Методика оценки "быстропротекающих" изменений напряженного состояния грунтов и горных пород по данным инфракрасной (ИК-) радиометрии

Блохин, Дмитрий Иванович

Автореферат диссертации по теме "Методика оценки "быстропротекающих" изменений напряженного состояния грунтов и горных пород по данным инфракрасной (ИК-) радиометрии"

ЕЛ0ХЭДН Дмитрий Иванович

МЕТОДИКА ОЦЕНКИ «БЫСТРОПРОТЕКАЮЩИХ» ИЗМЕНЕНИЙ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ГРУНТОВ И ГОРНЫХ ПОРОД ПО ДАННЫМ ИНФРАКРАСНОЙ (ИК-) РАДИОМЕТРИИ

Специальность 25.00.20 "Геомеханика, разрушение горных пород"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2005 г.

Работа выполнена в Научно-исследовательском, проестно-изыскательском и конструкторско-технологическом институте оснований и подземных сооружений им. Н.М.Герсеванова - филиале ФГУП НИЦ «Строительство».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Шейнин Владимир Исаакович Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Ставницер Леонид Рувимович доктор технических наук Одинцев Владимир Николаевич

Ведущая организация: ЗАО «Триада - Холдинг»

Защита диссертации состоится

" $ " 2005 г. в /О"часов Тг--

на заседании диссертационного совета Д-303.009.01 в НИИ оснований и подземных сооружений имени Н.М. Герсеванова.

Адрес: 109428, Москва, 2-я Институтская ул., д. 6 (проезд до ст. метро "Рязанский проспект", далее трол. 63 или авт. 29, 143, 160 и 169 до ост. "Институт бетона").

С диссертацией можно ознакомиться в совете. Автореферат разослан " ^ " ¿О ¿¿^р? 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета канд. техн. наук

И.В. Колыбин

242.4008

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИК РАБОТЫ

Актуальность работы

Изучение механических последствий нестационарны:: во времени воздействий на геологическую среду, обусловленных как природными, та:: и техногенными процессами, во многом предопределяющее эффективность систем мониторинга состояния и обеспечения безопасности взаимодействующих с этой средой объектов, является одним из приоритетных направлений в современной прикладной геомеханике и горной геофизике. В связи с этим представляется практически важной разработка систем сбора и обработки данных, характеризующих изменения состояния геоматериалов во вреглени. В настоящее время предложен и внедрен на практике целый ряд методик, основанных на использовании различных физических эффектов, проявляющихся при изменениях напряженного состояния геоматериалов, что позволяет фиксировать такие изменения и получать информацию об их интенсивности и длительности.

Вместе с тем, характерной особенностью применяемых на практике методик «физического» геомониторинга является сложность и неоднозначность физических моделей, связывающих вариации определяемых механических величин и непосредственных результатов измерений. Далее, для большинства указанных методик характерен контактный способ проведения измерений, существенным недостатком которого является нарушение сплошности исследуемого объекта при внедрении в него чувствительного элемента, а также зависимость результатов таких измерений от качества установки датчиков.

Одним из способов физических измерений, позволяющих преодолеть обозначенные трудности, является разрабатываемый метод оценки упругих изменений напряженного состояния объемов фунтов и горных пород по регистрируемым данным о вариациях интенсивности инфракрасного (ИК-) излучения с их поверхности. Метод основан на общепризнанных теоретических соотношениях, а возможность выполнения бесконтактных измерений дает ИК-радиометрии особые преимущества в таких условиях, как, например, в призабойных зонах глубоких скважин, или в грунтах, представляющих собой наиболее сложный тип геоматериалов с точки зрения экспериментальной оценки изменений напряженного состояния.

Таким образом, развитие метода ИК-радиометрических измерений применительно к идентификации процессов упругого, допредельного деформирования геоматериалов, происходящих в

реальных условиях при нестационарных во времени воздействиях, представляется своевременным и актуальным.

Значительный объем исследований, результаты которых представлены в настоящей диссертационной работе, был выполнен при поддержке РФФИ (код проекта № 03-05-64447).

Целью работы является разработка методики идентификации изменений напряжений в массивах грунтов, горных пород и строительных конструкциях по измерениям интенсивности теплового потока с их поверхности при различных режимах нагружения, в частности, при ударных и «квазипериодических» воздействиях, и установление границ применимости этой методики.

Методы исследований

В диссертационной работе использованы общепризнанные соотношения термоупругости и технической термодинамики, методы физико-механических лабораторных испытаний, методы прикладной теории случайных процессов и специальные способы цифровой обработки экспериментальных зависимостей сложной структуры.

Задачи исследования:

- обоснование возможности применения ИК-ра диометрмческмх измерений для контроля быстропротекающих механических процессов в массивах фунтов и горных пород и тестирование выполнения основных физических предпосылок в условиях экспериментов;

- разработка методики и техники МК-диагностики изменений напряженного состояния геоматериалов в лабораторных экспериментах при режимах нагружения и схемах измерений, моделирующих натурные условия;

- разработка методики интерпретации данных ИК-радиометрических измерений;

- анализ влияния параметров измерительной системы и условий проведения измерений на эффективность оценки характеристик наблюдаемых процессов.

На защиту выносятся следующие основные научные полозивния:

- полученные на основе теоретического анализа функциональные зависимости, связывающие изменения интенсивности теплового излучения с поверхности геоматериалов с непрерывными во времени вариациями первого инварианта их напряжений;

- экспериментальное обоснование возкохгности диагностирования протекающих в геоматериапах дшамютекачх процессов по записям изменений во времени интенсивности теплового излучения с их поверхности;

- алгоритмы обработки и интерпретации экспериментальных данных ИК-радиоклетрпчесшх измерений, позволяющие получать качественные и количественные оценки изменений напряженного состояния исследуемых образцов геоматермалов во времени;

- оценка границ частотного диапазона динамических процессов, протекающих в геоматериалах, для идентификации которых эффективны ИК-радиометрические измерения.

