Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Теоретическое исследование зависимости кинетических параметров акустической эмиссии в горной породе от предыстории ее напряженного состояния
1. Обзор существующих результатов экспериментальных исследований и теоретических моделей кинетики акустической эмиссии (АЭ) в горных породах.
2. Построение феноменологической модели кинетики АЭ на основе концепций поврежденноети механики деформируемых твердых тел и общих законов эредитарных явлении
3. Расчет кинетики АЭ в образцах горных пород при их одноосном нагружении на основе построенной модели
Глава 2. Лабораторные исследования зависимости кинетичесв ких параметров акустической эмиссии в горной породе от предыстории ее напряженного состояния .
1. Лабораторное оборудование и методика испытаний.
2. Кинетика АЭ при неубывающих во времени нагрузках на образец. Определение наследственных и структурно- чувствительных свойств образца методом АЭ
3. Кинетика АЭ при циклических нагрузках на образец.
Глава 3. Восстановление предыстории напряженного состояния горных пород по кинетическим параметрам акустической эмиссии
1. Общие свойства циклической памяти в различных по составу и строению горных породах
2. Влияние процесса выбуривания образца на свойства его циклической памяти
3. Практическое определение максимальных напряжений, действовавших в массиве горных пород.
Заключение
Список литературы
- Построение феноменологической модели кинетики АЭ на основе концепций поврежденноети механики деформируемых твердых тел и общих законов эредитарных явлении
- Расчет кинетики АЭ в образцах горных пород при их одноосном нагружении на основе построенной модели
- Кинетика АЭ при неубывающих во времени нагрузках на образец. Определение наследственных и структурно- чувствительных свойств образца методом АЭ
- Влияние процесса выбуривания образца на свойства его циклической памяти
Введение к работе
Актуальность. Под действием внешних нагрузок в различных по составу и строению твердых телах, в том числе и горных породах, наблюдается явление акустической эмиссии - испускание материалом упругих волн, вызванное динамической локальной перестройкой его структуры. Изучение зависимости параметров акустической эмиссии (АЭ) от параметров действующей в горной породе нагрузки необходимо как для дальнейшего углубления представлений о природе землетрясений, сейсмических шумов и других динамических явлений, наблюдаемых в горных породах, так и для развития новых методов исследования напряженного состояния земной коры.
Цель работы и решаемые задачи. Экспериментально было обнаружено (§1, гл.1), что зависимость кинетических параметров акустической эмиссии (скорости счета АЭ, активности АЭ и т.п.) от напряженного состояния горной породы имеет эредитарный характер, т.е. эта зависимость определяется не только текущим напряженным состоянием породы, но и предысторией ее напряженного состояния (явление памяти). Основной целью диссертационной работы являлось исследование зависимости кинетических параметров акустической эмиссии в горной породе от предыстории ее яагружения в условиях одноосного сжатия и получение количественных соотношений, позволяющих ставить и решать обратную задачу. Для этого в работе были поставлены следующие задачи,
I. На основании имеющихся литературных данных построить феноменологическую модель зависимости кинетических параметров акустической эмиссии в горной породе от предыстории ее напряженного состояния.
2. Провести анализ построенной модели с целью определения последовательности дальнейшего экспериментального изучения исследуемой зависимости.
3. Экспериментально изучить кинетику акустической эмиссии при неубывающих во времени нагрузках на образец.
4. Экспериментально изучить кинетику акустической эмиссии при циклических нагрузках на образец.
5. Провести исследования по восстановлению предыстории напряженного состояния образцов горных пород методом акустической эмиссии.
В соответствии с последовательностью решения поставленных задач, диссертация имеет следующую структуру.
В первой главе дается обзор предшествующих результатов экспериментальных исследований и теоретических представлений о зависимости кинетических параметров АЭ в образцах горных пород от параметров нагрузки (§ І). В § 2 разрабатывается феноменологическая модель этой зависимости с учетом ее эредитарных свойств. В § 3 проводится анализ построенной модели с целью определения последо-вательности дальнейшего экспериментального изучения исследуемой зависимости.
