятника и, тем самым, период изменений нагрузки во времени. Длина маятника (расстояние от точки (11) до центра тяжести груза) в большинстве опытов составляет L «0,55м, соответственно [74] период колебаний T=2K(L/9,8)0 5 = 1,5 сек. Тем самым тестирование методики оказывается выполненным в том диапазоне значений характерного периода (Г « 0,2...2 сек.), который, как известно [17,92], наиболее опасен для сооружений, подвергаемых сейсмическим и другим динамическим воздействиям. Датчик ИК-излучения (14) с приемным окном (15) устанавливался примерно в середине высоты образца на расстоянии (1..1,5)см от его поверхности. Для упомянутых выше измерений вариаций напряжений в образце на его вертикальных гранях наклеены тензорезисторы (16) (по одному активному и одному компенсационному). Кроме того, в некоторых опытах между пластинкой (2), на которую опирается образец, и плитой (4) установливался дополнительный тензометрический элемент конструкции ЦНИИСК (месдоза) (17) для контрольного измерения изменений приложенного к образцу усилия.
Месдоза ЦНИИСК с гидравлическим преобразователем выполнена в виде плоского диска диаметром 35 мм и высотой 10 мм. В корпус мессдозы встроен гидравлический преобразователь, воспринимающий давление жидкости и преобразующий его в электрический сигнал при помощи измерительной мембраны с наклеенными на нее тензорезисторами. ИК-сигнал с поверхности образца попадает на приемное окно радиометра, скомпонованного в общий блок с предварительным усилителем, имеющим фиксированный коэффициент усиления (102 или 104). Усиленный сигнал по кабелю (18) поступает на внешний усилитель с переменным коэффициентом усиления до 103 и с частотным фильтром, а затем - на первый канал АЦП, где происходит его преобразование в цифровую форму. Результирующие значения Vw(tk)(B) передаются в компьютер в моменты tk=kAt, где k = 0...N -1, At - заданный шаг по времени, N = Lt I At, Lt продолжительность опыта. Электрические сигналы с тензодатчиков и с мессдозы, вариации которых пропорциональны соответственно вариациям осевых деформаций образца и нагрузки, передаются по кабелям (19) и (20) в соответствующие дифференциальные усилители и затем поступают на синхронные детекторы. Далее сигналы поступают соответственно на второй и третий каналы АЦП. Преобразованные и усиленные значения (В) сигналов с тензодатчиков Vs(tk) и с мессдозы Vm(tk)также передаются в компьютер. Шаг измерений At в рассматриваемых экспериментах после нескольких пробных опытов в большинстве записей принят равным 0,1 сек. Такой же принималась величина Ct интервала осреднения при фильтрации сигналов, поступающих на каналы АЦП. Значения коэффициентов усиления ( =1( -107 для ИК-сигнала и &ж=101-104 и &а/й=101-104 - соответственно для сигналов с тензодатчиков и с мессдозы), а также стационарные уровни сигналов Vw и Vs , Vm, подбирались так, чтобы сделать удобным графическое представление записей в одном масштабе в пределах ± 2,5 В. Благодаря этому во время опыта эволюция функций Vw(t), Vs(t) и Vmif) прослеживается на экране монитора. Сохраняемый после каждого опыта файл, куда записаны значения Vw(tk), Vs(tk) и Vm{tk) (В), представляет собой последовательность чисел, в которой на номерах /-0..29 занесена информация об опыте и параметрах измерительной системы, а затем при / 10, k=j-10 0) на позициях с номерами (i=3j=3(k+10)) записаны значения Vw(tk), с номерами (i=3j+1) - Vs(tk) и с номерами (i=3j+2) - Vm(tk). Для тех опытов, где выполнялся только один вид тензометрических измерений, значения Vw(tk) оказываются при /с { 15 на четных номерах последовательности (i=2k), a Vs(tk) или Vm(tk)- на нечетных {і=2к+1).