Достоверность и обоснованность научных положений

подтверждаются:

- использованием соотношений между параметрами адиабатического деформирования геоматериалов и мощностью сопровождающего этот процесс ИК-излучения, основанных на фундаментальных законах термоупругости и термодинамики излучения;

- использованием методов прикладной теории случайных процессов и методов обработки временных рядов данных, уже апробированных в геофизических исследованиях;

- удовлетворительной сходимостью результатов оценки нестационарных изменений во времени напряженного состояния исследовавшихся образцов, полученных по данным ИК-радиометрических измерений, с соответствующими оценками, полученными на основе стандартных электротензометрмческих измерений.

Научная новизна результатов исследований:

- разработана методика количественной оценки нестационарных изменений напряженного состояния объемов фунтов и горных пород по данным бесконтактных измерений вариаций инфракрасного излучения с их поверхности;

- для обоснования применимости разработанной методики проведены серии лабораторных экспериментов по регистрации интенсивности инфракрасного излучения с поверхности образцов грунтов и горных пород при различных видах динамических нагружений;

- выполнены пробные эксперименты на крупномасштабных образцах (стендах) с имитацией условий выполнения натурных измерений;

- с учетом анализа физических предпосылок предложенной методики и параметров используемой приемно-измерительной аппаратуры определены границы применимости использования ИК-радиометрии в лабораторных условиях и ¡п-э'Ли;

- применена техника вейвлет-анализа для решения задачи выделения полезной составляющей в записях вариаций интенсивности инфракрасного излучения с поверхности образцов мрамора при существенно нестационарном изменении их напряженного состояния.

Практическое значение работы

Границы применимости предлагаемой методики обосновывают возможности ее использования для фиксации и диагностики динамических механических процессов в массивах геоматериалов и строительных конструкциях, имеющих характерные частоты, лежащие в диапазоне 0.5..5 Гц; как известно указанный частотный диапазон является наиболее опасным для подвергаемых сейсмическим и другим динамическим воздействиям крупномасштабным объектам (сооружения, плотины, насыпи и т.п.). Реализованные в данной диссертационной работе подходы к обработке экспериментальных временных рядов могут быть рекомендованы для анализа реальных геомеханических данных сложной структуры, например, в системах обработки данных мониторинга состояния геотехнических объектов.

Реализация результатов работы

Результаты данной диссертационной работы указывают на правомерность использования ИК-радиометрических измерений в качестве эффективного инструмента в системах геофизического и геотехнического мониторинга для исследования изменений напряженного состояния массивов горных пород при техногенных и природных воздействиях.

Результаты исследований были использованы НИИОСП им. Герсеванова при составлении научно-технического отчета по проекту № КЗ-5-1/2001 «Разработка научных основ подземного строительства в городах с обеспечением сохранности окружающей застройки и стабильности инженерно-геологических условий».

Апробация

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на IV и V Всероссийских научно-технических конференциях «Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях» (Бийск, 2003, 2004 г.),

научном симпозиуме сНеделя горняка - 2005» (ГшГТУ, 2005 г.); Международной научно-практической конференции «Инженерная геофизика - 2005» (Гелендг.алк, 2005 г.); семинарах кафэдрь! физики ¡УНТУ (2003-2005 г.).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 8 научных работ в виде статей в периодических изданиях и в сборника): трудов конференций. Структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения (основные выводы) и списка литературы. Благодарности

Автор выражает искреннюю благодарность и признательность коллективу лаборатории "Геомеханики подземных сооружений" НМИОСП им. Н.М. Герсеванова за постоянную поддержку на всех этапах исследований.

Автор глубоко признателен чл.-корр. РАН Левину Б.В. за внимание, оказанное к работе. Автор благодарен сотрудникам кафедры физики МГГУ д.ф.-м.н., проф. Белому A.A., к.ф.-м.н., проф. Харахану М.Л. и к.т.н., доц. Харину Ю.В. за ценные замечания и помощь при подготовке работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследований, отмечены научная новизна и практическая значимость работы.

Пеювая глава посвящена краткому аналитическому анализу существующих геофизических методов контроля изменений напряженного состояния массивов фунтов и горных пород, а также обзору некоторых методов обработки геофизических рядов данных.

Объективная потребность в качественном улучшении информационного обеспечения горных работ и сложившиеся в последние десятилетия научно-технические предпосылки обусловили широкое внедрение в практику геоконтроля методов горной геофизики. Значительный вклад в развитие этих методов внесли ученые ОИФЗ РАН, ИПКОН РАН, ТО УО РАН, ИГД УО РАН, ИГД СО РАН, ГИ КНЦ РАН, ВНИМИ, ННЦ ГП-ИГД им. A.A. Скочинского, МГГУ, НМИОСП им. Н.М. Герсеванова и др.

Все физические методы изучения изменений напряженного состояния массивов горных пород основаны на существовании объестивной связи между механическими процессами в

исследуемых объестах и их отображением в поведении и состоянии различных физических полей. В настоящее время в при1спадной геомеханике и горной геофизике среди методов контроля за изменениями напряжений наибольшее применение получили сейсмоакустические (акустические, ультразвуковые, сейсмические), электрометрические, радиоизотопные, а так же методы АЭ и ЕЭМИ, сейсмоэлекгрический, радиоволновой, магнитометрический и др.