Во второй главе диссертации рассматриваются результаты экспериментального исследования зависимости кинетических параметров АЭ в горной породе от предыстории ее напряженного состояния. В § I описывается лабораторное оборудование и методика испытаний. В § 2 приводятся результаты исследования кинетики АЭ при неубывающих во времени нагрузках на образец. Разрабатывается методика обработки экспериментальных данных по кинетике АЭ с целью коли -6 чествеяной оценки способности различного типа горных пород к динамической перестройке своей структуры (излучательной способности). Б § 3 описываются результаты исследования кинетики АЭ при циклических нагрузках на образец; изучаются основные свойства циклической памяти горной породы,
В третьей главе диссертации устанавливается общность этих свойств для различных по составу и строению горных пород (§1). Исследуется возможность практического использования свойств циклической памяти для восстановления предыстории напряженного состояния в массиве горных пород (§ 1,2). В § 3 на основе выявленных закономерностей проводится практическое определение максимальных напряжений, действовавших в образцах керна, выбуренных из массива.
Научная новизна работы заключается в следующем.
1. Построена феноменологическая модель зависимости активности акустической эмиссии в горной породе от параметров действующей в ней нагрузки (напряжения и температуры), с учетом предыстории нагружении.
2. Экспериментально показано определяющее влияние предыстории напряженного, а не деформированного состояния горной породы на кинетические параметры акустической эмиссии.
3. Экспериментально получены закономерности кинетики акустической эмиссии при монотонном во времени нагружеяия образцов горных пород с различной скоростью приращения напряжений и при циклических нагрузках.
Практическая ценность работы.
Полученные результаты теоретического и экспериментального исследования зависимости кинетических параметров акустической эмиссии в горной породе от предыстории ее напряженного состояния, как показано в работе, могут быть использованы в инженерной геологии и в горном деле для количественной оценки способности различного типа горных пород к динамической перестройке своей структурі под действием внешних нагрузок, а также для количественной оценки величины максимального напряжения, действовавшего ранее в горной породе.
Основные результаты диссертационной работы изложены в /13 --15 /. Большая часть экспериментальных исследований была выполнена на кафедре грунтоведения и инженерной геологии МГУ им.М.В.Ломоносова и в лаборатории динамических испытаний шм Ш. СССР, по договору о социалистическом содружестве с НПО ВДИИТМАШ. Автор благодарит Главного конструктора проекта ОНШМ, НПО ЩИИТМАШ К.К.Царева, сотрудника кафедры инженерной геологии и грунтоведения МГУ Л.Л.Панасьяя и сотрудника лаборатории динамических испытаний ИПГЛ АН СССР Л.П.Степанова за содействие в работе.
Построение феноменологической модели кинетики АЭ на основе концепций поврежденноети механики деформируемых твердых тел и общих законов эредитарных явлении
Акустическая эмиссия, возникающая при сжатии образцов горных пород, многократно наблюдалась при изучении процессов микро-трещинообразования, дилатансии, ползучести горных пород /2,1, 25,7, 29up/. Было установлено, что регистрируемая при сжатии макрооднородных образцов горных пород акустическая эмиссия имеет во времени дискретный характер (дискретная АЭ): интервал времени между отдельными наблюдаемыми импульсами акустической эмиссии больше или равен времени их нарастания или затухания /17 / Непосредственно перед макроразрушением образцов, дискретная АЭ переходит в непрерывную акустическую эмиссию, когда отдельные импульсы АЭ во времени практически не разделяются. Активность АЭ (число импульсов АЭ в единицу времени) - очень чувствительна к малым изменениям параметров макроскопической нагрузки в образце / 30 /. Систематические исследования амплитудно-спектральных характеристик отдельных импульсов АЭ в широком диапазоне частот (0,02 - I МГц и выше) стали проводиться недавно, когда был достигнут соответствующий технический уровень развития регистрирующей акустико-эмиссионной аппаратуры / Ч /. Здесь получены первые результаты. Оказалось, что амплитудно-спектральный состав отдельных импульсов АЭ при одноосном деформировании образцов хрупких горных пород меняется слабо, а перед разрушением наблщаегся известная закономерность: спектр обогащается более низкими частотами и амплитуда импульсов АЭ возрастает / 8,11, 6 /. Кинетика АЭ (изменение активности АЭ во времени), как было показано в работе / 26 I может быть одинаковым образом исследована при регистрации импульсов АЭ в различной полосе частот указанного выше диапазона. При статической нагрузке на образец активность АЭ с течением времени убывает, а если долговечность образца конечна, то непосредственно перед его макроразрушением - возрастает /11 / С увеличением температуры образца, при постоянном во времени его макроскопическом напряжении, активность АЭ увеличивается /10 /. В экспериментах на одноосное нагружение с постоянной скоростью деформирования ( ,= const ) было выявлено резкое возрастание активности АЭ, в стадии дилатансии /27 А При этом результаты, полученные разными исследователями, расходятся: в одних случаях акустическая эмиссия начинает регистрироваться практически сразу же после приложения к образцу нагрузки, в других после достижения напряжением в образце некоторой критической величины / 10, 12 /.
