Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Экспериментальное исследование деформационных характеристик нарушений сплошности массива скальных пород

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Экспериментальное исследование деформационных характеристик нарушений сплошности массива скальных пород"

¿Ъ РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

^ ИНСТИТУТ ПИНАМИТСИ ГЕОСФЕР

ИНСТИТУТ ДИНАМИКИ ГЕОСФЕР

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НАРУШЕНИЙ СПЛОШНОСТИ МАССИВА СКАЛЬНЫХ ПОРОД

Специальность 04.00.22 - физика твердой Земли

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

На правах рукописи

Павлов Дмитрий Вячеславович

Москва 1998 г.

Работа выполнена в Институте динамики геосфер Российской

Академии наук. г _

Ндум-гЛге : ^.-р.-^.й. Коп^лн I - \

к. т. И. Кск^МлгМлсо И-с

Официальные оппоненты:

доктор технических наук С.М. Капустянский

доктор физико-математических наук И.О. Китов

Ведущая организация:

Горный институт Кольского научного центра Российской Академии наук

Защита диссертации состоится « » мая 1998 г. в часов на заседании диссертационного Совета Д 200.39.01 в Институте динамики геосфер РАН.

Адрес: г. Москва, Ленинский проспект, д. 38, корп. 6. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИДГ РАН. Автореферат разослан « и » апреля 1998 г. Ученый секретарь Совета

кандидат физико-математических наук /О Г ----В.А. Рыбаков

мл»

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Развитие механики скальных пород и таких областей геофизики как сейсмология, механика землетрясений и т.д. в 80-е - 90-е годы во многом определяется тем, что необходимо учитывать дискретное строение твердой Земли. До последнего времени в геофизике и механике горных пород широко использовались континуальные модели, в которых характеристики среды усреднялись по пространству, а диссипативные свойства в основном приписывались относительно мелким неоднородностям.

Однако, большая часть общей деформации массива локализуется на более податливых контактах между блоками, поэтому при рассмотрении любых механических процессов в блочном горном массиве - от распространения микросейсмических колебаний до разрушения подземных выработок - на первый план выходит необходимость адекватного описания деформационных свойств межблоковых промежутков - нарушений сплошности земной коры различного масштаба.

Систематические исследования нормальных и сдвиговых деформационных свойств нарушений сплошности достаточно интенсивно проводились в последние три десятилетия как российскими, так и зарубежными специалистами. Подавляющее большинство результатов получено при испытаниях образцов лабораторного масштаба. Причина этого состоит в том, что существующие методы статических испытаний натурных трещин даже небольшого размера весьма трудоемки, а традиционные сейсморазведочные методы, основанные на измерении скоростей распространения волн, малопригодны для определения механических характеристик таких объектов как тонкие, по сравнению с размером блоков, межблоковые промежутки.

Попытки описать поведение горного массива при весьма ограниченном количестве прямых измерений деформационных свойств природных нарушений сплошности привели к появлению большого числа недостаточно адекватных моделей. В силу этого, несмотря на значительное развитие в последние годы вычислительных методов, способных описывать деформирование дискретных (в том числе трехмерных) моделей, результаты, полученные этими методами, носят, как правило, иллюстративный характер.

Таким образом, проблема разработки методологии экспериментального определения деформационных свойств нарушений сплошности массива скальных пород в условиях естественного залегания и изучения закономерностей их деформирования является актуальной.

Цель данной работы - разработка методических основ экспериментальных способов оценки деформационных характеристик разрывных нарушений различного масштаба в условиях естественного залегания и определение закономерностей нормального и сдвигового деформирования нарушений сплошности массива скальных пород.

Основные задачи исследований.

1. Выбор экспериментальных методов, пригодных для измерения деформационных характеристик нарушений сплошности массива скальных пород в широком диапазоне изменения параметров как в лаборатории, так и в условиях естественного залегания.

2. Разработка методик проведения измерений и обработки полученных результатов.

3. Исследование механики деформирования нарушений сплошности массива скальных пород и оценка деформационных характеристик межблоковых промежутков различных типов.

На защиту выносятся следующие основные положения.

• Использование результатов измерения амплитудных и временных параметров сейсмических колебаний для оценки деформационных свойств межблоковых промежутков в массиве скальных пород при нормальном и сдвиговом деформировании.

• Методы инструментального определения деформационных характеристик нарушений сплошности массива скальных пород в условиях естественного залегания и способы обработки экспериментальных данных.

• Результаты инструментальных измерений деформационных свойств межблоковых промежутков различных типов.

• Нелинейный характер нормального и сдвигового деформирования нарушений сплошности.

Научная новизна работы.

• Разработаны научно-методические основы экспериментальных способов определения деформационных характеристик нарушений сплошности массива скальных пород.

• Впервые проведено систематическое исследование процесса динамического деформирования нарушений сплошности массива скальных пород в условиях естественного залегания.

Достоверность основных результатов обеспечивается:

• сопоставимостью данных, полученных с использованием различных независимых измерительных методик;

• проведением измерений как в лабораторных, так и в полевых условиях;

• сравнением полученных результатов с данными ранее проведенных исследований в России и за рубежом.

Личный вклад автора:

• участие в постановке задачи;

• анализ литературных источников и обоснование методов исследований;

• разработка методик проведения экспериментов и обработки их результатов;

• изготовление и апробация датчиков;

• подготовка и проведение лабораторных и полевых экспериментов;

• обработка результатов экспериментов.

Практическая значимость.

