CC BY
8
УДК 53.092
DOI: 10.18303/2618-981X-2018-5-300-309
ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕОМЕХАНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ МОДЕЛЕЙ, ИМЕЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПОЛОСТИ, ПРИ КВАЗИСТАТИЧЕСКИХ И ЦИКЛИЧЕСКИХ НАГРУЗКАХ
Владимир Иванович Востриков
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 54, кандидат технических наук, зав. лабораторией горной геофизики, тел. (383)205-30-30, доп. 117, e-mail: vvi.49@mail.ru
Ольга Михайловна Усольцева
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 54, кандидат физико-математических наук, зав. ЦКП ГГГИ СО РАН, тел. (383)330-96-41, e-mail: usoltseva57@mail.ru
Павел Александрович Цой
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 54; Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник, тел. (383)330-96-41, e-mail: paveltsoy@mail.ru
КайсинВан
Ляонинский технический университет, 123000, Китай, г. Фусинь, кандидат технических наук, преподаватель факультета механики и инженерии, e-mail: kaixing_wang@163.com
Эксперименты на моделях с полостями в виде: круга, усеченного эллипса различных размеров, при действии на них вертикальных квазистатических и циклических воздействий показали, что в моделях формируются четыре зоны: две по бокам полости, которые воспринимают основную нагрузку, и две - в центральной части моделей сверху и снизу от полости. При этом температура теплового поля в нагруженных зонах возрастает на 1,8 °С, а на финальной части эксперимента - на 2,2 °С. Непосредственно в месте разрыва температура кратковременно возрастает на 2,8 °С, которая затем быстро рассеивается в окружающее тело модели. Разнонаправленная деформация модели в горизонтальной плоскости приводит к тому, что разрывные нарушения сплошности происходят сначала по центру центральных зон с малым уровнем напряжений. С повышением нагрузки, разрывные нарушения возникают на границах ненапряженных и напряженных зон. Прямые углы полостей, имеющих вид усеченных эллипсов, служат инициаторами разрывных нарушений сплошности. При циклическом воздействии нагрузки на модель направления деформаций зон, несущих основную нагрузку, меняются в каждом цикле с одного направления на противоположное, что приводит к «раскачиванию» зон трещиноватости. В этом случае разрывные нарушения сплошности происходят при значительно меньших нагрузках. В момент времени начала потери устойчивости модели наблюдается резкое формирование разрывов, которое объясняется обратными деформационными процессами с выбросом накопленной энергии.
Ключевые слова: физическое моделирование, тепловое поле, технологическая полость, нагрузка, деформация, разрывное нарушение.
INVESTIGATION OF THE GEOMECHANICAL STATE OF PHYSICAL MODELS HAVING TECHNOLOGICAL CAVITIES UNDER THE ACTION OF QUASISTATIC AND CYCLIC LOAD
Vladimir I. Vostrikov
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 54, Krasny Prospect St., Novosibirsk, 630091, Russia, Ph. D., Head of Mining Geophysics Laboratory, phone: (383)205-30-30, extension 117, e-mail: vvi.49@mail.ru
Olga M. Usol'tseva
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 54, Krasny Prospect St., Novosibirsk, 630091, Russia, Ph. D., Head of the Shared Use Center for Geomechanical, Geophysical and Geodynamic Measurements SB RAS, phone: (383)330-96-41, e-mail: usoltseva57@mail.ru
Pavel A. Tsoi
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 54, Krasny Prospect St., Novosibirsk, 630091, Russia; Novosibirsk State Technical University, 20, Prospect K. Marx St., Novosibirsk, 630073, Russia, Ph. D., Researcher, phone: (383)330-96-41, e-mail:paveltsoy@mail.ru
Kaixing Wang
Liaoning Technical University, Fuxin, 123000, China, Ph. D., Lecturer, College of Mechanics and Engineering e-mail: kaixing_wang@163.com
Experiments on models with cavities of different forms including a truncated ellipse of different sizes have been carried out. When the cavities are acted upon by vertical quasistatic and cyclical loadingit is shown that four zones are formed in the models: two on the sides of the cavity that perceive the main load, and two in the central part of the models above and below the cavity.The temperature of the thermal field in the loaded zones increases by 1.8 °C, and at the final part of the experiment by 2.2 °C. Directly at the fracture the temperature briefly increases by 2.8 °C, which then quickly dissipates into the surrounding body of the model.Multidirectional deformation of the model in the horizontal plane leads to the fact that the fault discontinuitiesfirstly occur in the center of the central zones with a low stress. As the load increases, the discontinuities occur at the boundaries of unstress and stress zones.The straight angles of the cavities, which look like truncated ellipses, cause the fault discontinuities.When the load acts upon the model of the deformation zones direction carrying the basic loading, they change from one direction to the opposite in each cycle, which leads to "rocking" of the fracturing zones. In this case, the fault discontinuities occur at much lower levels of loads.When the model is losing its stability, a sharp formation of discontinuities is observed, which is explained by inverse deformation processes with the release of accumulated energy.
