Механизм реверсивных деформаций сильно сжатых образцов горных пород как основа прогнозирования геодинамических явлений и снижения рисков строительства Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

--© B.B. Макаров, A.M. Голосов,

Л.С. Ксендзенко, H.A. Опанасюк, 2013

УДК 622.236

В.В. Макаров, А.М. Голосов, Л.С. Ксендзенко, Н.А. Опанасюк

МЕХАНИЗМ РЕВЕРСИВНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ СИЛЬНО СЖАТЫХ ОБРАЗЦОВ ГОРНЫХ ПОРОД КАК ОСНОВА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ И СНИЖЕНИЯ РИСКОВ СТРОИТЕЛЬСТВА *

Представлены результаты экспериментальных исследований образов горных пород в предразрушаюшей области нагружения при одноосном сжатии. Исследованы механизмы формирования очага разрушения акустико-деформационным методом. Предложен деформационный предвестник разрушения образцов горных пород.

Ключевые слова: акустическая эмиссия, деформирование, разрушение, реверс деформаций, очаг разрушения, образец горной породы.

Предыдущие исследования показали, что до момента возникновения в образце макротрещины, т.е. до его разрушения, распределение деформаций внутри образца имеет определенную зависимость, которая может быть использована в качестве деформационных предвестников разрушения [1]. Для исследования картины разрушения образцов горной породы при одноосном сжатии испытывались образцы риолита цилиндрической формы высотой 108 мм и диаметром 54 мм (рис. 1).

Измерение продольных и поперечных деформаций проводится тензорезисторами BE-10-4BC. Показания тензорезисторов фиксируется устройством УИУ 2002. Для построения объёмной картины трещинообразования на боковой поверхности образца установлены девять акустико-эмиссионных датчиков MSAE-P500. Схема расположения датчиков представлена на рис. 1 Все данные акустических сигналов фиксировались и обрабатывались на акустико-эмиссионным измерительном комплексе INTERUNIS A-Line 32D.

*Работа выполнена при поддержке Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (гранты Г/К 14.740.11.1214 от 14.06.11 и №14.А18.21.1980) и Гранта Минобрнауки РФ №7.8652.2013 в рамках Государственного задания.

Рис. 1. Схема расположения датчиков

О о

1—1 - тензодатчики. 4—'

- тензодатчики, *—' - датчики акустической эмиссии

18 Ш±L

6

5jHL

30 ЩИ.

"О"

15

16

14

M □

4 2

з m 1П

U U

ü 26

щп 25:—'

Рис. 2. Установка образца на испытательную машину

Образец устанавливается на испытательную машину и производится одноосное нагружение, с постоянным коэффициентом увеличения до достижения предела прочности (рис. 2).

В результате нагружения получились следующие зависимости линейных деформаций (см. рис. 3-6).

Из приведённых графиков видно, что в предразрушающей области нагружения показания отдельных пар датчиков отклоняются от линейной зависимости. Причём, если одна пара датчиков показывает аномальное увеличение деформаций, то другая - их уменьшение с ростом напряжений (деформации реверсивного типа).

Для объяснения такого поведения деформаций необходимо проанализировать положение очага разрушения и момент начала его формирования. Изменение интенсивности АЭ во время нагружения показано на рис. 7.

1

£х

/

-Т-О-г-т-

-2 0 2 4

Линейные деформации, *10л-3 г

6

Дат 1 Дат 2 Дат 3 Дат 4 Дат 5 Дат 6 Дат 7 Дат 8 Дат 9 Дат 10 Дат 11 Дат 12

Рис. 3. Линейные деформации в центральной части образца

Рис. 4. Линейные деформации датчиков 1 и 2

Рис. 6. Линейные деформации датчиков 13 и 14

Дат 13 Дат 14 Дат 15 Дат 16 Дат 17 Дат 18 Дат 19 Дат 20 Дат 21 Дат 22 Дат 23 Дат 24

Рис. 5. Линейные деформации в верхней части образца

а ф

о

О <

л

I-

о

о

X

ш г

о

[I

I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I

■V # гр & # ^ 4 Ф <ф Й <Р ^ # & Щ Ф § ё -р & 4

л3 Щ Ж Ж Ж г.у gv гЛ? Ж гУ л* ж r{f J" jA.il

V V <V щг Tff ty V 'ly 'v V fV W- itf 'ly Щ 'V V %

Напряжение (MПа)

Рис. 7. Интенсивность АЭ

Как видно из рис. 7 активное трещинообразование начинается, начиная с уровня нагружения в 224,54 МПа, что соответствует моменту отклонения кривых напряжение-деформация от линейной зависимости. Рассмотрим положения очага разрушения относительно пар тензорезисторов (рис. 8-9).

Рис. 8. Положение очага разрушения (вид вдоль макроразрыва)

/ + * / \ 5,6 1

111,12 |

Рис. 9. Положение очага разрушения (вид сверху)

Интерес представляют приращения линейных деформаций в точках, испытывающих влияние очага разрушения и располагающиеся в его окрестностях (рисунки 10-12).

Напряжение (МПа)

Рис. 10. Приращение деформаций (датчики 1,2), очаговая область

от очага

Рис. 12. Приращение деформаций (датчики 13,14), область выше очага

Анализ графиков показывает, что в очаговой зоне наблюдается аномальное увеличение продольных и поперечных деформаций, а в зонах, прилегающих к очагу, деформационная картина разнится. В области сбоку от очага наблюдается реверс поперечных деформаций, связанный с аномальным увеличением поперечных деформаций в очаге. В области выше очага наблюдается реверс продольных деформаций, связанный с уменьшением модуля упругости в очаге. Общая схема данного процесса представлена на рис. 13.

Рис. 13. Схема формирования и развития очага разрушения

Аномальное реверсивное деформирование горных пород в предразрушающей области нагружения, связанное с очаговой областью, может служить основой прогнозирования геодинамических явлений, наряду с традиционными предвестниками, позволяя не только предсказывать разрушения, но и прогнозировать положение и направление развития макродефекта [4].

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гузев М.А., Макаров В. В. Деформирование и разрушение сильно сжатых горных пород вокруг выработок. - Владивосток: Дальнаука, 2007. -

2. Куксенко В.С., Гузев М.А., Макаров В.В., Рассказов И.Ю. Концепция сильного сжатия горных пород и массивов.- Вестник Дальневосточного гос. Технич. ун-та. Дальн. гос. тех. ун-т. Владивосток 2011. - №3/4 (8/9). С. 1-45

3. Макаров В.В., Ксендзенко Л.С., Опанасюк А.А. Периодический характер деформирования образцов сильно сжатых горных пород. Горный информационно-аналитический бюллетень, 2008, №1, с. 185-188

4. Guzev M.A., Makarov V.V., Ushakov A.A. Modeling elastic behavior of compressed rock samples in the pre-failure zone//Journal of Mining Science, Springer New York Edit., v. 41, No. 6, pp. 497-509, 2005. S2S

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Макаров Владимир Владимирович - доктор технических наук, профессор, e-mail: [email protected]

Ксендзенко Людмила Степановна - кандидат физико-математических наук, доцент, e-mail: [email protected];

Опанасюк Николай Александрович - старший преподаватель, e-mail: [email protected]

Голосов Андрей Михайлович - аспирант, e-mail: [email protected] Дальневосточный федеральный университет, Владивосток;

232 с.