Развитию теоретических и экспериментальных основ геофизических методов в горном деле и геотехнике способствовали работы отечественных и зарубежных ученых: Анцыферова М.С., Борисова A.A., Ватолина Е.С., Воларовича М.П., Глушко В.Т., Дмитриева А.П., Карташова ЮМ., Курлени М.В., Мячкина В. И., Опарина В.Н., Петухова И.М., Ржевского В.В., Ризниченко Ю.В., Рубана А.Д., Савича А.И., Скипочки С.И., Турчанинова И.А., Шемякина ЕМ., Шкуратника В.Л., Ямщикова B.C., Murphy W.F. и др.

Несмотря на то, что большинство из обозначенных методов характеризуются высоким уровнем теоретических разработок и соответствующего аппаратурного и методического обеспечения, они обладают рядом ограничений. Например, эффективно применяемый на практике метод АЭ (акустической эмиссии) не позволяет явным образом связать количество регистрируемых акустических импульсов и вариации напряжений во времени, а информативность таких измерений напрямую зависит от точности установки пьезодатчиков, и от качества подготовки поверхности, на которую они устанавливаются.

Одним из перспективных и свободных от указанных выше недостатков является бесконтактный метод инфракрасной радиометрии, предложенный и разработанный применительно к бетонам и геоматериалам в НИИОСП им. Н.М.Герсеванова. В методике использованы два известных термодинамических эффекта: изменение температуры упругого тела при адиабатическом изменении первого инварианта тензора напряжений (Ландау Л.Д., Гольденблат И.И. и др.) и закон Стефана-Больцмана - зависимость интенсивности теплового (инфракрасного) излучения с поверхности материала от его температуры.

Существуют многочисленные работы, в которых терморадиационные измерения используются для анализа распределения температур на поверхности материалов при их нагревании или при больших деформациях, сопровождающихся значительным тепловыделением и значительными изменениями температуры поверхности. Понятно, что такие измерения не могут дать никакой информации об изменениях упругих напряжений в материалах.

s

В мировой литература известны та:с:;е пубяиЕгацип, в ютсрьк измерение вариаций температур с помощью термопар и с помощью ИК-радиоглетриа применяется для определения упругих изменений напряжений в деталях машин из металлов и полимерных материалов. Однако, возможность использования указанных выше термодинамических эффектов для исследования параметров упругих деформаций геоматериалов в течение долгого времени даже не обсуждалась вследствие их малой термомеханической aicmsHocra и слохсности выполнения соответствующих экспериментов.

Первые опыты, в которых фиксировалось изменение потока ПК-излучения с поверхности образца горной породы, подвергаемого нагружениям на прессе, были выполнены в начале 80-х годов сотрудниками НИШСП ЭАМотовиловым и А.А.Морозовым. Развитие методики инфракрасной (ИК-) радиометрии было выполнено в исследованиях Шейнина В .И., Левина Б.В., Сидорчука В.Ф., Прмгорневой C.B. и др. В этих работах излагаются физические основы использования измерений интенсивности инфракрасного (ИК-) излучения с поверхности горных пород для диагностики изменений их напряженного состояния и идентификации происходящих в них механических процессов, и описываются методика и результаты исследований, выполненных для обоснования предлагаемого подхода на «малых» образцах скальных пород и бетона в условиях одноосного сжатия. Полученные результаты позволили сделать вывод об эффективности разрабатываемой методики для диагностики быстрых «квазиадиабатических» упругих «импульсных» изменений («скачков») во времени напряженного состояния геоматериалов.

Однако, объемы, об изменениях напряженного состояния которых необходимо получение информации в натурных условиях, несопоставимы с размерами малых лабораторных образцов, а зависимости от времени значений напряжений в массивах грунтов и горных пород в большинстве реальных ситуаций имеют более сложный вид, чем последовательность «скачков». До последнего времени не была разработана теоретическая и экспериментальная база для выполнения исследований, необходимых для обоснования применимости МК-радиометрии в диагностике реальных механических процессов в массивах грунтов и горных пород.

Необходимость решения таких задач требует не только однозначной физической модели и использования аппаратуры более высокого класса, чем использовалась до сих пор, но и разработки адекватных методов анализа экспериментально получаемых сигналов, поскольку записи, описывающие

интенсивность ИК-излученмя, всегда содержат стохастические составляющие, вызываемые случайными изменениями внешних тепловых воздействий и аппаратурными "шумами". Поэтому в первой главе также приводится обзор основных способов анализа сигналов сложной структуры.

В настоящее время основным аппаратом для анализа геофизических и других аналогичных записей и определения по ним характеристик динамических процессов, происходящих в наблюдаемых объектах, является использование спектральных методов, основанных на преобразовании Фурье. Вместе с тем, из практики анализа результатов геофизических и геомеханических исследований известны факторы, снижающие информативность традиционного использования Фурье-анализа и, в определенных условиях, делающих его недостаточно эффективным.

Так, одной из характерных особенностей реальных динамических процессов является их нестационарность во времени. Поэтому при обработке соответствующих экспериментальных записей приходится прибегать к различным искусственным приемам (например, «локальное» преобразование Фурье).

Другая, нередко встречающаяся при обработке экспериментальных записей сложная ситуация - близость или наложение частотных интервалов полезного сигнала и шумовых составляющих этих записей. В этих условиях подавление помех с привлечением методов классической частотной фильтрации приводит к уничтожению и части самого полезного сигнала, а его идентификация становится весьма неопределенной.

Более современный подход к анализу и идентификации нестационарных временных рядов с шумовыми составляющими, позволяющий в значительной степени преодолеть обозначенные трудности, основан на применении теории вейвлет-анализа. Вейвлет-анапиз как новый математический аппарат сформировался в 80-90-е годы XX века в трудах ряда зарубежных ученых (Малл, Морле, Добеши, Койфман, Стомберг, Лемарье и др.). Начало широкому применению вейвлет-анализа в нашей стране, по-видимому, положила статья Н.М. Астафьевой опубликованная в 1998 г. журналом «Успехи физических наук».