Key words: physicalmodeling, thermal field, technological cavity, loading, deformation, discontinuity.
1. Введение
Существует два вида тепловых эффектов, регулирующих изменение температурного поля в процессе загрузки -термоупругое действие и эффект трения. На ранней стадии нагрузки температурное поле в основном контролируется термоупругим эффектом, изменение температуры линейно связано с суммарным изменением основных напряжений, растягивающих или сжимающих,
вызывающих уменьшение или повышение температуры. Небольшие деформации на ранней стадии нагружения приводят к неочевидным изменениям температурного поля.На данном этапе может появиться высокопрочное трение скольжения на локальном участке, поэтому некоторые локальные области будут обладать высокой температурой из-за эффекта трения.
При пластической стадии проявляется необратимое пластическое искажение, изменение деформации становится больше, а температурное поле, контролируемое эффектом трения, имеет более высокую температуру. При этом наблюдаются сигналы акустической эмиссии с большой энергией. Эта основа может быть применена для раннего прогноза развития трещиноватости горных пород и предупреждения тектонической активности [1].
Экспериментальные результаты показывают, что поле деформации, температурное поле и поле акустической эмиссии все время изменяются в пространстве [2]. Область концентрации напряжений соответствует площади изменяющейся температуры, деформации сжатия и площади растяжения соответствуют области высокой или низкой температуры, где соответственно возрастают сигналы акустической эмиссии. Появление и перенос больших напряженных точек соответствует изменению высокотемпературных точек [1].
В работе [3] приведены результаты экспериментов по разрыву сплошности на цилиндрических моделях, выполненных из различных материалов. Квазистатическая нагрузка осуществлялась на горизонтально расположенные модели. Предварительно на модели по диаметру прорезалась инициирующая щель. Регистрировалось поле микросейсмической эмиссии и тепловое поле. Показано, что при повышении нагрузки температура образца постепенно повышается, сигналы микросейсмической эмиссии имеют малую энергетику. В моменты разрывов сплошности температура в местах разрыва резко повышается, интенсивность микросейсмической эмиссии увеличивается.
В работах [4, 5] были проведены эксперименты по исследованию взаимосвязи между изменениями температуры теплового инфракрасного излучения (МДП), внешним видом деформированной модели на различных видах горной породы, а также на моделях выполненных из эпоксидной смолы. Высокая температура соответствует областям сжатия, а низкая - областям разгрузки.
Эксперименты на физических моделях с полостями в виде щелей, различной формы отверстий [6-8] выявили закономерности формирования теплового поля в зависимости от формы полости.
Установлены и исследованы общие закономерности развития локализации деформации на стадии предразрушения при сжатии горных пород [9]. Обоснована применимость спекл-фотографических методов к проблеме деформирования и разрушения горных пород.
В данном цикле работ исследуется зависимость характеристик теплового поля от квазистатической нагрузки на физических моделях,выполненных виде параллелепипедов,с различным видом полости: в виде круглого отверстия и в виде усеченного эллипса, имитирующего форму горной выработки.