Фиксация изменений «быстропротекающих» изменений напряженного состояния «крупномасштабного» образца, моделирующего массив горной породы
Для проведения ИК-радиометрических измерений для фиксации изменений напряжений в «крупномасштабных» (объемом порядка 0,6 м3) образцах горных пород, подвергаемых ударным воздействиям, был собран лабораторный стенд (рис. 4.2.1), основной элемент которого - бетонный цилиндр (1) со стальной опалубкой, имеющий внутренний диаметр 80 см и высоту 120 см. На расстоянии 25 см от центральной оси цилиндра пробурена «скважина» диаметром 10 см и глубиной 40 см, в которую помещается ИК-радиометр (3). В описываемых экспериментах на объеме «горной породы» моделируется прохождение ударного волнового воздействия в зоне массива, когда искусственно вызванные изменения напряжений затухают в течение короткого отрезка времени. При этом приложение внешней ударной нагрузки вызывает изменения напряженного состояния горной породы, как во всем объеме, так и в окрестности «скважины» и на поверхности ее забоя. Генерация кратковременного волнового импульса в «массиве» обеспечивалась «мгновенным» воздействием в точке (7), инициированного ударом груза, подвешенного на маятниковом устройстве (2). В экспериментах изменения напряженного состояния горной породы на забое «скважины» регистрировались с помощью ИК-радиометра, который свободно подвешивается по оси «скважины» так, что его первичный преобразователь располагается на высоте 1..6 см от забоя. Выше отмечалось, что основными факторами, снижающими эффективность результатов ИК-радиометрических измерений, является наличие теплообмена с окружающей средой, а также присутствие аппаратурных шумов в регистрируемых сигналах. Однако, поскольку при увеличении характерного размера области скорость теплообмена падает [102], то при наблюдениях на образцах больших размеров или, тем более, в забое скважины в массиве, предположение о «квазиадиабатичности» процесса деформирования может приниматься с большей обоснованностью. При наблюдениях в скважине существенным фактором, повышающим достоверность оценок вариаций напряжений по данным ИК-радиометрии, окажется также уменьшение влияния внешней среды из-за ограничения возможности конвективного теплообмена.
Характерные примеры записей значений выходных сигналов, получаемых в результате прохождения первичных сигналов ИК-радиометра (Vw(t)) через измерительно-вычислительный тракт, показаны на рис. 4.2.2. На приведенном графике вполне четко фиксируются начало и конец зоны нестационарности сигнала. Запись сигнала в этой зоне, очевидно, отражает «отклик» изменений напряжений на забое «скважины» на изменения нагрузки во времени, причем длительность нестационарного отклика среды в этом случае составляет примерно 7 сек. Из-за относительно слабого (в сравнении с массой «образца») воздействия и значительного уровня помех, определяемого также необходимостью увеличить длину соединительных кабелей передающей системы, отношение сигнал/шум (см. соотношение 1.2.4.1) рассматриваемой записи не превышает 2. Поэтому для снижения влияния электрических и аппаратурных помех в дальнейших сериях экспериментов использовался экранированный кабель. Пример записи, полученной примерно при том же воздействии, что и запись на рис. 4.2.2, но с экранированным кабелем, показана на рис. 4.2.3. Увеличение (примерно в 1,5 раза) отношения сигнал/шум в записи, приведенной на рис. 4.2.3 позволяет, совместно с возможностями современной компьютерной обработки экспериментальных данных, рассчитывать на возможность фиксации ИК-радиометром параметров даже слабоинтенсивных динамических процессов, происходящих в массивах грунтов и горных пород. многими традиционными для геомеханики и геофизики экспериментальными методами диагностики изменений механического состояния массивов состоят в бесконтактности (а, в принципе, и дистанционности) измерений. С другой стороны, то, что с помощью ИК-измерений можно оценивать вариации только одного скалярного параметра тензора напряжений (первого инварианта), - несомненное ограничение возможностей методики. Но следует учитывать, что измерения выполняются на границе тела, а задание суммы главных напряжений П в точке границы часто равносильно полному заданию тензора напряжений в этой точке. В любом случае значение 77 в характерной точке на границе упругого тела - существенная информация при решении соответствующей «обратной» задачи, а в некоторых схемах это значение позволяет оценить полную картину напряжений в представляющей интерес области в окрестности такой точки. Например, используя решение известной задачи теории упругости о напряжениях на торце полубесконечной цилиндрической полости в упругом пространстве и определив значение 77 на забое скважины в массиве, можно (в принимаемых чаще всего в прикладной геомеханике предположениях о связи горизонтальных и вертикальных напряжений «на бесконечности» через коэффициент бокового давления), оценить напряженное состояние в окрестности этого забоя. Таким же образом, используя для каждого момента времени решение аналогичной задачи о действии «на бесконечности» горизонтального напряжения а , получим возможность, через определенную с помощью ИК-измерений зависимость 677(/) на забое скважины, оценить зависимость от времени напряжения 5ато(/) на фронте горизонтальной сейсмической волны.