Частотно-локальные свойства анализа в вейвлетном базисе делают его оптимальным средством обработки сигналов в целом ряде приложений. Однако, примеров использования вейвлет-анализа в таких областях как сейсмостойкость сооружений, геотехнический мониторинг, динамика геоматериалов и т.п., практически неизвестно. В то же время, очевидно, что использование указанного современного подхода значительно

поеь!С11Ло бы информативность получаемы:: экспериментальных зависимостей, в частности, записей ИК-радиометркчзасмх измерений.

Таким образом, проведенный в первой главе анализ показал, что дэ настоящего времени не решен ряд задач теоретического, экспериментального, методического и аппаратурного харастера, связанных с созданием метода ИК-радиометрических измерений применительно к задачам геоконтроля.

Во второй главе описываются физические основы предлагаемого метода, излагаются требования, предъявляемые к аппаратуре, приводятся ее блок-схема и технические харастермсшси.

Известно, что при адиабатическом деформировании вариации температуры 8Г(?) в точке среды во времени I "подобны" вариациям первого инварианта 8Я(г) тензора напряжений:

ВЩ) = АмТ0Ш(0, (1)

где Ат зависит от плотности и теплофизических свойств материала, Г0 - температура до начала деформирования.

Возможность получения информации о 5#(7) по измерениям 8!Г(г) представляется очевидной, однако ее реализация для геоматериалов затруднена тем, что значения 8!Г(0 имеют порядок 0,001 К. Кроме того, условия реальных геомеханических и геофизических экспериментов не позволяют использовать стандартные методы температурных измерений, особенно при измерениях в грунтах.

В описываемой методике применяется принцип бесконтактного измерения малых вариаций температуры, основанный на известной зависимости мощности ИК-излучеиия с поверхности тела от ее

температуры 1¥(Т) = £г<л>Г4 (гт <1 — коэффициент излучательной способности, (о - постоянная Стефана — Больцмана). Отмеченная малость 57(/)/Го. позволяет линеаризовать последнее соотношение и связать вариации мощности потока 8Щ0 со значениями 8Т(/) пропорциональной зависимостью с

коэффициентом Ас = . Предполагая далее

пропорциональность вариаций результатов ИК-измерений вариациям с коэффициентом Аг, зависящим от параметров

аппаратуры, и используя (1), получаем:

8П{0 = А~1Ш{1), где А = АтАсАг, (В/МПа). (2)

Для обоснования данного предположения и выявления границ его применимости при различных режимах изменения нагрузки во времени проводились серии экспериментов с мелко- и крупномасштабными образцами геоматериалов на лабораторных стендах, включающих в себя как устройство нагружения, так и многоканальную систему измерения, преобразования и автоматической передачи регистрируемых данных в компьютер. Специально разработанное программное обеспечение позволяет наблюдать эволюцию регистрируемых сигналов в режиме реального времени, а также сохранять полученный массив данных в виде текстового файла. Описываемая экспериментальная установка позволяет генерировать воздействия с характерными частотами в диапазоне 0,5-4,5 Гц и синхронно регистрировать отклики геоматериалов на эти воздействия, как на основе ИК-измерений, так и с помощью стандартных электротензометрических измерений. В качестве первичного приемника потока инфракрасного излучения в описываемых измерениях использовался промышпенно выпускаемый детектор РТН-31, который представляет собой термобатарею, составленную из последовательно соединенных высокочувтвительных термопар, нанесенных на плату методом вакуумного напыления. Детектор работает на основе преобразования энергии потока теплового излучения, падающего на приемную площадку термоэлемента в термо-ЭДС, пропорциональную величине потока излучения. Принципиальная схема экспериментальной установки приведена на рис. 1.

Тензомспшческий датчик

Датчик ИК -радиометр излучения

Блох уярзкегаи Армщ Щркм

пушения Ш163Ю придаю. юге»

лВ „ Щ ИК - излучение

циклической е__.

нагрузки па образец

Предусшштсль Оптическая система

рс

Рис.1 Принципиальная схема экспериментов по обоснованию использования инфракрасной (ИК-) радиометрии применительно к диагностике изменений напряженного состояния геоматериалов

В третьей главе описываются эксперименты, в которых образцы горных пород подвергались квазипериодмческим и ударным воздействиям. Генерация таких воздействий осуществлялась с помощью маятникового нагрузочного устройства, специально сконструированного на основе стенда для испытания грунтов (рис. 2).

А-А

Рис.2 Схема стенда для испытаний «малых» образцов геоматериалов при квазипериодических и ударных нагружениях

1 - образец; 2 - неподвижная пластинка; 3 - подвижная пластинка; 4 -поверхность стенда; 5 - шариковая опора; 6 - подвижная траверса; 7-трос; 8 -штанга рычага: 9 - точка закрепления троса на штанге; 10 - неподвижная

ось рычага; 11 - ось маятника на конце рачага; 12- «нить» маятника; 13-груз; 14 - датчик ИК-излучения; 15- приемное окно; 16 - тензорезисторы; 17-мессдоза; 18,19,20- кабели.

Изменения напряжений в образце регистрировались как с помощью МК-радиометра, так и с использованием стандартных тензометрических датчиков, служащих для контрольных (эталонных) измерений вариаций напряжений.

Характерные записи значений выходных сигналов, получаемых в результате прохождения первичного сигнала с ИК-радиометра т от тензометра конструкции ЦНИИСК (мессдоза) Ут(1) через измерительно-вычислительный тракт, показаны на рис. 3. Графики зависимостей и Ут(() отражают реакцию исследуемой среды (образца мрамора), на нестационарное периодическое воздействие в условиях одноосного сжатия.

55

= 0,3

0 0,25 о.