В качестве материала для моделей выбран полиметилметакрилат (оргстекло), как наиболее удобный по техническим характеристикам и для визуализации процессов нарушения сплошности.
Эксперименты проводились на многопараметрическом стенде ЦКП геомеханических, геофизических и геодинамических измерений СО РАН, Институт горного дела СО РАН [10].
2. Эксперимент на модели с полостью в виде круглого отверстия
В [2] приведено описание эксперимента на керне размерами: диаметр 50,8 мм и высота 127 мм. По середине цилиндра выполнено отверстие диаметром 5,2 мм. Регистрировалось теплое поле и поле микросейсмической эмиссии.
В данной работе эксперименты проводились на модели размерами 52^52x25 мм с полостью в виде круглого отверстия диаметром 15 мм посере-дине.Нагружение осуществлялось в режиме постоянного смещения 0,1 мм/мин. На рис. 1 приведены фотографии модели и соответствующие температурные поля при различных значениях нагрузки.
И
М
б)
Рис. 1. Результаты эксперимента при одноосном сжатии модели из оргстекла с круглым отверстием: фотография модели (слева) и соответствующее температурное поле (справа) при значениях нагрузки:
а) 5,5 т; б) 6,4 т; в) 10,2 т
При повышении нагрузки до 5,5 т наблюдается постепенное повышение температуры в боковых от отверстия зонах модели, т. е. эти области принимают на себя основную нагрузку (рис. 1, а). Температура в этих областях повышается на 1,5 ^ 2 °С. Исходная температура модели 22 °С. Центральные области снизу и сверху от отверстия не подвергаются напряжениям за счет свободной границы с полостью. Разнонаправленная деформация слева и справа от отверстия приводит к началу разрывных нарушений сплошности по центру вверх и вниз.
Затем с повышением нагрузки (рис. 1, б) до 6,4 т формируется диагональный разрыв сплошности под углом 45°, температура в боковых зонах повышается до 24,7°. При дальнейшем увеличении нагрузки области повышенной температуры трансформируются в лепестковую структуру, при этом температура в них повышается до 25 °С. Размер разрывных нарушений увеличивается, меняется их направление на вертикальное, соответственно, вверх и вниз.Таким образом, разрывы «устремляются» в зоны, подвергающиеся меньшим нагрузкам. Величина разрывов по центры практически не увеличивается. Происходит
процесс «залечивания» этих разрывов, за счет формирования существенных диагональных разрывов.
При дальнейшем увеличении нагрузки до 10,2 т (рис. 1, в) лепестки трансформируются в «крылья бабочки», температура при этом возрастает до 25,33 °С. Необходимо отметить, что вид теплового поля, генерируемого в эксперименте, полностью идентичны виду и характеру теплового поля, полученного в работе [2].
При разгрузке модели, при переходе в отрицательный наклон нагрузочной характеристики, обратная деформация модели под действием уменьшающейся вертикальной статической нагрузки привела к образованию второй пары вертикальных разрывных нарушений сплошности по боковым сторонам отверстия (фотография на рис. 1, в), которые разделили модель на четыре области: две расположенные по центру сверху и снизу отверстия, и две - справа и слева от отверстия. При этом разрывы по центру модели своих размеров не увеличили.
Таким образом, при действии на модель вертикальной квазистатической нагрузки, диаметрально расположенные от отверстия зоны напряжения и, соответственно, разнонаправленная деформация модели в горизонтальных направлениях, приводят к разрывам сплошности в центральной области модели. В модели с полостью в виде круглого отверстия образуется четыре характерные зоны: две - не подвержены нагрузке за счет наличия свободной границы, и две -несущие основную нагрузку. Разрывные нарушения образуются по центру ненапряженных зон, а также на границах ненапряженных и напряженных зон.
Характер изменения температурного поля при различных значениях нагрузки позволяет определить местоположение зон локализации микродеформаций, а также места выхода основных разрывов на поверхность образца при нагрузках, меньших пика, когда образец сохраняет еще свою целостность.