Полученные результаты способствуют более глубокому пониманию механики процессов деформирования блочных горных массивов.

Установленные в работе деформационные свойства межблоковых промежутков различных типов могут быть использованы при решении различных инженерных задач.

Разработанные методы экспериментального определения деформационных характеристик нарушений сплошности массива скальных пород могут применяться для получения исходных данных при создании расчетных моделей крупных подземных сооружений и объектов горнодобывающей промышленности.

Принципы, использованные в работе, могут быть также применены для обследования объектов более крупного масштаба таких, как месторождения углеводородов, сейсмогенные разломы, области повышенной проницаемости земной коры.

Апробация работы.

Основные положения работы докладывались на семинарах ИДГ РАН в 1992-1998гт.; 1-м Международном семинаре «Напряжения в литосфере (глобальные, региональные, локальные)», Москва, 1994г.; XXXVIII-й Научной конференции МФТИ, Долгопрудный, 1994г.; 1-ом Международном форуме по анализу разрывных деформаций и моделированию сред с нарушениями сплошности (First International Forum on Discontinuous Defomation Analysis and Simulations of Discontinuous Media), Беркли, США, 1996г.; 36-м Симпозиуме США по механике горных пород «NYRocks'97», Нью-Йорк, 1997г.; XI-й Российской конференции по механике горных пород, С.-Петербург, 1997г.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 9-ти статьях и 7-ми научных отчетах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит го введения, четырех глав, заключения и содержит 93 страницы основного текста, 99 рисунков, 10 таблиц и список литературы из 105 наименований.

Автор выражает искреннюю благодарность своим научным руководителям Г.Г.Кочаряну и Н.В.Кабыченхо за большую помощь в выполнении работы, В.Н.Костюченко за многочисленные ценные замечания, высказанные при обсуждении результатов исследований, а также А.Г.Новикову за помощь в проведении лабораторных и полевых опытов и всем участникам Выборгской экспедиции ИДГ РАН 1990 - 1996 гг. Автор признателен сотрудникам НИЦ 26 ЦНИИ МО РФ за помощь в организации полевых работ.

СОДЕРЖАНИЕРАБОТЫ

Во введении проводится краткий обзор работ по тематике исследований. Обосновывается актуальность темы диссертационной работы, формулируются цели и задачи исследований, основные защищаемые положения.

Глава I. Постановка задачи и выбор экспериментальных методов.

В разделе 1.1 рассмотрены некоторые системы классификации разрывных нарушений, основанные, главным образом, на результатах геолого-геофизических обследований. Отмечается, что несмотря на существующие в литературе попытки, достоверно оценить деформационные свойства нарушений сплошности массива скальных пород на основе геологических данных не представляется возможным. Подчеркивается, что лишь прямые измерения могут дать фактический материал для построения адекватных моделей структурных нарушений.

В разделе 1.2 обосновывается выбор экспериментальных методов исследований. В данной работе в качестве основных характеристик нарушения сплошности используются нормальная и сдвиговая жесткости:

где а, т - нормальное и сдвиговое напряжение, действующее на разрывное нарушение, 1У„ и Ш, - относительное нормальное и сдвиговое смещение берегов нарушения.

В разделе дан аналитический обзор существующих методов исследований свойств структурных нарушений, на основании которого сделан вывод о том, что в качестве основы экспериментальных способов диагностики межблоковых промежутков целесообразно использовать сейсмические методы. Однако, традиционные методы сейсморазведки, использующие, в первую очередь, кинематические характеристики волн, малопригодны в силу недостаточной разрешающей способности. В то же время, измерение амплитудных и временных характеристик колебаний вблизи берегов разлома или трещины дает возможность определить как нормальную, так и сдвиговую жесткость нарушения сплошности.

В разделе 1.3 рассмотрены некоторые особенности распространения волн в трещиноватом скальном массиве. Приведено численное решение в акустическом приближении задачи о взаимодействии плоской продольной волны с разрезом в бесконечной упругой среде, с помощью которого рассмотрены закономерности деформирования нарушения сплошности при различных соотношениях длины падающей волны и толщины трещины. В частности, показано, что с увеличением длины волны увеличивается величина отношения деформации нарушения сплошности к деформации массива. Для короткой волны эпюра деформации нарушения по форме близка к эпюре смещения, а для длинной волны деформация по форме практически совпадает с эпюрой массовой скорости в падающей волне.

Показано, что для обработки результатов измерений параметров сейсмических волн вблизи нарушения сплошности удобно использовать квазистатическое приближение. Если длина Р волны, падающей под произвольным углом а к нарушению сплошности (рис.1), много больше его ширины (Я»с{), то можно с достаточной точностью полагать, что граничные условия задаются системой уравнений (2), в которой а иг - напряжения, нормальные и касательные к

плоскости разрыва, соответственно; и - смещения берегов; индексы «+» и «-» обозначают противоположные берега; Е{ и 0\ - эффективные значения модулей сжатия и сдвига нарушения сплошности.

Используя граничные условия, которые задаются системой уравнений (2), можно по результатам измерения параметров движения берегов определить деформационные характеристики нарушения.

