Фиксация методом ИК-радиометрии «Быстропротекающих» изменений напряженного состояния «Крупномасштабных» образцов, имитирующих массивы скальных и нескальных пород Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

© В.И Шейнин, Д.И. Блохин, 2006

УДК 622.83

В.И. Шейнин, Д.И. Блохин

ФИКСАЦИЯ МЕТОДОМ ИК-РАДИОМЕТРИИ «БЫСТРОПРОТЕКАЮЩИХ» ИЗМЕНЕНИЙ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ «КРУПНОМАСШТАБНЫХ» ОБРАЗЦОВ, ИМИТИРУЮЩИХ МАССИВЫ СКАЛЬНЫХ

И НЕСКАЛЬНЫХ ПОРОД

~ШЪ НИИОСП им. Н.М. Герсеванова

Л-З разрабатывается новая методика диагностики параметров механических процессов в массивах горных пород и грунтов. Основной эле-мент методики -измерения интенсивности инфракрасного (ИК-) излучения с поверхности геоматериалов, а цель исследований - теоретическое и экспериментальное обоснование возможности и эффективности идентификации изменений напряженного состояния скальных и нескальных пород по вариациям этой интенсивности. Преимущество ИК-измерений перед другими экспериментальными способами исследования изменений напряженного состояния -бесконтактность, что делает их применимыми в условиях, когда измерить изменения напряжений с помощью других способов очень трудно или практически невозможно, например, в призабойных зонах глубоких скважин.

В методике использованы два известных термодинамических эффекта: изменение температуры упругого тела при адиабатическом изменении первого инварианта тензора напряжений [1] и зависимость интенсивности инфракрасного излучения с поверхности тела от ее температуры [2]. По сравнению с применяемыми физическими методами геодиагностики, подход

Семинар № 3

характеризуется относительной простотой исходной физической модели.

Достоверность основных постулатов методики оценивалась сначала в опытах на «малых» образцах скальных пород и бетона в условиях одноосного сжатия [35].

Естественным продолжением этих исследований, направленным на расширение границ использования разрабатываемой методики применительно к условиям ш-situ, является существенное увеличение геометрических размеров тестируемых областей. Ниже описываются эксперименты, в которых, благодаря увеличению размеров области испытаний, оказалось возможным моделировать в лабораторных условиях изменения напряженного состояния на забое скважины при изменении напряженного состояния во вмещающем грунтовом массиве.

Для разработки методики ИК-диаг-ностики вариаций напряжений вблизи свободной поверхности грунта в призабойной зоне "скважины" был сконструирован лабораторный стенд (рис. 1), позволяющий осуществлять знакопеременное нагружение объема (образца) грунта, устраивать в обследуемом объеме модельную "скважину" и выполнять измерения, дающие информацию о вариациях напряжений у ее забоя и внутри "массива".

Основной элемент стенда - цилиндрический лоток (1), имеющий внутренний диаметр 520 мм и высоту 420 мм, выполненный из стального листа толщиной 8 мм. Перед испытаниями в лоток укладывается чистый кварцевый песок средней крупности, с послойным уплотнением ручной трамбовкой. При заполнении лотка примерно до половины высоты в грунт на противоположных сторонах одного диаметра на расстоянии 30..40 мм от стенок лотка заделывались два стандартных тен-зометрических элемента (2).

После полного заполнения лотка (на высоту 390-400 мм) на поверхность грунта устанавливается жесткий круглый распределительный штамп (3) для передачи на грунт вертикального давления. Диаметр штампа меньше внутреннего диаметра лотка на величину минимального допуска, позволяющего без трения помещать штамп в лоток.

Сверху лотка монтируется жестко соединенная с ним упорная рама (4), выполненная в виде двух сварных швеллеров с накладными пластинами. Между рамой и штампом по оси лотка устанавливается гидравлический домкрат (5), давление в котором регулируется ручной маслостан-цией МС-100.

В штампе на расстоянии 130 мм от его оси устраивается круглое отверстие диа-

Рис. 1. Схема стенда для испытаний грунтового объема со «скважиной»: 1 - цилиндрический лоток; 2 - мессдозы; 3 - распределительный штамп; 4 - упорная рама; 5 - гидравлический домкрат; 6 - «скважина»; 7 - забой; 8 - ИК-радиометр

метром 100 мм. При этом штамп укладывается на поверхность грунта таким образом, что ось отверстии в нем оказывается расположенной на том же диаметре, на котором расположены мессдозы.

