CC BY
324
УДК 624.042.7
В. Н. СОРОКИН
Омский государственный технический университет
ВЛИЯНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПУАССОНА И КОЭФФИЦИЕНТА БОКОВОГО ДАВЛЕНИЯ ГРУНТА
НА ПРОЦЕСС ИЗЛУЧЕНИЯ УПРУГИХ ВОЛН
Рассмотрен механизм влияния коэффициента Пуассона и коэффициента бокового давления грунта на процесс излучения упругих волн. Показано, что сейсмические источники целесообразно устанавливать на грунтах с повышенной влажностью либо повышать их влажность искусственными методами.
В настоящее время подавляющее большинство месторождений России находится на завершающей стадии разработки, характеризующейся снижением добычи нефти. Ввод в эксплуатацию новых месторождений ограничен, поэтому особую актуальность приобретают мероприятия в области разработки методов увеличения нефтеотдачи пластов (МУН) [2].
Одним из перспективных МУН является виброволновое воздействие на пласт, осуществляемое двумя способами: 1) через призабойную зону скважины скважинными виброисточниками или поверхностными с передачей энергии на призабойную зону скважин через волновод; 2)виброисточниками,передающими сейсмическую энергию на нефтяной пласт с земной поверхности через толщу вышележащих горных пород. Данную технологию принято называть технологией объемного вибросейсмического воздействия на пласт (ВСВ). Это воздействие, в зависимости от мощности источника и свойств среды, охватывает большой участок пласта, его радиус достигает 5-7 км от виброисточника.
При проектировании сейсмических источников для проведения ВСВ, необходимо решить целый комплекс задач, от решения которых зависит интенсивность процесса формирования полезных волн. Это и способ нагружения грунта, размеры и форма излучающей плиты, ее жесткость и масса. Вместе с тем, процесс формирования и распространения сейсмических волн (и результата ВСВ) во многом зависит от свойств грунта, а это, в свою очередь, предъявляет особые требования к выбору места установки сейсмического источника на месторождении.
В основе формирования и распространения сейсмических волн в недрах Земли лежит напряженно-деформированное состояние грунта.
Наиболее важными показателями прочностных и деформационных свойства грунтов являются модуль упругости Е и коэффициент относительной упругой (общей) боковой деформации Мо ■
По диаграмме сжатия могут быть найдены значения модуля упругости Е и модулей деформации грунтов при нагружении Ен и разгружении Ер . Как известно, модуль упругости Е представляет собой коэффициент пропорциональности в законе Гука для случая простого продольного сжатия образца с возможностью его бокового расширения. При этом <тг * 0 , ах = °у = 0 , и закон Гука записывается в виде: аг = Еег
Величина /и - — = — , характеризующая соотнося ег
шение между поперечными (ех =еу) и продольной е2 относительными деформациями образца, называется коэффициентом поперечного расширения, который аналогичен коэффициенту Пуассона упругих тел. Это связано с тем, что грунты проявляют специфические свойства. Характерной особенностью грунтов как природных тел является их раздробленность, дисперсность, сложный состав и строение.
В состав природных грунтов входят разнообразные элементы, которые при рассмотрении можно объединить в следующие три группы: 1-твердые минеральные частицы; 2 - вода в различных видах и состояниях; 3-газообразные включения. Кроме того, в состав некоторых грунтов входят органические и органоминеральные соединения, также влияющие на их физические свойства.
Коэффициент Пуассона грунта находят по результатам опытов на трехосное сжатие, которые позволяют испытывать образцы любых грунтов при обжатии их определенным боковым давлением, что более полно отвечает их работе в природных условиях и дает наиболее достоверные результаты.
В отличие от этого, при испытании образцов на одноосное сжатие без возможности бокового расширения ех =еу =0 , отношение между поперечными, или боковыми ач = <тн , и осевым аг напряжениями определяется коэффициентом бокового давления:
С учетом приведенных соотношений из закона Гука, для какой либо из поперечных компонент относительных деформаций, например,
могут быть непосредственно получены следующие соотношения между коэффициентами Пуассона ц и бокового давления £ :
О.Я. Шехтер исследовала влияние коэффициента Пуассона грунта на процесс затухания колебаний
AG lg P
0 0,2 0,4 Q,6 0,8 i,0 1,2 1,4
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 a0=~j
гу 10 ß-- i 2
5 к
0,2 0,4 0,6 0,8
1,0
гтп„
1,4
„ . „ , - Gfn ¿ягп
Рис. 1. Графики зависимости значении А—^ от а0 = —-
2яг0
а) при ft =0,0; б) при //i=0,25; в)при =0>5.
5
м
«3
фундаментов. При этом были построены графики
л Сг0
(рис.1) изменения величины мя трех различ-
ных значений этого коэффициента (//] =0,0; Ич = = 0,25; =0,5) в зависимости от изменения аргумента а0 или, что-то же самое, от изменения частоты возмущающей силы [ 1 ]. где Р — амплитуда возмущающей силы; А — амплитуда колебаний фундамента; С — модуль сдвига грунта;
г0 - радиус приведенного круга площади основания фундамента; р — плотность грунта; 2щ
аЛ =-
длина поперечной волны.
Приведенные графики по характеру аналогичны резонансным кривым для системы с одной степенью свободы, обладающей затуханием. При этом затухание очень сильно зависит от величины коэффициента Пуассона грунта, с увеличением которого возрастает излучение энергии от колеблющегося фундамента в грунт, а следовательно, и затухание колебаний системы [1 ].
К настоящему времени многими исследователями проведены обширные лабораторные и полевые статические испытания механических свойств различных грунтов. На основании накопленных экспериментальных данных составлены справочные таблицы (табл. 1) [1] для определения ориентировочных значений коэффициентов Пуассона и бокового давления для различных грунтов.
