Эволюция поля деформации при формировании разрыва в неоднородно нагруженных горных породах в экспериментах на сжатие и растяжение.

2003-2005 гг

Руководитель проекта к.физ.-мат.н. Дьяур Н.И.

Участники проекта: Ребецкий Ю.Л., Михайлова А.В.

Отчет за 2003 г

Была проведена подготовка тензометрической и ультразвуковой аппаратуры на основе компьютерной регистрации сигналов. Разработаны высокочувствительные усилители электрических сигналов. Развито теоретическое основание предлагаемого методического подхода по комплексному анализу процесса разрушения в неоднородно нагружаемых образцах. Впервые выполнены исследования эволюции параметров деформированного состояния в инвариантных характеристиках полного тензора деформаций. Осуществлялось изучение поля деформаций и напряжений в образцах в виде сферических многогранников путем численного моделирования с помощью программного комплекса UWAY. Проведены эксперименты, по исследованию развития разрывов в зонах растяжения образцов, а также в зонах сочетания растяжения с различной величиной сдвиговой компоненты. Выполнены контрольные тензометрические наблюдения в удаленной от включения с НРС точке образца и одновременно на гранях, где предполагается возникновение зоны растяжения. Разработаны методика проведения экспериментов и комплекс программ по обработке экспериментальных данных. Проведена первая серии экспериментов на сферически многогранных образцах в условиях одноосного сжатия. Подготовлена база для экспериментального изучения развития процесса дилатансии в зоне растяжения на основе многоканальной многофункциональной платы АЦП L- 761. Проводилось комплексное изучение стадии перехода от упругого состояния к пластическому в зоне будущего разрыва по анализу коэффициента Лоде-Надаи, скоростей упругих волн, данных акустической эмиссии. Резкие изменения значений коэффициента Лоде-Надаи соответствуют смене характера деформирования и разрушения образцов

Отчет за 2004 г

Было проведено численное моделирование распределения напряжений внутри исследуемых моделей до разрушения, и после образования первой трещины с помощью программного комплекса UWAY. В результате исследования было описано трехмерное поле напряжений, в том числе: главные нормальные и касательные напряжения, а также коэффициент вида напряженного состояния (Лодэ- Надаи). Проведены эксперименты по исследованию развития разрывов в зонах неоднородного растяжения образцов при формировании разрывов. Тензометрические данные многоканальной регистрации показали, что для доломитового мрамора развитие деформаций и продвижение разрыва при растягивающих напряжениях происходит более вязко, чем для образцов мергелистого кальцитового известняка. Экспериментальные исследования формирования разрыва методом ультразвукового просвечивания между двумя источниками напряжения позволили выделить зоны возрастания и понижения скоростей упругих волн, и характерные отличия, связанные с составом горной породы. В более однородной среде, где формируется хрупкий разрыв, значительно меньше изменяются скорости упругих волн и нелинейные процессы деформирования этой среды проявляются в значительно более узком интервале времени перед разрывом. Проведено усовершенствование тензометрической системы на основе многоканальной многофункциональной платы АЦП L-761, что позволило подробно исследовать стадию, предшествующую формированию магистрального разрыва, путем существенного увеличения частоты опроса каналов в автоматическом режиме. В результате анализа и обобщения экспериментов по хрупкому разрушению неоднородно нагруженных образцов горных пород выделена стадия микроструктурной перестройки, в течение которой в области возникновения хрупкой трещины отрыва происходит формирование упорядоченной структуры микротрещин

Отчет за 2005 г

В рамках проекта осуществлялись комплексные теоретические и экспериментальные исследования развития хрупкого разрушения образцов горных пород, находящихся в условиях неоднородного напряженного состояния. Эксперименты осуществлялись с помощью внутренних (НРС – невзрывная разрушающая смесь) и внешних (гидравлические прессы) источников напряжения для призматических, кубических и многогранных образцов из песчаника, доломита и известняка. Наблюдения за процессом разрушения осуществлялось с использованием тензометрии, ультразвукового просвечивания и регистрации акустической эмиссии (АЭ). Выполнено развитие теоретической базы тензометрических наблюдений, позволившее осуществлять изучение деформационных параметров с использованием инвариантных характеристик полного тензора деформаций. Проведено усовершенствование тензометрической системы на основе многоканальной многофункциональной платы АЦП L-761, что позволило подробно исследовать стадию, предшествующую формированию магистрального разрыва, путем существенного увеличения частоты опроса каналов в автоматическом режиме.
Экспериментальные исследования дополнялись расчетом напряженно-деформированного состояния образцов в упругой области деформирования и для стадии упругопластического деформирования (модель пластичности Друккера-Прагера) с использованием лицензионной программы по численному моделированию UWAY (ИПРИМ РАН).
Обработка данных тензометрических датчиков позволила выявить стадию нелинейного деформирования, предваряющую развитие хрупких отрывных трещин в образце с внутренними источниками нагружения. Установлено, что наиболее информативной характеристикой являются изменения коэффициента Лоде-Надаи, соответствующие смене характера деформирования и разрушения образцов. Результаты численного моделирования позволили выявить зависимость размера области пластического деформирования, развивающейся от цилиндрического отверстия к внешней поверхности образца, от интенсивности нагрузки приложенной к отверстию. Показано, что в области пластического течения изменения значений коэффициента Лоде – Надаи становится близким к наблюдаемому в эксперименте (происходит переход через значение -1 – одноосное растяжение, с последующим повышением до значений -0.6).
В экспериментах с горными породами по динамике развития разрывов отмечались два типа разрушения: относительно вязкое и хрупкое. По регистрируемым параметрам акустических событий отмечено проявление активности АЭ сравнительно раньше для вязкого разрушения в случае одноосного сжатия призматических образцов. В то же время при изменении вида нагружения (скол и изгиб) сохраняются качественно виды зависимости активности АЭ для относительно вязких и хрупких образцов.
Экспериментальные исследования формирования разрыва методом ультразвукового просвечивания между двумя внутренними источниками напряжения позволили выделить зоны возрастания и понижения скоростей упругих волн, и характерные отличия, связанные с составом горной породы. В более однородной среде, где формируется хрупкий разрыв, значительно меньше изменяются скорости упругих волн и нелинейные процессы деформирования этой среды проявляются в значительно более узком интервале времени перед разрывом. Выполненные исследования показали зависимость характера и скорости разрушения от вида напряженного состояния, обусловленного способом нагружения.