<х-(0 = <т+(0;

г-(0 = г+(0;

и;(о -„;(/) ст+(/)

«;(0-г+(/)

(2)

Рис. 1

В случае падения Р волны нормально к нарушению сплошности в приведенной выше системе уравнений останутся граничные условия только для нормальных напряжений и смещений, га которых следует, что в квазистатическом приближении нарушение сплошности по отношению к прошедшей волне ведет себя подобно фильтру нижних частот с постоянной времени 0, которая в работах В.Н.Костюченко названа характерным временем деформации трещины:

(3)

2 с Е1

где рис- плотность и скорость распространения волны в материале вмещающего массива; у - относительная податливость нарушешм сплошности. Граничная частота трещины <Цр=1/А

Если сравнить амплитудно-частотные характеристики нарушения сплошности в квазистатическом и акустическом приближениях, то оказывается, что для контрастных нарушений, типичных для скальных массивов, эти две характеристики совпадают в довольно широком диапазоне частот. Отметим, что в данной работе рассматриваются контрастные нарушения с у~30-100, £-10 {{¡-=2Ии 2=рс ; 1\=р\С\, р, и с1 - плотность и

скорость распространения волны в нарушении сплошности). Обсуждены пределы применимости квазистатического приближения.

Характерное время деформации 9 может быть приближенно вычислено из уравнения для амплитудно-частотной характеристики фильтра нижних частот:

в = —-¡Кг~\ , (4)

1к

у

где Т- период падающей волны К - коэффициент гашения: К = -~-,Уо и V, -

амплитуды скорости смещения в падающей и прошедшей волне.

В квазистатическом приближении жесткость нарушения сплошности к связана с характерным временем деформации в простым соотношением:

где индексы р или 4 означают Р или 5 волну, а п или $ - нормальную или сдвиговую жесткость.

В заключение раздела рассмотрено влияние таких параметров как угол падения волны и соотношение между нормальной и сдвиговой жесткостью нарушения сплошности на закономерности взаимодействия с ним продольной волны.

Глава II. Разработка методических вопросов проведения экспериментальных исследований.

В разделе 11.1 рассматривается методика построения зависимости напряжение-деформация при нормальном деформировании структурного нарушения.

В качестве основного измеряемого параметра используется скорость смещения грунта. Датчики устанавливаются на противоположных берегах нарушения сплошности. Для определения напряжения, действующего на нарушение сплошности, используется квазистатическое приближение - напряжение по берегам нарушения принимается одинаковым в каждый момент времени, поэтому его можно определить по массовой скорости в прошедшей волне

a{t) = pcpV4t),

(6)

Относительное смещение берегов структурного нарушения WJf) может быть рассчитано по эпюрам массовой скорости противоположных берегов V(t) и

Исключив из (б) и (7) время, получим диаграмму напряжение-деформация структурного нарушения.

Рассмотрены возможные ограничения на применение данной методики. На основе проведенных численных расчетов показано, что квазистатическое приближение может быть использовано для обработки экспериментальных данных по крайней мере для частот падающих волн ю<2/0, чувствительность датчика должна быть определена с точностью не хуже 7-8%, а расстояние от датчика до нарушения сплошности не должно превышать 5% от длины падающей волны.

В разделе П.2 рассматривается методика экспресс-оценки средней нормальной жесткости нарушения сплошности.

Вообще говоря, жесткость структурного нарушения - нелинейная функция приложенного напряжения и деформации, однако, при решении многих инженерных задач можно пренебречь зависимостью жесткости нарушения от амплитуды воздействия и использовать некоторое «среднее» значение кп или характерное время деформации в.

Кроме того, для оперативной оценки свойств нарушения в полевых условиях удобнее определять именно эти параметры, чем заниматься построением диаграммы напряжение-деформация.

На практике оценить среднюю жесткость можно двумя способами. Первый заключается в линейной аппроксимации участка нагружения диаграммы напряжение-деформация:

кю

где /т - момент, в который напряжение достигает максимума. Второй способ -использовать для оценок формулы (4) и (5).

(7)

о

Как показывают расчеты, при таких оценках требования к области применимости квазистатического приближения менее жесткие, чем при построении диаграммы напряжение-деформация (раздел 11.1), и для определения средней жесткости нарушения кп с точностью 10% диапазон периодов падающих волн ограничивается соотношением:

<Т< Алв (?)

Таблица 1

Размер блока Ь (м) 10 100 1000 10000

Эффективная толщина межблокового промежутка с? (м) 0,01-0,05 0,1-0,5 1-5 10-50

0г(мс) 0,01-0,1 0,1-1 1-10 10-100

к„ (МПа/м) 105-106 104-105 103-104 102-103

Необходимый период падающей волны Т(мс) 0,05-0,5 0,5-5 5-50 50-500

Мощность скваж. заряда д (кг) КГЧО"1 ю-Чо-1 1-10 10-100

Расстояние от пункта взрыва до структурного нарушения Л (м) 1-10 10-100 100-1000 100010000

Тип сейсмолриемника ВДС-1 идс-з, ИДС-8, СВ-20, СГ-10 СВ-20,СВ-5, СГ-10, ЭДДС см-з

Если использовать в качестве источников колебаний скважинные заряды ВВ, то, сопоставляя амплитудные и временные характеристики сейсмических волн на разных расстояниях от взрывов с ожидаемыми параметрами в или кп межблоковых

промежутков разного масштаба и характеристиками датчиков, можно сформулировать требования к сейсмическим источникам и сейсмоприемникам, которые приведены в таблице 1.

В разделе П.З рассматривается методика оценки сдвиговой жесткости нарушения сплошности.