1 0,2

ет

5 0,05 с;

й» о

о

¡£-0,05

-0,1 40

20

40

80

100

Время, с

Рис. 3. Исходные записи результатов измерений (в вольтах) при

исследованиях на «малом» образце горной породы, подвергаемому квазипериодическому нестационарному нагружению:

о Вариации сигнала мессдозы Ргт(0( 1); о Вариации сигнала ИК-радиометра (2).

Для вычисления оценок изменений во времени первого инварианта тензора напряжений бЯ^) и 577т(/) (МПа) соответственно по зависимостям и использовались

переходные коэффициенты, величины которых определялись по данным тарировки, проводившейся перед каждой серией экспериментов.

Для количественного описания экспериментальных данных, выделения из них "полезной" составляющей и ее обработки привлекались стандартные методы анализа случайных процессов. При этом выполнялась коррекция обрабатываемых временных последовательностей с учетом их существенной нестационарности.

Сравнение зависимостей напряжений от времени, определенных на основе сигнала ИК-радиометра, с зависимостями, полученными на основе данных тензометрических измерений, производилось с учетом результатов вычисления оценок их вероятностных характеристик.

На рис. 4 показаны графики определенных после упомянутой корреетировки исходных записей оценок зависящих от частоты V спектральных плотностей НЛу(у) и Нцт(у) соответствующих

зависимостей 8/7,,,(0 и 5Пт(?).

6.00е-08

Л &

о

5

ь

§ 4,сое-о3 с

§ 2.00е-03 а.

ь

о с О

о.оое+оо

0 1 2 3 4 3

Частота, Гц

Рис. 4. Спектральные плотности вариаций напряжений ЪПт (/) и б/7|}1(/), по данным с мессдозы (V) (1) и с ИК-радиометра 77(у) (2), МПа2*с.

При непосредственном сравнении зависимостей 5Я1(,(0 и 577 т(1) учитывался временной сдвиг г0 выходного сигнала с ИК-

радиометра, вызываемый инерционностью первичного, преобразователя и определяемый по графику взаимной корреляционной функции этих записей. Графики, изображенные на рис. 5, иллюстрируют "идентичность" функций 577т(0 и 377^ + г0), полученной после учета указанной поправки.

Время, с

Рис. 5. Данные определений вариаций напряжений (МПа) по записям сигналов с мессдозы 577т(() (1) и ИК-радиометра 8П^ + г§)(2). В экспериментах по деформированию образцов геоматериалов

в рэзкике ссрэтиоЕрзменных ударных нафузои длительность нестационарного отклика среды на порядок меньше интервалов нестационарное-™, регистрируемых ранее. Данный фаст затрудняет задачу предварительной обработки сигнала, а вместе с ней и общую задачу идентификации, поскольку известно, что уменьшение длины реализации регистрируемого процесса сопровождается появлением ряда осложняющих факторов, среди которых наиболее существенным является усиление влияния шумовых компонент в спектральных оцен[сах, что, в свою очередь, сильно снижает информативность использования здесь традиционного Фурье-анализа.

Для решения этой задачи в диссертационной работе оценивается возможность и эффестивность применения дискретного вейвлет-анализа в решении задачи фильтрации во временных рядах данных ИК-радиометрии, полученных в экспериментах по продольному деформированию образцов горной породы (мрамора) в режиме кратковременных ударных нафузок.

На рис. 6 изображены графики нестационарной части отфильтрованого сигнала ИК-радиометра (с учетом сдвига во времени вариаций выходного сигнала (/„(О относительно вариаций поступающего на ИК-радиометр «входного» сигнала) и "эталонного" сигнала тензодатчика.

Время, с

Рис. 6. Нестационарные части «отфильтрованных» (с помощью алгоритмов вейвлет-анализа) сигналов, зарегистрированных при ударном нагруисении «малого» образца горной породы: о Вариации сигналов мессдозы (1)(вольты); о Вариации сигналов ИК-радиометра (2)(вольты).

Из приведеных на рис. 6 фафиков ясно видна качественная идентичность результатов измерений вариаций мощности ЫК-излучения вариациям параметров напряженного состояния в образце горной породы, определяемых по данным регистрируемых тензодатчиком. Данное сравнение позволяет сделать заключение о

правомерности использования вейвлет-анализа, по меньшей мере, как дополнительного средства, для идентификации по данным ИК-радиометрии процессов упругого, допредельного деформирования в горных породах, происходящих при существенно нестационарных воздействиях.

Полученные результаты показывают, что для нестационарных «быстропротекающих» изменений напряженного состояния во времени с частотами порядка 0,5...5 Гц и пространственного масштаба деформаций, сравнимого с размерами испытанного образца, условие квазиадиабатичности выполняется даже при свободном теплообмене с окружающей средой. Следовательно, основная физическая предпосылка эффективности ИК-диагностики будет выполняться (при аналогичных режимах нагружения) и на более крупных масштабных уровнях.

В четвертой главе описываются эксперименты,продолжающие изложенные выше исследования в направлении большего приближения лабораторных условий к условиям ¡п-эйи.

Отличительной особенностью этого этапа разработки методики ИК-диагностики изменений напряжений в геоматериалах является осуществление экспериментов по знакопеременному нагружению «образцов» грунтов и горных пород, геометрические размеры которых позволяют устраивать в них «скважины», т.е. имитировать условия полевых испытаний.