3. Эксперимент на модели с полостью в виде усеченного эллипса с размерами по осям 40 х 40 мм
Модель выполнена также из оргстекла размерами 100 х 100 х 25 мм с полостью в виде усеченного эллипса, имитирующей форму горной выработки, с осями 40 х 40 мм. На рис. 2 приведена нагрузочная характеристика.
На рис. 3 приведены выборочные фотографии вида модели и, соответствующие им, снимки теплового поля.
При небольшой нагрузке, точка 1 на графике нагрузки, что соответствует 3,1 т, температура модели составляет примерно 23,4 °С. Это состояние принимаем за исходное. Затем, с повышением нагрузки, точка 2 - 11 т, боковые зоны модели, как и в случае с круглым отверстием, начинают принимать нагрузку. Температура повышается до 24,1 °С. Также начинают формироваться четыре зоны.Слевой стороны основания полуэллипса происходит разрыв сплошности. Этот угол послужил инициатором разрыва. В месте разрыва температура резко возросла до 25 °С. Момент разрыва фиксируется отрицательным скачком нагрузки (точка 2 на нагрузочной характеристике).
12
10
н
О 8
(С
X С 6
С а 4
I
->
0
У^ 1
[Т- 001_18-12-2017
Г-!> 1 1 1 г т 1 г 1 [-т-т т "1 Г 1 1 I |
о
1000 2000 3000 4000
Время сек Рис. 2. Нагрузочная характеристика
Повышение нагрузки до 11,8 т (точка 3) приводит к прорастанию трещины, которая приобретает серповидный вид. Левый край горизонтальной плоскости начинает выпирать в свободное пространство полости. Направление развития разрыва спошности стремится в зону пониженного напряжения. Этот момент также регистрируется на нагрузочной кривой. Дальнейшее повышение нагрузки приводит к образованию трещины в верхней части эллипса и к потере устойчивости модели, что приводит к снижению нагрузки до 11,7 т, точка 4.
а) б) в)
Рис. 3. Выборочные результаты эксперимента на модели с полостью 40 х 40 мм:
а) 11 т; б) 11,8 т; в) 11,7 т
4. Эксперимент на моделях с полостью в виде усеченного эллипса с размерами по осям 20 х 20 мм при действии циклической и квазистатической нагрузки
Полость имеет вид усеченного эллипса с размерами по осям 20 х 20 мм. Нагружение осуществлялось циклически в автоматическом режиме. График на-гружения приведен на рис. 4. На рис. 5 приведены выборочные фотографии вида модели и, соответствующие им, снимки теплового поля.
Время ^ сек
Рис. 4. Циклическая нагрузочная характеристика
Увеличение нагрузки до 7,9 т, точка 1 рис. 4, привело к разрыву сплошности в верхней части полости, рис. 5, а. Боковые зоны служат опорными элементами, воспринимающими основную нагрузку. Разнонаправленные деформационные процессы приводят к образованию разрывов в средней части модели, где напряжения небольшие.
Далее производится разгрузка модели и следующая нагрузка производится по циклу 3. При 12,3 т, точка 2, разрыв модели происходит уже посередине горизонтальной плоскости полости, рис. 5, а. Полость деформируется. Размер в горизонтальном направлении увеличивается, а в вертикальном уменьшается.
Температура в нижней части отверстия повышается. В этом же цикле при нагрузке 13 т, точка 3, происходит дальнейшее увеличение разрывов и начало образования разрывов в виде «лепестков» в нижней части полости, рис. 5, в.
Цикл 4, процесс пластичности, начинается с 13,4 т. При 14,4 т, точка 4 на графике нагрузки, происходит дальнейшее изменение размеров полости. Увеличение размера полости в горизонтальном направлении приводит к увеличению размеров «лепестков», рис. 5, в.
В момент образования «лепестков» модель теряет устойчивость, нагрузка «падает» до 14,3 т (отрицательная ветвь нагрузочной характеристики). Возникает процесс обратной деформации, который приводит к образованию разрывов из угловых точек полости по направлению вверх. Температура резко повышается до 25,2 °С.