При произвольном угле падения продольной волны на структурное нарушение для определения сдвиговой жесткости можно использовать результаты измерений в группе объемных волн. Основные параметры, измеряемые в ходе эксперимента, -

скорости смещения противоположных берегов K (t), Vx'(t), Vy~(t), Vy*(t), по которым можно разложить скорости смещения bPjkSj волнах (рис.1):

У?(t)cosf}+V+(t)sin/? Vx+(t)sina - V+(t)ccsa

= ■ ■ „ У n W= ■ . , У , (10)

sinasinp + cosacos/J smasm/i + cosacosp

Нормальное и касательное напряжения, действующие на трещину, можно разложить по главным напряжениям в Ра и Sd волнах:

o-(i) = pc VJt)\ cos2 а + —^-sin2 а + pcsVsd(t)sin2fi г (/) = pcfait) _v)sin2« - pcsVsd(t)cos2/3

где v- коэффициент Пуассона вмещающего массива.

Нормальная и сдвиговая деформации структурного нарушения определяются по

эпюрам vat), Vx\t), v;(0, vy\ty.

t t W„(t)=l[V;(T)-Vx+(T)]jT; Ws(t)=j[Vy-(T)-V;(T)]dr (12)

о 0

Исключая время го (11) и (12), можно построить диаграммы нормального и сдвигового нагружения структурного нарушенш er-W„ и t-Ws. Для оценок, как и в случае нормального деформирования, можно линеаризовать зависимость г-W, и ввести среднюю сдвиговую жесткость нарушения:

К = . (13)

где tm - момент времени, в который касательное напряжение достигает максимума.

Ограничения, накладываемые на частотный диапазон используемых сейсмических волн, расположение датчиков и т.д. здесь примерно те же, что и при нормальном падении волны.

В разделе II.4 рассматривается методика прямых измерений деформации нарушений сплошности небольшого масштаба в прочном скальном массиве с помощью специально разработанного датчика деформации трещины (ДДТ).

ДДТ представляет собой балку размерами 10x2x2см"', изготовленную из эпоксидного компаунда со специально подобранными свойствами (модуль Юнга ~2ГПа). В качестве чувствительных элементов использовались тензорезисторы КТЭ-7А или КТЭ-7Б, которые приклеивались к поверхности корпуса датчика эпоксвдной смолой.

Отработаны способы тарировки датчика как в лабораторных условиях, так и непосредственно в месте установки.

Исследованы вопросы влияния изгибных колебаний корпуса датчика на результаты измерений и разработан способ установки датчика на трещину, исключающий это влияние.

Специально изучался вопрос влияния жесткости материала корпуса на результаты определения деформационных характеристик трещины. Показано, что даже для очень слабых материалов-заполнителей трещин (модуль упругости -ЮОМПа) этим эффектом можно пренебречь.

Экспериментальное определение частотной характеристики нарушения сплошности позволяет оценивать его диссипативные свойства в широком диапазоне частот. Метод оценки частотной характеристики нарушения сплошности рассмотрен в разделе П.5

Алгоритм построения частотной характеристики нарушения Щсо) следующий. Сначала по отношению амплитудных спектров прошедшей и падающей волны численно находится амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) нарушения сплошности А(аУ}= |/5(<и)|. Чтобы построить частотную характеристику, кроме АЧХ

нужна еще фазовая характеристика (ФЧХ) <р(а>), которую можно вычислить по сейсмограммам падающей и отраженной волн или восстановить из АЧХ с помощью преобразования Гильберта. Последний способ является более универсальным. Частотная характеристика задается формулой:

D{co) = Л(а)е'р<ш> (14)

In [До)] = А(са) + iqtri), где А(т) = 1п[Л(<о)]

Комплексную часть этой функции можно найти из действительной с помощью преобразования Гильберта:

_„ л<,°> яш

Для Фурье-образов свертка заменится произведением:

щеЕ

1 "

1

7ГС0

_ПСО _

Таким образом, с помощью преобразования Фурье нахождение фазовой характеристики сводится к умножению на функцию Хэвисайда.

В этом же разделе сформулированы некоторые требования к параметрам цифровой регистрации сигналов.

В разделе П.6 рассматривается методика анализа структуры межблоковой зоны с использованием разделения падающей и отраженной волн.

Выделение падающей волны необходимо как для оценки средней нормальной жесткости нарушения кп, так и для построения его АЧХ. Это также позволяет уточнить структуру сложных разломных зон, состоящих из нескольких нарушений сплошности.

При отражении волны сжатия от более «мягкого» по сравнению с вмещающим массивом нарушения сплошности направление движения грунта в отраженной волне то же, что и в падающей, тогда как деформация сжатия сменяется в отраженной волне деформацией растяжения.

При нормальном падении плоской продольной волны на нарушение сплошности выражения для падающей и отраженной волны можно записать в следующем виде:

= . (15)

ЦО-™-?0"' . (16)

где Уд и ед - массовая скорость и деформация, регистрируемые датчиками, установленными в одной точке на ближнем к сейсмическому источнику берегу; У0 -массовая скорость в падающей волне; Уг - массовая скорость в отраженной волне.

Таким образом, измеряя одновременно скорость смещения грунта и деформацию, можно с помощью соотношений (15) и (16) рассчитать эпюры падающей и отраженной волн. В тех случаях, когда невозможно инструментально разделить падающую и отраженную волны, можно попытаться проделать эту операцию с помощью преобразования Гильберта.

Глава Ш. Исследование процесса деформирования нарушений сплошности

на моделях.