4 5

Рис. 7. Схема стенда для испытаний грунтового объема со «скважиной» 1 - цилиндрический лоток; 2 - мессдозы; 3 - распределительный штамп; 4 - упорная рама; 5-гидравлический домкрат; 6- «скважина»; 7-ИК-

радиометр

Оппсыеаются серии опытов, в потерь«:: знакопеременному нафузкению подергался помещенный в специально сконсфуированном стенде объем песчаного фунта, в котором была устроена модельная «сквансина» глубиной 150 мм и диаметром 100мм. Устойчивость стенок «сквахсины» обеспечивалась «обсадкой» из пластмассового цилиндра толщиной около 0,5 мм. При этом регистрировались показания мессдоз, установленных внутри «массива» объемом (0,2 м3), и синхронизированные с ними записи ИК-сигнала с датчика, установленного с помощью специального приспособления у забоя "скважины" (рис.7).

Характерные примеры модифицированных записей значений выходных сигналов, получаемых в результате прохождения первичных сигналов ПК-радиометра (Vw(t)) и мессдоз (Vml(t) и Vm2(t)) через измерительно-вычислительный тракт, показаны на рис. 8.

о 20 40 60 80 100

Время, с

Рис. 8. Вариации выходных сигналов вблизи соответствующих трендовых зависимостей при исследованиях в модели грунтового массива:

о Вариации сигналов мессдоз Um\(f) и U,„2(t) (1, 2) о Вариации сигнала ИК-радиометра Uw(t) (3)

Выполненное визуальное сравнение графиков изменения во времени параметров напряженного состояния в призабойной зоне грунта, построенных по записям сигналов с мессдоз и с ИК-радиометра, устанавливает их удовлетворительную качественную близость.

Кроме того, был собран лабораторный стенд (рис. 9) для знакопеременного нафужения «большого» объема (порядка 0,6 м3) бетона, имитирующего скальную породу. Основной элемент стенда - бетонный цилиндр со стальной опалубкой, имеющий внутренний диаметр 800 мм и высоту 1200 мм. На расстоянии 250 мм от

центральной оси цилиндра пробурена скважина диаметром 100 мм и глубиной 400 мм, в которую помещается МК-радиометр.

В описываемых экспериментах объем горной породы находится в условиях, моделирующих прохождение ударного волнового воздействия в зоне массива, когда искусственно вызванные изменения напряжений затухают в течение короткого отрезка времени. При этом приложение внешней ударной нагрузки вызывает изменения напряженного состояния горной породы, как во всем объеме, так и в окрестности «скважины» и на поверхности ее забоя. Генерация кратковременного волнового импульса в «массиве» обеспечивалась «мгновенным» воздействием в точке 7, инициированного ударом груза, подвешенного на маятниковом устройстве.

Рис.9. Схема стенда для испытаний «массива» геоматериала (бетона)

со «скважиной»

1 - цилиндрический лоток с бетонной массой; 2 - маятниковое устройство; 3 - ИК-радиометр; 4 - блок управления и усиления сигнала; 5 -АЦП; 6-персональный компьютер; 7-точка приложения удара

В экспериментах изменения напряженного состояния горной породы на забое «скважины» регистрировались с помощью ИК-радиометра, который свободно подвешивается по оси «скважины» так, что его первичный преобразователь располагается на высоте 1..6 см от забоя. Характерные примеры записей значений выходных сигналов, получаемых в результате прохождения первичных сигналов ИК-радиометра через измерительно-

вычислительный тракт, показаны на рис. 10.

На приведенном графике вполне четко фиксируются начало и конец зоны существенной нестационарности сигнала. Запись сигнала в зггой зоне, очевидно, отражает «отклик» вариаций напряжений на забое «скважины» на изменения нагрузки во времени, причем длительность нестационарного отклика среды в этом случае составляет примерно 2 с.

— П 1--

Г—д^тх

о.

о

5 10 15 20 25

Вргмя, с

Рис. 10. Запись результатов измерений (в вольтах) при моделировании ударного воздействия на массив скальной породы.

Таким образом, на «больших» объемах скальных и нескальных пород, показана возможность достоверного определения качественных (моменты изменений напряженного состояния «массива») и количественных (знаки и величины скачков) параметров процесса изменений напряжений во времени на основе бесконтактных ИК-измерений.

Проведенные исследования, показывающие эффективность предлагаемой методики, представляют интерес в связи тем. что практическое применение ЙК-радиометрии для полевых измерений вариаций напряженного состояния массивов грунтов и горных пород может существенно расширить возможности экспериментальных наблюдений за происходящими в них динамическими и сейсмическими процессами, стать содержательным дополнением к традиционно используемым геофизическим методам оценки изменений их напряженного состояния.

В данной диссертационной работе экспериментально и теоретически показана возможность использования данных о вариациях инфракрасного излучения с поверхности массивов грунтов и горных пород для фиксации и изучения характерных особенностей «быстропротекающих» изменений их напряженного состояния во времени.

Основные научные и практические результаты, полученные автором, заключаются в следующем:

1. Получены функциональные зависимости, позволяющие связать изменения интенсивности теплового излучения с поверхности

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

геоматериапов с непрерывными во времени вариациями первого инварианта их напряжений.

2. Показана правомерность представления экспериментальных зависимостей ИК-измерений от времени в виде суммы трех компонент: полезного сигнала, низкочастотной трендовой составляющей, обусловленной процессами теплообмена, и высокочастотной составляющей, связанной с наличием аппаратурных шумов.

3. Построен алгоритм выделения и анализа полезной составляющей экспериментальных записей интенсивности ИК-излучения, учитывающий, в частности, нестационарность исследуемых процессов. Установлена правомерность использования адаптированных алгоритмов «скользящего среднего» для выделения низкочастотной трендовой составляющей, в записях, регистрируемых ИК-радиометром. Проведенные вычисления показали, что, после «фильтрации» высокочастотной шумовой составляющей, количественное описание изменений напряжений во времени по данным ИК-радиометрии совпадает с соответствующим описанием, полученным по данным тензометрических измерений. Установлено, что вполне достоверно идентифицируется как спектральный состав динамического процесса в образце, так и параметры его затухания.