Для сравнения процессов деформирования на такой же модели был проведен эксперимент с сквазистатическим нагружением с постоянным смещением 0,1 мм/мин.
Характер деформационных процессов при квазистатическом нагружении в этом эксперименте идентичен, что и в эксперименте с циклическим нагружением, поэтому, чтобы не нагружать объем статьи, фотографии не приводятся.
Различие состоит в том, что при квазистатическом нагружении потеря устойчивости произошла при нагрузке 16,05 т, т. е. практически на 1,4 т больше, чем при циклическом нагружении. Очевидно, при циклическом воздействии нагрузки на модель направления деформаций зон, несущих основную нарузку, меняются в каждом цикле с одного направления на противоположное, что приводит к «раскачиванию» зон трещиноватости и, как следствие, к уменьшению сопротивляемости этих зон нагрузкам.
Рис. 5. Выборочные фотографии результатов эксперимента на модели
с полостью 20 х 20 мм
5. Заключение
Проведенные эксперименты на моделях с полостями в виде круга и усеченного эллипса разных размеров при действии на них вертикальных квазистатических и циклических воздействий показали, что в моделях формируются четыре зоны: две по бокам полости, которые воспринимают основную нагрузку, и две в центральной части моделей сверху и снизу от полости. При этом температура теплового поля в нагруженных зонах возрастает на 1,8 °С, а на финальной части эксперимента - на 2,2 °С. В месте разрыва температура кратковременно достигает величины 25,3 °С, что на 2,8 °С выше исходной температуры, которая затем быстро рассеивается в окружающее тело модели.
Разнонаправленная деформация модели приводит к тому, что разрывные нарушения сплошности происходят сначала по центру центральных зон с малым уровнем напряжений. Затем, с повышением нагрузки, разрывные нарушения возникают на границах ненапряженных и напряженных зон.
Прямые углы в полостях, имеющих вид усеченных эллипсов, служат инициаторами разрывных нарушений сплошности.
При циклическом воздействии нагрузки на модель направления деформаций зон, несущих основную нарузку, меняются в каждом цикле с одного направления на противоположное, что приводит к «раскачиванию» зон трещино-ватости и, как следствие, к уменьшению сопротивляемости этих зон нагрузкам. В этом случае разрывные нарушения сплошности происходят при значительно меньших нагрузках.
В момент времени начала потери устойчивости модели наблюдается резкое формирование разрывов, которое объясняется обратными деформационными процессами с выбросом накопленной энергии.
Благодарности
Авторы выражают благодарность ведущим специалистам ЦКП Института горного дела и лаборатории горной геофизики Семенову В. Н., Персидской О. А. и Сидорову Д. В. за техническую помощь при выполнении экспериментальных работ и обработке полученных результатов.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ № 16-05-00992.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙСПИСОК
1. Shi Y., He Q., Liu S., Wu L. The Time-space Relationship between Strain, Temperature and Acoustic Emission of Loaded Rock. // Progress In Electromagnetics Research Symposium Proceedings. Xi'an, China. - 2010. - March 22-26.
2. Aker E., Kuhn D., Vavrycuk V., Soldat M., Oye V. Experimental investigation of acoustic emissions and their moment tensors in rock during failure. // International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences. - 2014. - Vol. 70. - С. 286-295.
3. Nejati H.R., Ghazvinian A. Brittleness Effect on Rock Fatigue Damage Evolution. // Rock Mechanics Department, School of Engineering, TarbiatModares University. - Tehran, Iran. -2013. - 24 October.
4. Geng, N. G., Cui C. Y., Deng M. D. Remote sensing detection of rock fracturing experiment and the beginning of remote rock mechanics. // ActaGeoscientiaSinica. - 2002. - Vol. 14. -C. 645-652.
5. Zhang D. S., An L. Q. Stress distribution and variation on infrared thermograph and photoelastic technique. Journal of Jiaozuo Institute of Technology. - 2001. - Vol. 20. - No. 3. -С.225-228.