Особую практическую направленность приобрели исследования активности АЭ при циклическом нагружении образцов горных пород. Было обнаружено /24 /, что в горных породах наблюдается явление, аналогичное известному для металлов эффекту Кайзера /23 /.
Немецкий физик К.Кайзер, исследуя активность АЭ в металлах, показал, что если образец металла был нагружен до некоторого напряжения 6"wt , а затем разгружен, то при повторном нагружении акустическая эмиссия в нем отсутствует до того момента, пока растущее в образце напряжение не превышает по величине 6 rv . Б отличие от металлов в горных породах, как оказалось, акустическая эмиссия при повторном нагружении возникает раньше того момента, когда напряжение достигает величины 6 (максимального предшествующего напряжения) /10,14 / и восстанавливается, т.е. выходит на соответствующий по величине (при 6 - б"ьг) уровень активности АЭ первоначального цикла нагружения с некоторым запаздыванием ГЄ по отнощению к 6V (3, гл.П). Исследуя эффект Кайзера с целью развития нового метода изучения напряженного состояния массива горных пород, японские исследователи показали, что память о действовавших в породе напряжениях может сохраняться в ней в течение месяца после ее разгрузки /24 /.
Таким образом, рассмотренные выше результаты экспериментальных исследований свидетельствуют об общем эредитарном характере зависимости кинетических параметров акустической эмиссии в горной породе от параметров действующей в ней нагрузки.
В настоящее время исследователи, изучающее акустическую эмиссию в горных породах, придерживаются различных взглядов на ее происхождение. Наиболее часто встречающиеся представления об источниках АЭ следующие: зарождение микротрещин в первоначально сплошном материале /8,10,12 /и скольжение вдоль поверхностей существующих микротрещин / 24 /«В принципе, по-видимому, оба эти процесса имеют место в образце одновременно, а вклад каждого из них в общую активность АЭ на разных стадиях деформирования образца может меняться. Немногочисленность экспериментальных исследований активности АЭ при различных режимах нагружения образцов горных пород привела к тому, что разработана всего лишь была одна феноменологическая модель зависимости активности АЭ от макроскопических параметров действующей в образце нагрузки / 7 /.В этой модели исследовалась зависимость активности АЭ от осевого сжимающего напряжения в образце. Предполагалось, что в макрооднородном образце горной породы с заданным макросколи -II ческим напряжением 6" известен закон распределения микронапряжений, циничный акт возникновения импульса АЭ в произвольной точке образца связывается с достижением микронапряжениями в этой точке величины прочности 5 р - постоянной для данного материала. Задавая закон распределения микронапряжений как известную функцию среднего напряжения э , получаем возможность, подбирая неизвестные параметры этого распределения, подгонять теоретическую зависимость активности АЭ от напряжения б" к экспериментальной. Рассмотренная модель не получила в дальнейшем своего развития, так как не учитывала наблюдаемой в экспериментах зависимости активности АЭ в породе от предыстории ее напряженного состояния,
Расчет кинетики АЭ в образцах горных пород при их одноосном нагружении на основе построенной модели
Построение феноменологической модели кинетики АЭ на основе концепций поврежденности механики деформируемых твердых тел и общих законов эредитаряых явлений Эффект Кайзера, явление запаздывания восстановления эмиссионной активности, "звучание" материалов после снятия нагрузки - все это свидетельствует об общем эредитарном характере зависимости кинетических параметров АЭ от параметров нагружения материалов. Явление эредитарности возникает в таких системах, в которых необходимо учитывать не только настоящее положение системы или ее ближайшее предыдущее положение (т.е. начальные значения параметров, определяющих состояние системы, а также некоторые производные по времени), но и все предшествующие положения, которые занимала данная система / 3 / Таким образом, акустическая эмиссия в твердых телах - эредитарное явление, существенным образом зависящее от предыстории параметров нагружения исследуемого материала. Известно / 17 /, что акустическая эмиссия - испускание материалом упругих волн, вызванное динамической локальной перестройкой его структуры. Поэтому эре-дитарным является сам процесс динамической локальной перестройки структуры материала под действием внешних нагрузок; этот процесс в дальнейшем будем называть процессом накопления микро структурных повреждений в материале.