4. Для выделения высокочастотной шумовой составляющей в записях временных вариаций интенсивности инфракрасного излучения с поверхности образцов геоматериалов, подвергаемых ударному, и вообще, существенно нестационарному нагружению, применены алгоритмы, основанные на теории вейвлет-анализа.

5. Установлено, что использование ИК-радиометрических измерений наиболее эффективно для идентификации характеристик, протекающих в геоматериалах динамических процессов с частотным диапазоном 0,5- 4,5 Гц.

6. Показана, путем выполнения моделирования на лабораторных стендах с учетом особенностей натурных ИК-измерений, реализуемость выполнения соответствующих экспериментов ¡п-эйи

7. Построенные в данной диссертационной работе схемы и алгоритмы обработки экспериментальных временных рядов могут быть использованы в научной деятельности и инженерной практике, например, при анализе данных ударно-акустической диагностики строительных конструкций.

Ockoskcs содержание диссертационной работы изложено в следующих публикациях:

1. Шейнин В.И., Левин Б.В., Блохин Д.И., Фаворов A.B. Особенности идентификации нестационарных изменений напряженного состояния геоматериалов по данным инфракрасной радиометрии //ФТПРПИ. 2003. № 5. С. 15-22.

2. Шейнин В.И., Блозсин Д.И. Возможности использования инфракрасной радиометрии для диагностики опасных геодинамических процессов // Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях: Межвузовский сборник. Изд-во Апт. гос. техн. ун-та. 2003. С. 171176.

3. Левин Б.В., Шейнин В.И., Блохин Д.И., Фаворов A.B. Инфракрасная диагностика отклика геоматериалов на импульсные и ударные нагрузки II ДАН. 2004. Т. 395. № 6. С. 822-824.

4. Шейнин В.И., СидорчукВ.Ф., Блохин Д.И. Экспериментальные исследования методом ИК-рздиометрии изменений нормальных тангенциальных напряжений на поверхности забоя скважины в модели фунтового массива И ОФМГ. 2004. № 6. С. 8-11.

5. Блохин Д.И., Шейнин В.И. Использование методов вейвлет-анализа для выделения полезной составляющей в записях вариаций инфракрасного (ИК-) излучения с поверхности геоматериалов при изменениях их напряженного состояния II Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях: Межвузовский сборник. Изд-во Алт. гос. техн. ун-та. 2004. С. 101-103.

6. Шейнин В.И., Блохин Д.И. Опьгг использования алгоритмов вейвлет-анализа для идентификации динамических процессов в геоматериалах И Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. 2005. № 2. С. 7-10.

7. Блохин Д.И., Шейнин В.И., Фаворов A.B., Сидорчук В.Ф. Разработка методики, аппаратурного и программного обеспечения для использования инфракрасной радиометрии в геофизическом мониторинге II Тезисы докладов международной научно-практической конференции "Инженерная геофизика - 2005". Москва. 2005. С. 150-154.

8. Шейнин В.И., Блохин Д.И. Инфракрасная диагностика отклика геоматериалов на нагружения, моделирующие характерные техногенные процессы У/ ГИАБ. 2005. № 5. С. 91-96.

Отпечатано в ООО «0ргсервис-2000»

Тираж 100 экз. Заказ №<ЩэД0 -АТ Москва, 115419, а/я 774, ул. Орджоникидзе, 3

,1 " ^ h":

/

РНБ Русский фонд

2007-4 9529

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Блохин, Дмитрий Иванович

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Физические методы измерений, используемые для диагностики и контроля напряженного состояния грунтов и горных пород.

1.2. Прикладные методы анализа экспериментальных зависимостей.

1.2.1. Общие сведения.

1.2.2. Детерминистский анализ.

1.2.3. Спектрально-корреляционный анализ.

1.2.4. Способы «фильтрации» сигналов, основанные на Фурье-анализе, используемые в геофизической практике.

1.2.5. Вейвлет-анализ.

1.3. Выводы по первой главе.

2. ИК-РАДИОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД ДИАГНОСТИКИ ИЗМЕНЕНИЙ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ГЕОМАТЕРИАЛОВ.

2.1. Тепловые преобразователи, используемые в физических измерениях.

2.2. Теоретические основы метода ИК-радиометрической диагностики материалов.

2.3. Аппаратура, применяемая для регистрации изменений интенсивности ИК-излучения.

2.4. Выводы по второй главе.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД МЕТОДОМ ИК-РАДИОМЕТРИИ.

3.1. Предварительные замечания.

3.2. Измерения и анализ вариаций интенсивности инфракрасного излучения с поверхности образца горной породы при квазипериодических нестационарных режимах нагружения.

3.3. Измерения и анализ вариаций интенсивности инфракрасного излучения с поверхности образца горной породы при ударных режимах нагружения.

3.4. Выводы по третьей главе.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИНФРАКРАСНОЙ РАДИОМЕТРИИ ДЛЯ ФИКСАЦИИ И ДИАГНОСТИКИ БЫСТРОПРОТЕКАЮЩИХ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В МАССИВАХ ГРУНТОВ И ГОРНЫХ ПОРОД.

4.1. Экспериментальные исследования методом ИК-радиометрии изменений напряжений на поверхности забоя скважины в модели грунтового массива.

4.2. Фиксация изменений «быстропротекающих» изменений напряженного состояния «крупномасштабного» образца, моделирующего массив горной породы.

4.3. Анализ возможности использования ИК-радиометрии для оценок характерных параметров динамических механических процессов в натурных условиях.