6. Ma, J., Ma S. P., Liu P. X. et al. Thermal field indicators for identifying active fault and its instability from laboratory experiments. // Seismology and Geology. - 2008. - Vol. 30. - No. 2. -С. 364-381.
7. Ma, J., L. Liu Q., Liu P. X. et al. Thermal precursory pattern of fault unstable sliding. An experimental study of EN echelon faults. // Chinese Journal of Geophysics. - 2007. - Vol. 50. -No. 4. - С. 1141-1149.
8. Liu, P. X., Ma J., Liu L. Q. et al. An experimental study on variation of thermal fields during the deformation of a compressive en echelon fault set. // ProgressinNaturalScience. - 2007. -Vol. 17. - No. 3. - С. 298-304.
9. Zuev L.B., Barannikova S.A., Nadezhkin M.V., Gorbatenko V.V. Localization of deformation and prognostibility of rock failure. // Journal of Mining Science. - 2014. -vol.50. - iss. 1. -С.43-49. doi.org/10.1134/S1062739114010074.
10. Oparin V.N., Vostrikov V.I., Tsoi P.A., Semenov V.N. Measuring Equipment and Test Bench to Control Evolution of Acoustic-Deformation and Heat Fields Induced in Solids under Failure by Fluids. // Journal of Mining Science. - 2015. - vol. 51. -iss. 3. -С. 624-633. doi: 10.1134/S106273911503028X.
REFERENCES
1. Shi Y., He Q., Liu S., Wu L.(2010). The Time-space Relationship between Strain, Temperature and Acoustic Emission of Loaded Rock. Progress In Electromagnetics Research Symposium Proceedings. Xi'an, China, March 22-26.
2. Aker E., Kuhn D., Vavrycuk V., Soldat M., Oye V. (2014). Experimental investigation of acoustic emissions and their moment tensors in rock during failure. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, Vol. 70, pp. 286-295.
3. Nejati H.R., Ghazvinian A. (2013). Brittleness Effect on Rock Fatigue Damage Evolution. Rock Mechanics Department, School of Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran, 24 October.
4. Geng, N. G., Cui C. Y., Deng M. D. (2002). Remote sensing detection of rock fracturing experiment and the beginning of remote rock mechanics. Acta Geoscientia Sinica, Vol. 14, pp. 645652.
5. Zhang D. S., An L. Q. (2001). Stress distribution and variation on infrared thermograph and photoelastic technique. Journal of Jiaozuo Institute of Technology, Vol. 20, No. 3, pp. 225-228.
6. Ma, J., Ma S. P., Liu P. X. et al. (2008). Thermal field indicators for identifying active fault and its instability from laboratory experiments. Seismology and Geology, Vol. 30, No. 2, pp. 364381.
7. Ma, J., L. Liu Q., Liu P. X. et al. (2007). Thermal precursory pattern of fault unstable sliding. An experimental study of EN echelon faults. Chinese Journal of Geophysics, Vol. 50, No. 4, pp.1141-1149.
8. Liu, P. X., Ma J., Liu L. Q. et al. (2007). An experimental study on variation of thermal fields during the deformation of a compressive en echelon fault set. Progress in Natural Science, Vol. 17, No. 3, pp. 298-304.
9. Zuev L.B., Barannikova S.A., Nadezhkin M.V., Gorbatenko V.V. (2014). Localization of deformation and prognostibility of rock failure. Journal of Mining Science, vol. 50, iss. 1, pp.43-49. doi.org/10.1134/S1062739114010074.
10. Oparin V.N., Vostrikov V.I., Tsoi P.A., Semenov V.N. (2015). Measuring Equipment and Test Bench to Control Evolution of Acoustic-Deformation and Heat Fields Induced in Solids under Failure by Fluids. Journal of Mining Science, vol.51, iss. 3, pp. 624-633. doi: 10.1134/S106273911503028X.
© B. H. BocmpuKoe, O. M. Ycoxb^ea, n. A. ^u, Kaucun Ban, 2018
