Введение к работе
.-....- :" Актуальность. г
Геофизический мониторинг квазистатическйх процессов (относительных вертикальных и горизонтальных движений на площадках предполагаемого строительства, просадок фундаментов, наклонов и деформаций плотин и других крупных сооружений, нарастания деформаций и напряжений вблизи горных выработок и т.п.) является одним из средств обеспечения безопасности и прогноза природных и техногенных катастроф. Такой прогноз не может быть успешным, если не известны оценки величин основных параметров (характеристик) среды, и не построена ее физическая модель в изучаемом месте. Поэтому построение модельных временных рядов, описывающих поведение реальной геофизической среды при механических воздействиях, является важной частью интерпретации результатов наблюдений.
Наличие таких модельных синтезированных рядов позволяет в явном виде вычесть из наблюдаемого сигнала ту его часть, которая является откликом на некоторые неустранимые, но измеряемые внешние воздействия, связанные в основном с вариациями метеорологических параметров. Благодаря этому снижается эффективный уровень шумов и облегчается своевременное выявление различных аномалий в изучаемом процессе.
При статистических методах построения моделей связь временных рядов наблюдений находится в два этапа: сначала идентифицируется структура модели, а затем определяются наилучшие статистические оценки ее параметров. Поскольку :труктурная идентификация многомерных временных рядов представляет собой зесьма трудоемкую проблему, требующую для своего решения обработки іродолжительньїх временных рядов, то любые соображения (в частности, физические) о характере связей между наблюдаемыми временными рядами должны іриниматься во внимание. Кроме того, исследование самой возможности тредставления изучаемой среды как линейной и сплошной на масштабах реальных )бъектов и в реальных условиях является достаточно интересным вопросом для ірикладной геофизики.
В настоящей работе предлагается прямое численное моделирование в рамках леханики сплошной среды процесса, представляющего деформации штольни (так іазьіваемьш эффект полости) под совместным воздействием двух факторов -іриливньїх напряжений в среде и вариаций атмосферного давления.
Как и при чисто статистическом подходе к построению модели процессов вторым этапом является оценка коэффициентов выбранной модели. В отличие о формальной статистической модели физическое моделирование процессо допускает непосредственную интерпретацию найденных коэффициентов ка основных феноменологических параметров среды, таких как модуль Юнп коэффициент Пуассона для дренированной и недренированной среды, коэффициен проницаемости среды, коэффициент порового давления жидкости. Названны коэффициенты, определенные по наилучшему совпадению синтезированног модельного и реального ряда являются дополнительным результатом построени модели
Эти значения модулей можно рассматривать как характеристики реальны параметров среды in situ, что дает принципиальную возможность оценки состояни свойств геофизической среды, и в случае выхода найденного какого-либ параметра среды из диапазона разумных физических значений, можно обоснованы говорить о невозможности описания реальной среды как сплошной, о возможны нарушениях сплошности, о блочном строении и подобных вещах.
С другой стороны, в случае достаточно разумного совпадения эти характеристик, можно сделать вывод о степени адекватности представлений сплошной среде в реальных условиях и иметь самосогласованную модел поведения среды, которую можно применять для восстановления неизвестног воздействия по известному отклику.
Цель исследования.
Основной целью работы является построение адекватных численных моделе поведения геофизической среды, позволяющих осуществлять прогноз реакци среды на известные воздействия и, тем самым, увеличивать отношенн "сигнал/шум" при проведении геофизического мониторинга.
В работе предложены две численные модели для описания процесс деформации штольни под действием приливных напряжений и вариаци атмосферного давления. Сначала строится модель для решения статической задач в упругой среде, а затем - более сложная модель, учитывающая возможны эффекты запаздывания отклика среды на возбуждающие воздействия в приливно полосе частот. В частности, выбирается модель пороупругой среды. Исследоваш процесса фильтрации жидкости в пористой среде и дополнительного воздейств^
порового давления на деформацию штольни позволит ответить на вопрос, дает ли применение параболических задач при моделировании такого процесса какие-либо новые дополнительные эффекты по сравнению с упругой задачей.
Основные задачи.
-
Построение модельного отклика контура штольни в упругой среде на напряжения в среде с помощью метода граничных элементов (МГЭ). Получение временного модельного ряда разностей наклонов, возникающих вследствие деформации штольни под действием приливных напряжений и вариаций атмосферного давления.
-
Спектральный анализ наблюденных разностей наклонов (по данным результатов измерений наклономерами, установленными в центре штольни и у ее боковой стены) для отделения полезного сигнала от шумовых компонент, присутствующих в приливной полосе частот. Оценка интенсивности шума в приливной полосе частот.
-
Определение упругих модулей среды по наилучшему совпадению модельного и экспериментального рядов разностей наклонов с учетом шума в приливной полосе частот.
-
Исследование влияния сдвиговых и продольных компонент приливных напряжений на эффект полости.
-
Численное моделирование деформации штольни под действием приливных сил и вариаций атмосферного давления в пороупругой среде. Исследование отклика штольни при различных параметрах среды.
5. Построение модельного временного ряда разностей наклонов в пороупругой среде.
Научная новизна.
Разработана полная геомеханическая модель поведения штольни под цействием приливных сил и вариаций атмосферного давления. Исследовано $лияние пороупругих параметров среды на возникновение сдвига фаз между шнуждающим сигналом (приливным воздействием) и откликом среды. Предложен >ригинальный метод оценки упругих и пороупругих модулей среды.
Исследовано влияние сдвиговых компонент напряжений на эффект полости. Іоказано, что эти компоненты не влияют на деформацию поперечного контура
штольни, но приводят к депланации поперечного сечения и для измерения этог эффекта требуется дополнительная специальная аппаратура.
Практическая значимость работы.
Построение модельных временных рядов деформации штольни позволяет н только оценивать основные параметры среды, но и в режиме реального времен следить за их изменениями. Последнее особенно важно при прогнозировани развития деформационных процессов, результатом которых могут быть событш приводящие к катастрофам.
Реализация таких задач позволяет также реально подойти к решенш проблемы метрологической аттестации места геофизических наблюдений. ] частности, с помощью численного исследования эффекта полости можи определять наиболее информативные места для установки приборов в штольнях различной конфигурацией поперечного контура.
Апробация и публикации.
Основные результаты диссертации докладывались на научных семинара ОИФЗ РАН и на конференциях молодых ученых в г. Суздале (1989, 1991 Основное содержание работы отражено в научно-технических отчетах и дву статьях (последняя в печати).
Объем работы.
Диссертация состоит из введения, трех глав, приложения, заключения списка использованной литературы из 88 наименований. Общий объем составляе 78 страниц, включая 19 иллюстраций.