Экспериментальное исследование влияния сжатия на распространение волн в блочных средах при ударном нагружении Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 539.375

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СЖАТИЯ НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ ВОЛН В БЛОЧНЫХ СРЕДАХ ПРИ УДАРНОМ НАГРУЖЕНИИ

Евгений Николаевич Шер

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт горного дела им. Н. А. Чинакала» СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, доктор физико-математических наук, тел. (383)365-96-54, e-mail: ensher@sibmail.ru

Анатолий Георгиевич Черников

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт горного дела им. Н. А. Чинакала» СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, старший научный сотрудник, тел. (383)365-96-54, e-mail: vzrivlab@misd.nsc.ru

Экспериментальное исследование влияния внешнего сжатия блочной среды на процесс распространения волн перемещения при ударном нагружении проведено на одномерной модели - вертикальной сборке силикатных кирпичей, разделенных податливыми прослойками. Сборка размещалась в гидравлическом прессе, что позволяло создавать в ней продольное сжатие. Движение кирпичей регистрировалось с помощью встроенных акселерометров. Анализ полученных осциллограмм показал, что наиболее чувствительным к внешнему сжатию оказались значения скорости распространения волн, коэффициенты их затухания и спектральные характеристики.

Ключевые слова: блочный породный массив, поле сжатия, сейсмические волны, ударное нагружение, скорость распространение волн.

EXPERIMENTAL STUDY OF THE INFLUENCE OF COMPRESSION ON PROPAGATION OF WAVES IN BLOCK STRUCTURE MEDIA UNDER IMPACT LOADING

Evgeny N. Sher

Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Dr Phys-Math, tel. (383)365-96-54, e-mail: ensher@sibmail.ru

Anatoly G. Chernikov

Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, tel. (383)365-96-54, e-mail: vzrivlab@misd.nsc.ru

The influence of external compression of a block structure medium on propagation of waves under impact loading is studied in the experiments on one-dimensional model represented by vertical package of lime bricks with yielding intermediate layers. The package was placed in a hydraulic press for longitudinal compression. Displacement of bricks was traced with in-build acceleration indicators. The analysis of the resultant oscillograms has shown that wave velocities, attenuation coefficients and spectral characteristics are the most sensitive relative to external compression.

Key words: block structure rock mass, compression fields, seismic waves, impact loading, wave velocities.

В последнее время в геомеханике и геофизике применяются подходы к описанию деформирования породного массива как блочной среды сложного

иерархического строения. Согласно этой концепции породный массив представляет собой систему вложенных друг в друга блоков разного масштабного уровня [1] разделенных прослойками. Часто прослойки между блоками представлены более слабыми, трещиноватыми породами. Наличие таких податливых прослоек приводит к тому, что деформирование блочного массива, как в статике, так и в динамике происходит в основном за счет деформации прослоек, что приводит к выделению в сейсмическом отклике на импульсное воздействие низкочастотных волн маятникового типа [2, 3].

Были проведены теоретические и экспериментальные исследования волно-водных свойств одномерных моделей блочных сред, представленных цепочкой упругих блоков, разделенных податливыми прослойками [4-6]. Показано, что для описания распространения волн в таких средах хорошим приближением является представление о движении блоков как недеформируемых тел. При этом достаточно точно описываются возникающие при импульсном воздействии низкочастотные волны маятникового типа. Как показали эксперименты, высокочастотные волны, характерные для собственных колебаний блоков достаточно быстро затухают.

Сравнение данных расчетов по разработанным моделям с экспериментом показали, что скорость распространения маятниковых волн, период, степень их затухания определяются массой блоков и существенно зависят от реологических свойств прослоек, которые в свою очередь зависят от внешнего, горного давления. Наличие взаимосвязи величины горного давления и параметров сейсмических волн открывает возможность контролировать горное давление по данным сейсмического каротажа.

В настоящей работе проводятся результаты модельных исследований влияния внешнего сжатия блочной среды на процесс распространения волн деформации при ударном нагружении.