Построим феноменологическую модель этого процесса на основе концепций поврежденности Л.М.Качанова - Ю.Н.Работнова, успешно развиваемых в настоящее время в механике деформируемых твердых тел /5,20 I и общих законов эредитарных явлений, сформулированных в работе В.Вольтерра /3 /.
Таким образом, если известна функция наследственности Р и функция долговечности »to($) для данного материала, то по известной траєкторний его нагружения [$-(0, ) в произвольной точке Р , по формулам (5-7), рассчитывается поврежденность материала в этой точке. Следует отметить, что соотношение (5), в которое входит операция однократного интегрирования, получено в приближении линейной эредитарности. При переменных нагрузках в случае существенно немонотонных во вршени траекторий нагружения однократного интегрального оператора гложет оказаться недостаточно для описания всех особенностей процесса накопления повреждений в этих условиях. В этом случае, по аналогии с уравнениями вязкоупругости / 7 /, могут быть введены интегральные операторы более высокого порядка.
Как частный случай из соотношений (2,5-7) выводится известный в механике разрушения, закон линейного суммирования повреждений /9,18 /. Действительно, пусть количество повреждений СІСО накопленных в точке Р материала за интервал времени (t,r+dt), определяемое формулой (3), сохраняется неизменным во времени, т.е. функция наследственности V тождественно равна единице. Тогда при макрооднородном нагружении материала, когда накопление повреждений во всех его точках происходит единообразно, из (, 5) имеем: о
Таким образом по известной функции поврежденности материала со р/0 » с использованием форяул (II, 12) может быть рассчитана эмиссионная активность Jf любого макроскопического объема мате Точкой обозначено дифференцирование по времени. Соотношения (II, 12) совместно с (1,2,5,7) образуют феноменологическую модель кинетики акустической эмиссии. В рамках этой модели для решения прямой задачи расчета эмиссионной активности материала по заданным в различных его точках траекториям натрушення, необходимо знать две функции - наследственности и долговечности материала. Покажем, что функция наследственности может быть найдена из экспериментов, на основе предложенной модели, если известна функция долговечности материала. Для этого создадим в объеме SI макрооднородное по объему статическое распределение нагрузки Or .
Из формул (14) следует, что вид функции наследственности V может быть определен по исследованию эмиссионной активности J\T образцов данного материала в экспериментах на их статическое на-гружение с разными по величине параметрами нагрузки О-.
Анализ опубликованных результатов экспериментальных исследований / W /и результаты экспериментов с образцами горных пород, проведенные автором (Гл.П, 2), показали, что эмиссион-ная активность Jf статически нагруженного материала является убывающей функцией времени практически в течение всей долговечности материала, за исключением области времени непосредственно предшествующей моменту его макроскопического разрушения Ь Убывание во времени Jf , а следовательно и функции г , свидетельствуют о затухании (диссипации) эредитарного действия во времени или другими словами о наличии в материале затухающей во времени памяти о действовавших в прошлом нагрузках.
Кинетика АЭ при неубывающих во времени нагрузках на образец. Определение наследственных и структурно- чувствительных свойств образца методом АЭ
Экспериментальные исследования кинетики акустической эмиссии при неубывающих во времени нагрузках на образец проводились с использованием феноменологической модели кинетики АЭ, рассмотренной в 2-3 первой главы. Первоначально были исследованы свойства затухающей памяти в образцах гранита и базальта; определялась возможность представления функции наследственности изучаемых пород в виде степенной функции времени (18). Программа испытаний для гранитов и базальтов была одинаковой.