Сквозь отверстие в штампе в грунтовом объеме, имитирующем массив, устраивается "скважина” (6) глубиной около 150 мм с плоским забоем (7). Стенки скважины защищаются от осыпания “обсадкой" из податливого упругого материала (плексиглас), а забой, после выравнивания и локального уплотнения прилегающей зоны грунта, остается свободным.

При передаче нагрузки на штамп, лежащий на поверхности грунта, в основном объеме грунта возникает напряженное состояние, которое при отсутствии "скважины" было бы равномерно распределенным, с вертикальной компонентой, равной нагрузке, деленной на площадь штампа, и с горизонтальными напряжениями, определяемыми из условия невозможности бокового расширения грунта в лотке.

У свободной поверхности забоя "скважины" действуют только горизонтальные (нормальные тангенциальные) напряжения. Эти напряжения могут быть рассчитаны теоретически из определяемых по нагрузке на штамп вертикальных и горизонтальных напряжений в "массиве" с использованием решения соответствующей теории упругости [6]. Указанную задачу в первом приближении можно рассматривать как осесимметричную относительно оси "скважины".

При изменениях вертикальной нагрузки на штамп происходят изменения напряженного состояния «массива» грунта, как во всем его объеме, так и в окрестности скважины и на поверхности ее забоя.

Зависимость приращения горизонтальных напряжений А(о2+о3) на поверхности забоя «скважины» от изменений вертикальной нагрузки на штамп АЫ можно записать в следующем виде:

^ 1 ж^ жу ц г цАЫ

А(о2+,)==и., , (1)

где V - коэффициент Пуассона, Я - радиус штампа, К1 , К2 - безразмерные коэффициенты, значения которых зависят от отношения радиуса «скважины» г и ее глубины Н. Расчеты по определению суммы главных напряжений на забое скважины в зависимости от АЫ были выполнены в НИИОСП им. Н.М. Герсеванова с использованием конечно-элементного пакета прикладных программ «Земля». Указанные расчеты дали при имеющем место в рассматриваемой модели отношении г/Н, приблизительно равном 0,33, следующие значения указанных коэффициентов: К1=0,7 , К2=0,06 . Схема к расчету приведена на рис. 2.

В экспериментах контрольные измерения вариаций горизонтальных напряжений в массиве вне зоны влияния "скважины" выполнялись с использованием мессдоз. Соответствующие им изменения напряженного состояния грунта на забое "скважины" регистрировались с помощью ИК-радиометра (9), который свободно подвешивается по оси "скважины" так, что его чувствительный элемент располагается на высоте 1-6 см от забоя.

Чередующиеся циклы нагружения и разгрузки, инициируемые соответствую-

Рис. 2. Схема к расчету приращения горизонтальных напряжений А(0 2 + Оз) на поверхности забоя «скважины» от изменений вертикальной нагрузки на штамп АЫ

щими изменениями давления в гидравлическом домкрате, начинаются через 810 сек. после начала регистрации сигналов и повторяются 1-5 раз в течение Т ~ 100 сек. Характерные примеры записей значений выходных сигналов, получаемых в результате прохождения первичных сигналов ИК-радиометра (Ук (/)) и тензометров (Ут1 (/) и Ут2 (()) через измерительно-вычислительный тракт, показаны на рис. 3.

С точки зрения оценки достоверности выполняемых экспериментов, существенно, что записи тензометрических сигналов, полученные с мессдоз, установленных примерно на одинаковом расстоянии от стенки лотка, оказываются практически во всех опытах близки между собой. Это также видно из графиков на рис. 3.

Рассмотрим особенности поведения функций Ут1(() и Ут2(/) . В интервалы времени, когда происходит нагружение, значения Ут1(/) и Ут2(/) возрастают, а когда происходит разгрузка - убывают. Графики функций Ут1(/) и Ут2(0 отражают, что нагружения происходят сравнительно медленно, нагрузка монотонно возрастает в течение интервала времени 15-20 сек., а разгрузка, вследствие быстрого (в течение 1-2 с) сброса давления в маслостанции до некоторого стационарного значения, происходит практически мгновенно.

0 20 40 60 80 100

Время, с

Рис. 3. Исходные результаты измерений (в вольтах) при исследованиях в модели грунтового массива: 1, 2 - выходные сигналы мессдоз Ут1 (/) и Ут2 (?) ; 3 - выходной сигнал ИК-радиометра У№ (?) ; 4 - трендовая составляющая (?) функции У№ (?)