В качестве модели блочной среды была использована вертикально расположенная одномерная сборка девяти силикатных кирпичей, размещенных в гидравлическом прессе. На шести кирпичах (2-5, 7) были установлены акселерометры КЭ91. Вся сборка приводилась в сжатое состояние при помощи гидравлического пресса на различных давлениях - от 0 до 12 МПа, что создавало в сборке сжатие до 90 кН и внешнее напряжение Р до 6,5 МПа. На верхний кирпич усилие передавалось через муфту, внутри которой располагался ударник, с закрепленным на нем акселерометром 8309 фирмы Вгйе1 & К^г для фиксирования величины удара. Все акселерометры были подключены через усилители заряда 2635 фирмы Вгйе1 & К^г к АЦП Е-1440 и далее к компьютеру, на котором производилась запись сигнала и хранение данных. Фото установки приведено на рис. 1.

Были проведены три серии испытаний - без прослоек между кирпичами, с резиновыми и гипсовыми прослойками. Пример записи ускорений кирпичей № 2, 4, 7 в сборке с резиновыми прослойками приведен на рис.2. Характерным для колебаний кирпичей вблизи точки приложения импульсного нагружения является возбуждение их собственных колебаний. По мере распространения

волны возмущения по сборке такие колебания затухают и тем быстрее, чем больше их частота. Вдали от точки удара в колебаниях кирпичей выявляется низкочастотная волна маятникового типа, определяемая их взаимодействием через податливые прослойки.

В результате обработки осциллограмм ускорений кирпичей определялись скорости распространения волны вдоль сборки, коэффициенты затухания колебаний и изменение их спектральных характеристик. Скорости волны в эксперименте определялись по моментам вступления сигнала на осциллограммах ускорения кирпичей и по моментам достижения максимального значения первого пика ускорения. Первая скорость характеризует распространения упругого сигнала по сборке, вторая, являясь групповой скоростью, соответствует распространению низкочастотной маятниковой волны.

103 м/с 1

0,5 0

-0,5

-1

-1,5 -1

0,3 -| 0,2 -

0,1 -0

-0,1 0 -0,2 --0,3 --0,4 -

0,1 0,05 0

-0,05 -0,1 -1

Кирпич 2

3 4 5

мс

Кирпич 4

5 мс 6

Кирпич 7

5 мс 6

2

6

Рис. 1. Фото экспериментальной Рис. 2. Осциллограммы ускорений

установки кирпичей

Графики зависимостей значений скоростей распространения упругой и маятниковой волны (верхняя и нижняя кривая соответственно) от степени сжатия сборки кирпичей приведены на рис. 3-5. На рис. 3 представлен случай, когда между кирпичами сборки отсутствуют дополнительные прослойки. Рис. 4 соответствует случаю, когда в качестве прослоек использовалась вакуумная резина, рис. 5 - случаю прослоек из затвердевшего гипса. Из приведенных данных следует, что скорости распространения волн по сборке, заметно меньше продольной скорости упругих волн в материале кирпичей, равной 3100 м/с. При этом из рис. 2-3 следует, что такие скорости оказались для сборок без прослоек и с ре-

зиновыми прослойками достаточно близкими по величине и чувствительными к изменения значения давления сжатия на всем диапазоне его изменения.

м/с

2500

2000 1500 1000 500 0

м/с

2500 -|

2000 -1500 -1000 -500 -0 -

4 МРа 5

0

4МРа 5

Рис. 3. (пояснения в тексте)

Рис. 4. (пояснения в тексте)

Вариант сборки с гипсовыми прослойками (рис. 5) отличается меньшими скоростями волн, более медленным их увеличением с ростом сжатия и выходом при Р>1МПа на постоянный уровень. Последнее, по-видимому, связано с разрушением гипсовых прослоек.