Раздел III. 1. При обработке результатов полевых исследований в большинстве случаев можно использовать приближение плоской волны. В силу этого при проведении лабораторных экспериментов основное внимание уделялось исследованию процесса деформирования нарушений сплошности плоской продольной волной. Основная серия экспериментов проводилась на одномерной модели, которая представляла собой стержень квадратного сечения 8x8см2, длиной около 4м, изготовленный из смеси расплава тиосульфата натрия с гранитной крошкой. Характеристики затвердевшей смеси близки к аналогичным параметрам типичной скальной породы: р»2,31г/см3; 3км/с; сун2,2км/с; предел прочности на одноосное сжатие сг «ЗЗМПа.

Продольные волны создавались на торце стержня взрывом заряда ВВ (<7=1 г) или ударами стальных шаров разного диаметра. Отличия в амплитудных и временных характеристиках колебаний при одинаковых источниках не превышали 5%. Колебания регистрировались индукционными датчиками скорости ИДС-1 и акселерометрами «Вгие1 & К]аег» 4375. Регистрация производилась цифровыми осциллографами с9-8 и регистраторами ОаЫаЬ 1200 с последующим вводом информации в компьютер.

Приведен анализ параметров волнового поля в сплошном стержне. Показано, что в стержне выполняются условия распростанения плоской волны. После

переходного участка (около 1м от источника) амплитуда волны с расстоянием меняется слабо (измеренное значение логарифмического декремента затухания <5=0,05).

Модели нарушений сплошности представляли собой разрыв, препецдикулярный к продольной оси, расположенный примерно на равных расстояниях от концов стержня. Эксперименты проводились с нарушениями двух типов:

1) трещина оставалась незаполненной, моделируя контакт шероховатых скальных поверхностей, ширина трещины 0<£/<1мм;

2) трещина заполнялась влажным песком (объемное содержание глицерина 1,5%) или техническим пластилином.

Обжатие контакта обеспечивалось с помощью резиновых жгутов и варьировалось в экспериментах в пределах 0,04-0,13МПа.

Раздел Ш.2 посвящен исследованию закономерностей взаимодействия плоской продольной еолны со слоем пониженной жесткости.

Эксперименты проводились с четырьмя модельными трещинами разной ширины: сМ),6см; 1см; 2см; 4см, заполненными техническим пластилином (р=0,82г/см3; ср=1,3км/с). Амплитуда и длительность исходного сигнала во всех опытах были одинаковыми.

Как показывают результаты экспериментов, волновая картина вблизи нарушения сплошности соответствует теоретическим представлениям, изложенным в разделе 1.3. Проведенные по результатам измерений параметров колебаний оценки жесткости нарушений сплошности и их амплитудно-частотных характеристик показали оправданность применения квазистатического приближения в пределах, определяемых соотношением (9). Кроме того, необходимо подчеркнуть, что даже достаточно далеко вне рамок диапазона оптимальных соотношений параметров (отношение частоты падающей волны к граничной частоте трещины достигало значения 00^0^=12,6) ошибка в определении жесткости не слишком велика (приблизительно 1,5 раза), и поэтому не мешает грубым оценкам деформационных характеристик трещин в натурных условиях.

В разделе 1П.З представлены результаты модельных исследований процесса нормального деформирования межблоковых промежутков. Целью данной серии

экспериментов являлось изучение закономерностей деформирования межблоковых промежутков плоской продольной волной в различном диапазоне нагрузок.

Свойства модели контакта скальных поверхностей предварительно исследовались в статических испытаниях на прессе. Для этого из того же материала, что и стержень, был отлит образец 040мм, высотой 85мм. На рис.2 показаны результаты испытаний целого (1) и разломленного (2) образцов. Диаграмма (2) является типичной для статических испытаний выветрелых трещин в скальных породах.

0 0.1 0.2 Отн. смещение, мм

Рис. 2

Использование динамического нагружения позволило провести исследования в широком диапазоне параметров, труднодоступном для статических испытаний (10"3МПа<с<10МПа; 5-10"7<£<2-10"3). По методике, изложенной в разделе П.1, строились диаграммы примеры которых для модели контакта скальных поверхностей показаны на рис.3 (средняя апертура трещины около 1мм).

Кроме того, по результатам измерений параметров гадающей и прошедшей через трещину волн, по методике изложенной в разделе П.2, оценивалось «среднее» значение нормальной жесткости трещины к„ . На рис.4 показана зависимость кп от ат для трещины, заполненной влажным песком.

Из полученных результатов видно, что закономерности деформирования модели контакта скальных поверхностей и модели трещины с заполнителем имеют один и тот же характер. При малых нагрузках (рис.За; напряжение на трещине о<0,05МПа;

а, МПа

0.001 0.01 0.1 1 10 ат, МПа

Рис. 4

относительная деформация трещины ¿<5-10"4) производная напряжения по деформации (жесткость трещины) монотонно уменьшается. С увеличением уровня нагрузки (рис.36, Зв), на кривой напряжение-деформация наблюдается перегиб, после чего нормальная жесткость трещины начинает увеличиваться. Аналогичные выводы могут быть сделаны и из зависимости к„ (егя) (рис.4).

Отметим, что для трещины, заполненной пластилином, средняя жесткость трещины при малых деформациях практически не зависит от амплитуды воздействия. Такое отличие в поведении трещины, заполненной пластилином, свидетельствует, на наш взгляд, о том, что нелинейные эффекты, выявленные в модельных экспериментах, обусловлены изменением структуры нарушения сплошности под нагрузкой. Снижение жесткости трещины по мере роста деформации вызвано, по-видимому, микросдвигами и

микроразрушениями в точках контактов скальных поверхностей, или относительными смещениями частиц заполнителя трещины.