После каждого цикла регистрируемый мессдозами сигнал после цикла нагружения - разгрузки принимает значения, близкие к значениям, соответствующим началу цикла, т.е. происходит "восстановление" того уровня напряжений в нагружаемом объеме грунта, который имел место до нагружения. Этот факт показывает, что характер изменений напряжений в основном объеме грунта близок к упругому.

Упругое поведение напряжений внутри объема грунтового массива вне зоны влияния скважины вполне очевидно, т.к. вертикальные и горизонтальные напряжения здесь - величины примерно одного порядка, напряженное состояние близко к условиям всестороннего сжатия, при котором разрушение даже сыпучего материала не происходит.

С другой стороны, вполне очевидным, на первый взгляд, представляется предположение, что при данном устройстве модельной "скважины" в случае циклических изменениях нагрузки на штамп, грунт на забое "скважины", наоборот, должен те-

рять свою "сплошность", т. е. разрушаться, рассыпаться. При таком предположении изменение во времени регистрируемой интенсивности теплового излучения с поверхности забоя должна иметь вид монотонной возрастающей функции. Однако, на рис. 3 визуально прослеживается подобие сигнала с ИК-радиометра У№ (?) функциям Ут1(?) и Ут2(/) в интервалах, где существенно изменяются значения Ут1(?) и Ут2(?) и, следовательно, возрастает или убывает нагрузка. Зафиксированное «подобие» может быть объяснено, только если принять предположение об упругом характере изменений напряжений на забое "скважины".

Продолжим анализ экспериментальных зависимостей Ук (?) , Ут1(0 и Ут2&) . После очередной стабилизации нагрузки значения У№ (?) , в отличие от Ут1« и Ут2(?) , продолжают изменяться под влиянием, в частности, теплообмена внутри объема грунта и на его поверх-

со

0,5

0,4

?Т 0,3

І 0,2

£ 0,1

Е 0 з

^ -0,1

0,2

-0,3

20

40 60

Время, с

80

100

Рис. 4. Вариации выходных сигналов вблизи соответствующих трендовых зависимостей при исследованиях в модели грунтового массива: 1, 2 - вариации сигналов мессдоз Пті (Ґ) и V т2 (/) ; 3 -вариации сигнала ИК-радиометра V№ (Ґ)

ности, стремясь вернуться к величинам, определяемым тепловым равновесием образца с окружающей средой. Скорость таких изменений остается в любом случае существенно меньше, чем скорость скачкообразных изменений Ук (?) в моменты изменений нагрузки. Это позволяет считать деформирование образца в указанные моменты квазиабатическим. Это значит, что выполняется основная физическая предпосылка эффективности ИК-диагностики, принципиальные моменты которой излагаются во второй главе.

При обработке результатов ИК-измерений и нахождения по ним количественной оценки вариаций напряжений, действующих на забое "скважины", учитывается наличие в полученных временных зависимостях низкочастотной трендовой составляющей, появление которой обусловлено изменениями внешних условий. Трендовая составляющая Р* (?) функции Ук (?) оценивается ее прямолинейной аппроксимацией через начальный

(до первого нагружения) и конечный (через 10-20 сек после снятия нагрузки) участки (см. рис. 3). При дальнейшем анализе данных измерений вместо Ук (?) рассматривалась функция Пк (?) = У„ (?) - рг (?) , практически не зависящая от тренда.

Аналогично, вместо Ут1(?) и Ут2 (?) удобно рассматривать соответствующие отцентрированные функции и т1 (?) и ит2(?) , с которыми и сравнивается

(?) . Такое сравнение выполнено на рис. 4, из которого ясно видна качественная идентичность результатов измерений вариаций мощности ИК-излу-чения вариациям параметров напряженного состояния в грунте, однозначно определяющих соответствующие вариации напряжений в той зоне (забой скважины), где выполняются ИК-измерения.