м /с

2500 -|

2000 -1500 -1000 -500 -0 -

0 0,5 1 1,5 2 2,5МРа3 Рис. 5. (пояснения в тексте)

Другим параметром, характеризующим распространение колебаний в блочной среде, является степень их затухания по мере распространения. В качестве параметра, описывающего такое затухание, примем величину максимального ускорения, регистрируемого на данном блоке. На рис. 6 приведены графики зависимости максимального размаха ускорений на втором, третьем и четвертом кирпиче (кривые 1 -3 соответственно) от степени сжатия стопки кирпичей с резиновыми прослойками при фиксированной энергии удара. Наблюдается заметное увеличение интенсивности колебаний с увеличением степени сжатия. Этот параметр также как и скорости распространения волн, может быть использован для контроля над изменениями внешнего сжатия.

1

2

3

0

1

2

3

Одним из характерных параметров волн, проходящих через одномерную сборку кирпичей, подвергаемых одноосному сжатию, является длительность полупериода первого колебания в волновом пакете. Анализ осциллограмм ускорений отдельных кирпичей сборки показал, что по мере распространения волны по ней в передней части волнового пакета выделяются низкочастотные колебания, характерные для маятниковой волны.

#м/с2

Рис. 6. (пояснения в тексте)

Это можно видеть и на рис. 7, где приведены осциллограммы колебаний кирпичей № 3-5,7 в сборке с резиновыми прослойками при сжатии 1.7 МПа

Рис. 7. (пояснения в тексте)

Зависимость длительности Т полупериода первого колебания седьмого кирпича от степени сжатия сборки кирпичей с резиновыми прослойками приведена на рис. 8. Из приведенного графика видно, что Тх быстро уменьшается с ростом сжатия до Р = 0,5МПа. При дальнейшем росте сжатия Тх изменяется

незначительно, откуда следует, что этот параметр мало чувствителен к изменению сжатия при р > 1,0МПа

В заключение следует отметить:

1. Спектр возмущений в блочной среде, возникающих при импульсном нагружении, определяется частотами собственных колебаний отдельных блоков

и частотным спектром их коллективных движений. По мере распространения возмущений по сборке собственные колебания затухают и тем быстрее, чем больше их частота. Вдали от точки удара в колебаниях кирпичей выявляется низкочастотная волна маятникового типа, определяемая их взаимодействием через податливые прослойки.

Т1, мкс 1000 -|

800

600 -

400 -

200 -

0 --

0

0,5

1,5

2

2,5 МПа

Рис. 8. (пояснения в тексте)

2. Внешнее сжатие блочной среды оказывает большое влияние на скорости распространения волн, амплитуду колебаний при заданном воздействии. Эти параметры могут быть использованы для контроля над изменениями внешнего сжатия.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Садовский М.А. Естественная кусковатость горной породы. // ДАН СССР. - 1979. -Т. 247. - № 4, С. 829-832.

2. Курленя М.В., Опарин В.Н., Востриков В.И. О формировании упругих волновых пакетов при импульсном возбуждении блочных сред. Волны маятникового типа и ^. // ДАН

СССР. - 1993. - Т. 333. - № 4, С. 3-13.

3. Курленя М.В., Опарин В.Н., Востриков В.И. Волны маятникового типа. Ч. II: Методика экспериментов и основные результаты физического моделирования. // ФТПРПИ. - 1996. -№ 4, С. 3-38.

4. Александрова Н.И. О распространении упругих волн в блочной среде при импульсном нагружении. // ФТПРПИ. - 2003. - № 6, С. 38-47.

5. Александрова Н.И., Шер Е.Н. Моделирование процесса распространения волн в блочных средах // ФТПРПИ. - 2004. - № 6, С.49-57.

6. Александрова Н.И., Черников А.Г., Шер Е.Н. О затухании маятниковых волн в блочном массиве горных пород // ФТПРПИ. — 2006. — № 5, С. 67-74.

© Е. Н. Шер, А. Г. Черников, 2015

1