В разделе 1П.4 обсуждаются результаты исследований упругих и поглощающих свойств геоматериалов.

Обнаруженные нелинейные эффекты деформирования нарушений сплошности проявляются уже при очень малых уровнях деформаций и обусловлены перестройкой внутренней структуры межблоковых промежутков в процессе деформирования. Подобные изменения структуры должны сказываться на упругих и поглощающих свойствах геоматериалов, слагающих нарушения. Для исследования этого вопроса на специальной установке были проведены эксперименты со слоем сухого песка и гранитной крошки, которые позволили оценить логарифмический декремент затухания ¿> и модуль упругости Е геоматериала в зависимости от амплитуды деформации слоя. Диапазон деформаций составил 10"7-10"2. Результаты опытов показали, что зависимости 5 и Е от амплитуды деформации ет можно разделить на два участка: квазилинейный (малые деформации /,от<10"5-10"4), где Зн Е слабо зависят от ет, и нелинейный (£т>10"5-104), где с ростом ет одновременно наблюдаются заметный рост 3 и снижение Е.

Глава IV. Исследование деформационных характеристик структурных нарушений скального массива в условиях естественного залегания.

Раздел IV. 1 посвящен описанию экспериментальной площадки и методики проведения измерений.

Полевые маломасштабные эксперименты проводились на территории Выборгского гранитного массива. На экспериментальной площадке находились четыре структурных нарушения, описания которых даны в таблице 2. Типичная схема опытов по нормальному и сдвиговому деформированию нарушений сплошности показана на рис.5. В точках А, В, С, О устанавливались 3-х компонентные контейнеры с сейсмоприемниками различных типов (датчики массовой скорости ИДС-1, ИДС-8, ИДС-3, СГ-10, СВ-20, а также акселерометры «Вгае! & К]аег» 4370). Датчики деформации трещины (ДДТ) (см.раздел П.4)

устанавливались непосредственно на трещине и вблизи нее в однородном массиве. Сейсмические волны создавались ударами стальных шаров и взрывами скважинных или накладных зарядов ВВ весом от 1 г до 1кг на различных растояниях от нарушения сплошности. При этом для периода падающей волны, как правило, выполнялось условие (9), а амплитуда воздействия изменялась в широких пределах.

• Ав

• А5

•

Сг

• трещина

• А,

• а2-

• А1

В,

с,

О в,

О э2

Рис. 5

в

X

У

В разделах ГУ.2 и ГУ.З приводятся результаты исследований деформационных характеристик структурных нарушений при нормальном и сдвиговом деформировании.

По результатам измерений параметров сейсмических волн строились диаграммы сг-№„ и т-1¥! (методика обработки результатов изложена в разделах 11.1 и П.З), различными способами определялись значения средней нормальной жесткости кп ( раздел П.2) и проводились прямые измерения деформации нарушений сплошности датчиками ДДТ (раздел 11.4).

На рис.6 в качестве примера приведены диаграммы деформирования трещин №1 и №4: а) нормальное деформнрование, трещина №4; б) нормальное деформирование, трещина №1; в) сдвиговое деформирование, трещина №4; г) сдвиговое деформирование, трещина №1 (описания трещин - в таблице 2).

Средние значения нормальной и сдвиговой жесткости для четырех обследованных нарушений приведены в таблице 2. Примеры осциллограмм деформации массива и

трещины №1, зарегистрированные датчиком ДДТ, показаны на рис.7 (а -массив, падающая волна; б - трещина; в - массив, прошедшая волна).

Анализ полученных результатов показал, что характер деформирования природных нарушений сплошности аналогичен соответствующим закономерностям, наблюдавшимся в экспериментах на одномерной модели. По мере роста нормальных напряжений от 0.1 МПа до 1 ОМПа, средняя нормальная жесткость нарушения снижается в несколько раз (рис.8). Уровня напряжений, при котором наблюдался бы рост средней нормальной жесткости, в экспериментах достичь не удалось. Аналогичные результаты получены с помощью датчика ДДТ на трещине №1 (рис.9). Когда амплитуда напряжения превышает значение сгт>2МПа, проявляется тенденция к росту отношения деформации трещины (ет) к деформации однородного массива при том же напряжении (еГд/рс2) - трещина становится более податливой.

30

с 20

О 10 0

(а) А

// // /

// //

10

(в)/ / / / / / / 7

/ /

/ /

/ /

//

/

(б) / / / /

/ / / / / / // // [/ V

0.1 0.2 0.3 V/ , мм

0.05 V/ , мм

0.004 0.008 0 0.02 V/ , мм , мм

5 ' 5

рис. 6

0.1

0.04

0

0

0

О

2Е-4

1Е-4

•эЙ

-1Е-4

(а)

■■ Л.

2 О 1

Время, мс

Рис. 7

(в)

2 о

1000-

2

"а

100

+ -I* +

иЧ

(а) +

+

100-

10-

&

ыА

£

(б)

0.1 1 10 100 0.1 1 10 100 Амплитуда напряжения в волне етт , МПа Рис. 8

гтттпп

гттттш

I I II

100

о.

6 10 ь

0.1 1 10 от , МПа

рис. 9

д

I I I

I

Анализ результатов оценок сдвиговой жесткости трещин демонстрирует явную зависимость деформационных свойств от строения межблокового промежутка. Если для скальной трещины К»4 величина средней сдвиговой жесткости составляет примерно 60% от величины средней нормальной жесткости (табл.2), то для более мощных нарушений Xsl и №2 ks составляет 25-30% от кл, а для трещины с глинистым заполнителем №3 - менее 20%. Это означает, что соотношение эффективных модулей сдвига и сжатия трещин (GIE- к,1к„) может существенно отличаться от соответствующих значений теории упругости для сплошной среды: G 1

— в-к 0,36 - 0,42, при значении коэффициента Пуассона 1^=0,2-0,4.