Для проведения ИК-радиометри-ческих измерений для фиксации изменений напряжений в «крупномасштабных» (объемом порядка 0,6 м3) образцах горных пород, подвергаемых ударным воздейст-

0

виям, был собран лабораторный стенд (рис. 5), 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 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-радиометричес-ких измерений, является наличие теплообмена с окружающей средой, а также присутствие аппаратурных шумов в регистрируемых сигналах. Однако, поскольку при увеличении характерного размера исследуемой области скорость теплообмена падает [3], то при наблюдениях на образцах больших размеров или, тем более, в забое скважины в массиве, предположение о «квазиадиаба-тичности» процесса деформирования может приниматься с большей обоснованностью. При наблюдениях в скважине существенным фактором, повышающим достоверность оценок вариаций напряжений по данным ИК-радиометрии, окажется также

Рис. 5. Схема стенда для испытаний «массива» геоматериала (бетона) со «скважиной»: 1 - цилиндрический лоток с бетонной массой; 2 - маятниковое устройство; 3 -ИК-радиометр; 4 - блок управления и усиления сигнала; 5 - АЦП; 6 -персональный компьютер; 7 - точка приложения удара

уменьшение влияния внешней среды из-за ограничения возможности конвективного теплообмена.

Характерные примеры записей значений выходных сигналов, получаемых в результате прохождения первичных сигналов ИК-радиометра ((/)) через измерительно-вычислительный

тракт, показаны на рис. 6.

На приведенном графике вполне четко фиксируются начало и конец зоны неста-ционарности 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 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. 6, но с экранированным кабелем, показана на рис. 7.

І

ф

Ф

2

М

.0

н

то

н

.0

с

>

м

ф

о.

0,1

0,08

0,06

0,04

0,02

0

-0,02

-0,04

-0,06

і і

к

НІ

РЯПРПТІГ

1|Л . І^ .

10 15

Время, с

20

25

0

5

Рис. 6. Запись результатов измерений (в вольтах) при моделировании ударного воздействия на массив скальной породы

Время, с

Рис. 7. Запись результатов измерений (с экранированным кабелем) (в вольтах) при моделировании ударного воздействия на массив скальной породы

Увеличение (примерно в 1,5 раза) отношения сигнал/шум в записи, приведенной на рис. 7, 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.

Таким образом, на «больших» объемах грунтов и горных пород показана возможность достоверного определения качественных (моменты изменений напряженного состояния «массива») и количественных (знаки и величины скачков) парамет-

ров процесса изменений напряжений во времени на основе бесконтактных ИК-измерений. С физической точки зрения, полученные результаты показывают, что процесс деформирования внутри образца указанных размеров с достаточной точностью можно считать адиабатическим, т.е. в условиях, моделирующих реальные измерения в массиве, выполняется основная физическая предпосылка эффективности ИК-диагностики.

Проведенные исследования, показывающие эффективность предлагаемой ме-

1. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория упругости. - М.: ГИФМЛ.1965. 204 с.

2. Криксунов Л. З. Справочник по основам инфракрасной техники. М.: Советское радио. 1978. 400 с.

3. Sheinin V.I., Levin B.W, Motovilov E.A. Infrared diagnostics of stress variations in rock: the possibilities for monitoring prelimit mechanical processes in the earth’s crust // Earthquake Prediction Researches. 1997. V6. №1. Р. 138-147.

4. Шейнин В.И., Левин Б.В., Мотовилов Э.А., Морозов А.А., Фаворов А.В. Диагностика перио-

тодики, представляют интерес в связи тем, что практическое применение ИК-радиометрии для полевых измерений вариаций напряженного состояния массивов грунтов и горных пород может существенно расширить возможности экспериментальных наблюдений за происходящими в них динамическими и сейсмическими процессами, стать существенно информативным дополнением к традиционно используемым геофизическим методам оценки изменений их напряженного состояния.

--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

дических изменений напряженного состояния геоматериалов по данным инфракрасной радиометрии //. Известия РАН, Физика Земли . 2001. №4. С. 24-30.

5. Левин Б.В., Шейнин В.И., Блохин Д.И., Фаворов А.В. Инфракрасная диагностика отклика геоматериалов на импульсные и ударные нагрузки // ДАН. 2004. Т. 395. № 6, С. 822-824.

6. Техника экспериментального определения напряжений в осадочных породах / Под ред. Е.И. Шемякина. - Новосибирск: Наука, 1975.

— Коротко об авторах -------------------------------------------------------------------

Шейнин В.И. - заведующий лабораторией геомеханики подземных сооружений НИИОСП им. Н.М. Герсеванова - филиала ФГУП НИЦ «Строительство», профессор, доктор технических наук.

Блохин Д.И. - старший преподаватель кафедры физики Московского государственного горного университета.