Для каждого типа породы отбиралась группа одинаковых образцов, в которых при комнатной температуре задавался скачок сжимающих напряжений различной амплитуды 5 (б"=0 при t 0;(5-con$t npnt o ). Амплитуда скачков изменялась в диапазоне напряжений от 40 кгс/см до 240 кгс/см . В каждом образце, характериврощим-ся своим статическим напряжением 6" регистрировалась интенсив-ность акустической эмиссии Л/ТО . Анализировались построенные в двойных логарифмических координатах графики зависимости интенсивности акустической эмиссии Jf от времени t . В экспериментах были получены следующие результаты.
Во всех исследованных образцах максимальная интенсивность АЭ регистрировалась при t 0+ затем с течением времени она убывала, выходя за предел чувствительности регистрирующей аппаратуры. На рис,4 а,б представлены типичные графики зависимостей Jf(b) .ЬгЖ-Ent полученных в экспериментах для гранитов; для образцов базальта - вид графиков аналогичный (рис.5 а,б). С увеличением амплитуды скачка интенсивность АЭ возрастала, максимально возможная длительность ее непрерывной регистрации увеличивалась. За исключением области времени в непосредственной близости к моменту возникновения скачка ( t -О ) все зависимости си. Jf- tnt хорошо апроксимируются прямыми линиями, наклон vn. которых для образцов одного .типа породы практически постоянен и не зависит от величины амплитуды скачка 6" (рис.6). Как видно из этого рисунка для образцов гранита величина Уп. , определяемая по формуле (30) в среднем равна - 0.86, для образцов базальта - 0.92. Таким образом, эксперименты на статическое нагружение показывают, что, в первом приближении, функция наследственности Р , определяемая из (14) может быть представлена для испытанных образцов гранита и базальта (в исследованном диапазоне нагрузок) степенной функцией времени (18). Как следует из теоретического расчета кинетики АЭ ( 3, гл.1) существует возможность определения структурно-чувствительного коэффициента в образцах по экспериментальному исследованию кинетики АЭ в условиях их одноосного нагружения с постоянной во времени скоростью приращения напряжений. С этой целью были поставлены следующие эксперименты, в которых программа испытаний, как и в предыдущих опытах, для гранитов и базальтов была одинаковой.
Для каждого типа породы отбиралась группа одинаковых образцов, каждый из которых при комнатной температуре нагружал -36 ся с постоянной во времени скоростью приращения напряжений ((5Г -: constt V t о ). Скорость нагружения в образцах варьировалась в диапазоне: 20 - 440 (кгс/см2 мин) для гранитов и 20 - 300 кгс/смй мин) - для базальтов. В процессе нагружения регистрировалась интенсивность АЭ в образцах. В экспериментах были получены следующие результаты.
Во всех исследованных образцах, независимо от скорости их нагружения, интенсивность АЭ в начале нагружения (при малых напряжениях (5 ) была велика, затем уменьшалась до некоторого определенного уровня и начинала возрастать (рис. 7 а,б). В непосредственной близости от момента макроскопического разрушения образцов, который определялся по моменту сбрасывания нагрузки на прессе, в кинетике АЭ наблюдалось следующее явление: в 7($ случаев для гранитов и в 6С$ случаев для базальтов интенсивность АЭ продолжала непрерывно возрастать вплоть до момента разрушения образцов (рис. 8 а,б), в других случаях интенсивность АЭ непосредственно перед разрушением резко падала на 50-80 {%) и более от своего текущего значения (рис.8 в,г). Длительность такого рода "затишья" для гранитов не превышала 3 мин, для базальтов - 2 мин. Как для гранитов, так и для базальтов "затишье" возникало во всем диапазоне изменения скорости нагружения образцов.