Е 2(1+ v)

Таблица 2

№ трещины Описание структурного нарушения (Выборгская площадка) К МПа/мм К МПа/мм К'К

1 Зона трещиноватости, средняя мощность ¿к30-50мм, длина £~30м 90-110 20-40 =0,3

2 Трещина с песчано-дресвяным заполнителем, средняя мощность ¿/«30-40мм, длина ¿»ЗОм 30-60 8-15 =0,25

3 Трещина с песчано-дресвяным заполнителем с примесью глины, мощность <1 до 100мм, длина ХюбОм 15-30 2,5-5 =0,17

4 Контакт скальных поверхностей, раскрытие сЬ0-2мм; длина £«10м 350-450 150-300 =0,6

В разделе ГУ.4 описаны эксперименты, в которых проводилась апробация методики построения частотной характеристики межблоковых промежутков (раздел П.5). В опытах со взрывами зарядов весом у=800г проводилась одновременная регистрация скорости смещения грунта и деформации на профиле, пересекающем разломную зону суммарной мощностью около 10м, состоящую из трех крупных трещин, разделяемых породными целиками. Из экспериментальных осциллограмм по методике разделения волн (раздел 11.6) рассчитывались эпюры падающей и

отраженной волн, с помощью которых расчш ывалась амплитудно-частотная характеристика одной трещины, численно востанавливались ее фазовая и затем -импульсная характеристики. Полученная импульсная характеристика использовалась для расчета эпюры прошедшей волны в экспериментах с другим сейсмическим источником. Результаты сопоставления экспериментальных и синтезированных сейсмограмм демонстрируют удовлетворительную работоспособность методики.

В разделе ГУ.5 для оценки деформационных характеристик нарушений сплошности различного масштаба, наряду с данными разделов 1У.2 и 1У.З, использованы результаты измерений параметров сейсмических колебаний от взрывов различной мощности, в том числе ядерных, проведенных в разных массивах скальных пород. Значения нормальной жесткости нарушений сплошности оценивались с помощью соотношений (4) и (5) по изменениям амплитуды массовой скорости вдоль профилей, пересекавших межблоковые промежутки.

Таблица 3.

Описание нарушения сплошности Длина блока, ограниченного нарушением X, м Средняя мощность нарушения (1, м К МПа/мм ГПа

Трещина в граните - контакт скальных поверхностей (Выборг) 10 0 - 0,002 350 - 450 -1,7

Зона трещиноватосги в граните (Выборг) 30 0,03-0,05 90-110 2,75,5

Трещина в граните с песчано-дресвяным заполнителем (Выборг) 30 0,02 - 0,03 30-60 0,6 - 1,8

Трещина в граните с глинистым заполнителем (Выборг) 60 0,1 15-30 1,5-3

Разлом в граните (Выборг) 100 0,4 10 4

Разлом в граните (Северный Казахстан) 100 - 200 0,7 -1,5 2 1,5-3

Разлом в граните (Северный Казахстан) 200 - 300 1,5 - 2,5 1 1,5-2,5

Разлом в кварците (Южный Урал) 1000 - 1500 7-10 0,4 - 0,6 3-6

Разлом в Хибинах (1-1,5>104 35-40 0,2 6

Ветвь Талассо-Ферганского разлома (Киргизия) (5-7)-104 60 0,035 -0,07 2-5

Результаты расчета кп для широкого класса нарушений сплошности приведены в таблице 3. Здесь же приведены оценки эффективного значения модуля деформации Е„ - кп -с/, где б/ - средняя толщина зоны сместптеля структурного нарушения

сплошности, которая достаточно уверенно определяется по геологическим данным.

Как можно заключить из полученных результатов, величина средней нормальной жесткости к„ снижается примерно пропорционально росту масштаба структурного нарушения и, в отличие от сдвиговой жесткости ка, практически не зависит от его структуры. В то же время, величина эффективного модуля сжатия меняется слабо и остается в пределах Еп~ 1-5 ГПа для широкого класса

разрывных нарушений - от скальной трещины до крупного разлома, с некоторой тенденцией к возрастанию для крупных нарушений.

Поскольку типичное нарушение сплошности включает как зону сместителя, так и зону повышенной трещиноватосги, в работе проведена оценка вклада этих составных частей межблоковых промежутков в интегральное значение нормальной жесткости. Показано, что зона повышенной трещиноватости уменьшает суммарную жесткость разрыва по сравнению с жесткостью его магистральной части приблизительно на 10%. Это заключение позволяет рекомендовать для оценок соотношение, связывающее в условиях естественного залегания нормальную жесткость нарушения в прочной скальной породе и его размер (длину блока Ь, ограниченного нарушением сплошности): т (1 н- 5) ■ 106

к„ =--- МПа/м (Ь юмеряется в метрах).

ь

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных, в диссертации исследований, разработана методология экспериментального определения деформационных свойств нарушений сплошности массива скальных пород в условиях естественного

залегания и изучены закономерности их динамического деформирования в широком диапазоне амгоппуд воздействия.