По данным профессора Цытовича H.A. [3] в зависимости от вида и состояния грунтов значения коэффи-
Таблица 1
Ориентировочных значений коэффициентов Пуассона Ц и бокового давления ^
Коэффициент
Наименование фунтов Коэффициент бокового
Пуассона (Л давления ^
Песчаные грунты естественной влажности 0,25-0,35 0,30-0,45
Песчаные грунты водонасыщенные 0,35-0,40 0,45-0,65
Супеси 0,30-0,45 0,45-0,60
Суглинки 0,38-0,50 0,60-1,00
Глинистые грунты влажные, пластичные
Глинистые грунты плотные, полутвердые и твердые 0,20-0,40 0,25-0,60
циента Пуассона принимают следующие значения: для глин и суглинков твердых и полутвердых — р0 = 0,1-0,15; тугопластичых — Ро = 0,2-0,25; пластинных и текучепластичных — /Iq = 0,3-0,4 и текучих — Ро =0,45-0,5; для супеси (в зависимости от консистенции) — /j0 = 0,15-0,3; для песков - = 0,2-0,25.
Анализируя данные таблицы и данные проф. Цы-товича H.A. можно сделать вывод о том, что значения коэффициентов Пуассона и бокового давления песчаных и глинистых грунтов возрастают с возрастанием их влажности.
Это можно объяснить тем, что механизм сжимаемости грунта обусловлен наличием двух составляющих, первая из которых связана с уменьшением объема пор, а вторая, с объемной сжимаемостью компонентов скелета. В общем случае деформируемость как водонасыщенных, так и не водонасыщенных грунтов определяется обоими составляющими сжатия, причем степень участия каждой из них в суммарной сжимаемости грунтов зависит от многих факторов: плотности грунта, степени его водонасыщения, содержания в грунте защемленных газов, интенсивности изменения давления и др.
При быстром приложении внешней нагрузки к водонасыщенному связному грунту в начальный момент времени давления передаются в основном на воду, заполняющую поры грунта, напряжения в его скелете практически отсутствуют [ 1 ].
Таким образом, при создании на грунт вибрационных нагрузок давления в нем передаются в основном через воду, заполняющую его поры. Следовательно, чем выше влажность грунта, тем большая часть энергии передается через воду, которая по закону Паскаля передает давление во всех направлениях без изменений. Следствием этого является повышение коэффициента Пуассона и бокового давления. Нагрузка, таким образом, передается не только в направлении действия силы, но и в боковом направлении, вовлекая в противодействие больший объем
грунта, что способствует рассеиванию энергии в виде упругих волн.
В плотных грунтах имеющих низкую влажность, давления передаются большей частью через скелет и имеют направленный характер, Передача давлений через скелет грунта связана с перемещением зерен скелета и преодолением сил трения в зонах их контактов, что приводит к поглощению и затуханию энергии. При этом удельный вес энергии, излучаемой в виде упругих волн значительно ниже, чем в грунтах с повышенной влажностью.
Таким образом, сейсмические источники целесообразно устанавливать на грунтах с повышенной влажностью, обладающих повышенными коэффициентами Пуассона и бокового давления, что способствует излучению энергии в виде упругих волн. При отсутствии в зоне предполагаемой установки стационарного сейсмического источника грунтов с повышенной влажностью ее целесообразно повышать искусственными способами.
Автор благодарен д.т.н., профессору П.Д. Бала-кину за участие в постановке и обсуждении отмеченных в работе вопросов.
Библиографический список
1, Красников Н.Д. Динамические свойства грунтов и методы их определения. Л.: Стройиздат, 1970. - 239 с.
2, Симонов Б.Ф., Сердюков C.B., Передников E.H. и др. Результаты опытно-промысловых работ по повышению нефтеотдачи вибросейсмическим методом//Нефтяное хозяйство. — 1996. - №4. - с. 48-52.
3, Цытович Н.Я. Механика грунтов. М.: Высш. шк,, 1983. — 288 с.
СОРОКИН Владимир Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Основы теории механики и автоматического управления».
Защита диссертаций
В диссертационном совете Д 212,178,06 успешно защищена кандидатская диссертация Бак-лушиной Ирины Сергеевны «Разработка метода синтеза структур плоских многозвенных групп Ассура» по специальности 05.02.18 — «Теория механизмов и машин», Диссертация выполнена в Сибирском государственном индустриальном университете. Научный руководитель — доктор технических наук, профессор Дворников Леонид Трофимович.
Соискателем предложен метод синтеза структур плоских многозвенных групп Ассура с кинематическими парами пятого класса, позволяющий находить все многообразие названных плоских групп; приведено доказательство идентичности строительных шарнирных ферм группам Ассура и способ образования конструктивных схем строительных ферм; создан алгоритм построения механизмов высоких классов на основании полученного метода синтеза многозвенных групп Ассура.
Полученные научные результаты дополняют методы теории механизмов и машин в области синтеза структур механических систем. Способ создания конструктивных схем строительных ферм запатентован и впервые позволил получать жесткие системы сложного типа. Практическая значимость результатов исследования заключается в возможности создания механизмов, обладающих широкими функциями по обеспечению заданных траекторий и законов движения рабочих органов, а также в доказательстве идентичности задач синтеза сложных групп Ассура и создания конструкций строительных ферм, что позволило реализовать научные результаты исследования в строительном производстве и при проектировании сложных металлоконструкций.
Диссертационный совет рекомендует результаты, полученные в работе Баклушиной И.С., ддя использования в организациях, занимающихся проектированием многозвенных рычажных механизмов с новыми более широкими функциональными возможностями, разработкой и созданием строительных ферм, а также в других отраслях промышленности, использующих многозвенные конструкции.