Влияние процесса выбуривания образца на свойства его циклической памяти
Как было показано в предыдущем параграфе, одним из аспектов практического использования свойств циклической памяти горных пород является развитие способа определения максимальных напряжений, действовавших в массиве горных пород. При этом необходимо изучить влияние процесса выбуривания образца на свойства его циклической памяти. С этой целью были проведены специальные эксперименты с предварительно нагруженными кубиками песчаника. Предварительное одноосное нагружение кубиков размерами (20 см х 20 см) проводилось до напряжений GTyn. , величина которых составляла 30-60 прочности на одноосное сжатие. Из кубиков выбуривались круглоцилиндрические образцы так, чтобы длинная ось их ориентировалась параллельно и перпендикулярно по отношению к направлению приложенной к кубу нагрузки. Затем через 2-4 часа приготовленные образцы циклически нагружались пилообразным сжимающим напряжением постоянной амплитуды с одновременной регистрацией интенсивности АЭ. На рис.26 а представлены типичные графики зависимости суммарной интенсивности АЭ от напряжения, полученные в экспериментах на образцах, выбуренных в направлении предварительного нагружения кубиков. АЭ в двух первых циклах нагружения при напряжении 6"т не наблюдается. Таким образом, микроповреждения, возникающие в образце в процессе его выбуривания и, по-видимому, концентрирующиеся вблизи его поверхности, существенно повышают излучательную способность образца. Наличие скачкообразного увеличения интен сивнооти АЭ при напряжении равном 6т. свидетельствует о том, что циклическая память в образце при этом все равно сохраняется. Дополнительным подтверждением этому является расхождение кривых АЭ при напряжении равном б" , во 2-м и 3-м циклах нагружения. Обращает на себя внимание то обстоятельство, что величину Ст. "запомнили" не только образцы, выбуренные соосно направлению предварительного нагружения кубиков, но и образцы, которые выбуривались перпендикулярно этому направлению (рис.26 б,в). При этом влияние выбуривания, как видно из этого рисунка, было не одинаковым: в одних случаях расхождение кривых АЭ при (Г вт. наблюдалось в двух первых циклах нагружения, а в других - во втором и третьем.
Все выше изложенное позволяет заключить, что выбуривание изменяет структурно-чувствительные свойства образца (повышает его структурно-чувствительный коэффициент $ ) и искажает тем самым свойства его циклической памяти. Для более точного при этом определения максимального напряжения, действовавшего в образце, целесообразно кроме двух циклов нагружения, проводить и третий - дополнительный.
Первоначально была определена их прочность на одноосное сжатие и установлена область напряжений, в которой происходит скачкообразное возрастание интенсивности АЭ. Затем оставшиеся образцы циклически нагружались с постоянной скоростью приращения напряжений в каждом цикле. Строилась зависимость суммарной интенсивности АЭ от напряжения. Типичный вид этой зависимости показан на рис.27 а. Б области напряжений, где в первом цикле нагружения наблюдается скачкообразное увеличение интенсивности АЭ, во втором и третьем циклах нагружения зависимости суммарной интенсивности АЭ от напряжений расходятся. По абсциссе точки их расхождения была оценена величина максимального действовавшего в прошлом в этих образцах напряжения. Как видно из рис.27 а, результаты определения максимального действовавшего в образце напряжения методом АЭ хорошо согласуются с результатами, полученными методом разгрузки. По аналогичной методике были исследованы образцы керна из разведочных скважин, пробуренных на Се-веро-Уральском бокситовом руднике (СУБР). На рис.27 б представлен один из типичных графиков зависимости суммарной интенсивности АЭ от напряжения, полученный в экспериментах для образцов боксита. Несомненно, что проведенных исследований вще недостаточно, чтобы говорить о создании нового метода определения максимальных напряжений, действовавших в массиве. Тем не менее, экспериментальное опробование выявленных закономерностей на практике, как было показано, уже дало хорошие результаты и, по-видимому, необходимо в дальнейшем. 1. Построена феноменологическая модель зависимости актив ности акустической эмиссии в горной породе от параметров дейст вующей в ней нагрузки (напряжения и температуры). Основными элементами этой модели являются: термоактивационный механизм возникновения в горной породе дискретной акустической эмиссии и зависимость ее активности от предыстории нагружения породы. 2. Экспериментально показано определяющее влияние предыстории напряженного, а не деформированного состояния горной породы на кинетические параметры акустической эмиссии. 3. Экспериментально получены закономерности кинетики акустической эмиссии при монотонном во времени нагружении образцов горных пород с различной скоростью приращения напряжений и при циклических нагрузках. 4. Разработана методика обработки экспериментальных данных по кинетике АЭ с целью количественной оценки способности различного типа горных пород к динамической перестройке своей структуры под действием внешних нагрузок и развит способ определения величины максимального напряжения, действовавшего ранее в образце горной породы. Полученные результаты свидетельствуют о необходимости дальнейшего исследования зависимости параметров акустической эмиссии в горной породе от предыстории ее нагружения в условиях сложнонапряженного состояния.