Кратко, основные результаты, полученные в работе, могут быть сформулированы следующим образом:

1. На основе анализа литературных данных и теоретического исследования особенностей распространения сейсмических волн в трещиноватом скальном массиве обоснована возможность использования результатов измерений амплитудных и временных характеристик сейсмических колебаний для определения деформационных характеристик межблоковых промежутков различного масштаба.

2. Разработаны методики проведения измерений деформационных характеристик структурных нарушений в лабораторных и полевых условиях, способы обработки результатов наблюдений, сформулированы требования к параметрам источников сейсмических колебаний, используемых при проведении измерений на разном масштабном уровне.

3. На моделях исследованы особенности нормального деформирования нарушений сплошности. Показано, что поведение разрывных нарушений существенно нелинейно вплоть до уровня деформаций 10"7 отн.ед., причем в области малых деформаций обнаружен эффект снижения нормальной жесткости с ростом нагрузки. Увеличение жесткости начинается лишь при достижении уровня деформации свыше 10"3 отн.ед.

4. Исследования деформационных характеристик межблоковых промежутков различных типов в условиях естественного залегания показали, что процесс деформирования имеет те же особенности, что и на модельных нарушениях сплошности. Полученные результаты инструментальных наблюдений позволяют заключить, что среднее значение нормальной жесткости снижается примерно пропорционально масштабу нарушения и слабо зависит от типа межблокового промежутка. Средняя же величина нормального модуля деформации остается в пределах 1-5ГПа для широкого класса разрывов - от трещин до крупных разломов.

5. Выполненные измерения сдвиговой жесткости межблоковых промежутков различных типов показали, что эффективная величина модуля сдвига сильно зависит

1. от типа и масштаба нарушения, причем соотношения между сдвиговым и

нормальным модулем могут сильно отличаться от соответствующих значений для сплошной среды.

Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о нелинейном характере деформирования разрывных нарушений даже в области чрезвычайно малых нагрузок. При малых деформациях снижение нормальной жесткости нарушений сплошности с ростом приложенных напряжений обусловлено, по-видимому, особенностями контактного взаимодействия отдельных частиц материала-заполнителя или шероховатых поверхностей берегов трещины. Эти особенности могут иметь существенное значение, например, для описания процесса распространения сейсмических волн. В то же время при решении инженерных задач в диапазоне деформаций 10"5-10"2 можно пренебречь зависимостью жесткости нарушений сплошности от величины деформации и использовать среднее значение модуля сжатия, величина которого, судя по полученным результатам, изменяется в довольно узком диапазоне для широкого класса разрывных нарушений.

Важным является вывод о том, что жесткость межблокового контакта определяется, в первую очередь, жесткостью магистрального разрыва, размеры которого достаточно надежно определяются геологической съемкой. Это позволяет более обоснованно выбирать геометрические размеры нарушений сплошности для расчетов процессов деформирования.

Для надежного определения сдвиговых деформационных характеристик нарушений сплошности необходимо проведение специальных измерений. Приближенные оценки эффективного модуля сдвига О межблоковых промежутков можно проводить, полагая, что для контактов скальных поверхностей и зон трещиноватосги Б составляет порядка 30-50%, а для глиносодержащих и обводненных нарушений 10-20% от соответствующей величины модуля сжатия.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Кочарян Г.Г., Павлов Д.В. Экспериментальное исследовашге деформационных характеристик структурных нарушений в массиве горных пород // ФТПРПИ, 1992, №5, с. 17-23.

2. Костюченко В.Н., Кочарян Г.Г., Павлов Д.В. О возможности диагностики сейсмогенных разломов // ДАН, 1993, т.ЗЗЗ, №5, с.642-644.

3. Кабыченко Н.В., Костюченко В.Н., Павлов Д.В. Спектральные характеристики сейсмических волн в блочной среде // Динамические процессы в геосферах: геофизика сильных возмущений. Сборник научных трудов ИДГ РАН. М.: Наука, 1994, с.88-95.

4. Павлов Д.В. Экспериментальное исследование деформационных характеристик структурных нарушений // Напряжения в литосфере (глобальные, региональные, локальные). М.: ИГиРГИ, 1994 (тезисы докладов), с.136.

5. Кочарян Г.Г., Бенедик A.JL, Костюченко В.Н., Кулюкин А.М., Павлов Д.В. Создание геомеханических моделей геофизических объектов // Физические процессы в геосферах при сильных возмущениях. Сборник научных трудов ИДГ РАН. М.: ИДГ РАН, 1997, с.38-54.

6. Kocharyan G.G., Kostyuchenko V.N., Pavlov D.V. Laboratory and field investigations of the rock discontinuities dynamic deformation properties // Proc. of the 1st Int. Forum on Discontinuous Defonnation Analysis (DDA) and Simulations of Discontinuous Media. Berkely, California, pp. dl-d8,1996.

7. Kocharyan G.G., Kostyuchenko V.N., Pavlov D.Y. The structure of various scale natural rock discontinuities and their deformation properties. Preliminary results // Int. J. Rock Mech. &Min. Sci. Vol. 34,No. 3-4, paperNo.159,1997.

8. Кочарян Г.Г., Костюченко B.H., Павлов Д.В. Исследование деформационных свойств массива горных пород // Проблемы механики горных пород. Труды XI-й Российской конференции по механике горных пород. С.-Петербург, 1997, с.271-276.

9. Костюченко В.Н., Кочарян Г.Г., Павлов Д.В. Использование сейсмических волн различных типов для диагностики нарушений сплошности земной коры // Сборник научных трудов ИДГ РАН, 1998, в печати.