4.3. Выводы по четвертой главе.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Методика оценки "быстропротекающих" изменений напряженного состояния грунтов и горных пород по данным инфракрасной (ИК-) радиометрии"

Актуальность работы

Изучение механических последствий нестационарных во времени воздействий на геологическую среду, обусловленных как природными, так и техногенными процессами, во многом предопределяющее эффективность систем мониторинга состояния и обеспечения безопасности взаимодействующих с этой средой объектов, является одним из приоритетных направлений в современной прикладной геомеханике и горной геофизике. В связи с этим представляется практически важной разработка систем сбора и обработки данных, характеризующих изменения состояния геоматериалов во времени. В настоящее время предложен и внедрен на практике целый ряд методик, основанных на использовании различных физических эффектов, проявляющихся при изменениях напряженного состояния геоматериалов, что позволяет фиксировать такие изменения и получать информацию об их интенсивности и длительности.

Вместе с тем, характерной особенностью применяемых на практике методик «физического» геомониторинга является сложность и неоднозначность физических моделей, связывающих вариации определяемых механических величин и непосредственных результатов измерений. Далее, для большинства указанных методик характерен контактный способ проведения измерений, существенным недостатком которого является нарушение сплошности исследуемого объекта при внедрении в него чувствительного элемента, а также зависимость результатов таких измерений от качества установки датчиков.

Одним из способов физических измерений, позволяющих преодолеть обозначенные трудности, является разрабатываемый метод оценки упругих изменений напряженного состояния объемов грунтов и горных пород по регистрируемым данным о вариациях интенсивности инфракрасного (ИК-) излучения с их поверхности. Метод основан на общепризнанных теоретических соотношениях, а возможность выполнения бесконтактных измерений дает ИК-радиометрии особые преимущества в таких условиях, как, например, в призабойных зонах глубоких скважин, или в грунтах, представляющих собой наиболее сложный тип геоматериалов с точки зрения экспериментальной оценки изменений напряженного состояния.

Таким образом, развитие метода ИК-радиометрических измерений применительно к идентификации процессов упругого, допредельного деформирования геоматериалов, происходящих в реальных условиях при нестационарных во времени воздействиях, представляется своевременным и актуальным.

Значительный объем исследований, результаты которых представлены в настоящей диссертационной работе, был выполнен при поддержке РФФИ (код проекта № 03-05-64447).

Целью работы является разработка методики идентификации изменений напряжений в массивах грунтов, горных пород и строительных конструкциях по измерениям интенсивности теплового потока с их поверхности при различных режимах нагружения, в частности, при ударных и «квазипериодических» воздействиях, и установление границ применимости этой методики.

Методы исследований

В диссертационной работе использованы общепризнанные соотношения термоупругости и технической термодинамики, методы физико-механических лабораторных испытаний, методы прикладной теории случайных процессов и специальные способы цифровой обработки экспериментальных зависимостей сложной структуры.

Задачи исследования:

- обоснование возможности применения ИК-радиометрических измерений для контроля быстропротекающих механических процессов в массивах грунтов и горных пород и тестирование выполнения основных физических предпосылок в условиях экспериментов;

- разработка методики и техники ИК-диагностики изменений напряженного состояния геоматериалов в лабораторных экспериментах при режимах нагружения и схемах измерений, моделирующих натурные условия;

- разработка методики интерпретации данных ИК-радиометрических измерений;

- анализ влияния параметров измерительной системы и условий проведения измерений на эффективность оценки характеристик наблюдаемых процессов.

На защиту выносятся следующие основные научные положения:

- полученные на основе теоретического анализа функциональные зависимости, связывающие изменения интенсивности теплового излучения с поверхности геоматериалов с непрерывными во времени вариациями первого инварианта их напряжений;

- экспериментальное обоснование возможности диагностирования протекающих в геоматериалах динамических процессов по записям изменений во времени интенсивности теплового излучения с их поверхности;

- алгоритмы обработки и интерпретации экспериментальных данных ИК-радиометрических измерений, позволяющие получать качественные и количественные оценки изменений напряженного состояния исследуемых образцов геоматериалов во времени;

- оценка границ частотного диапазона динамических процессов, протекающих в геоматериалах, для идентификации которых эффективны ИК-радиометрические измерения.

Достоверность и обоснованность научных положений подтверждаются:

- использованием соотношений между параметрами адиабатического деформирования геоматериалов и мощностью сопровождающего этот процесс ИК-излучения, основанных на фундаментальных законах термоупругости и термодинамики излучения;

- использованием методов прикладной теории случайных процессов и методов обработки временных рядов данных, уже апробированных в геофизических исследованиях;

- удовлетворительной сходимостью результатов оценки нестационарных изменений во времени напряженного состояния исследовавшихся образцов, полученных по данным ИК-радиометрических измерений, с соответствующими оценками, полученными на основе стандартных электротензометрических измерений.

Научная новизна результатов исследований:

- разработана методика количественной оценки нестационарных изменений напряженного состояния объемов грунтов и горных пород по данным бесконтактных измерений вариаций инфракрасного излучения с их поверхности;

- для обоснования применимости разработанной методики проведены серии лабораторных экспериментов по регистрации интенсивности инфракрасного излучения с поверхности образцов грунтов и горных пород при различных видах динамических нагружений;

- выполнены пробные эксперименты на крупномасштабных образцах (стендах) с имитацией условий выполнения натурных измерений;

- с учетом анализа физических предпосылок предложенной методики и параметров используемой приемно-измерительной аппаратуры определены границы применимости использования ИК-радиометрии в лабораторных условиях и ¡п-эИи;

- применена техника вейвлет-анализа для решения задачи выделения полезной составляющей в записях вариаций интенсивности инфракрасного излучения с поверхности образцов мрамора при существенно нестационарном изменении их напряженного состояния.

Практическое значение работы

Границы применимости предлагаемой методики обосновывают возможности ее использования для фиксации и диагностики динамических механических процессов в массивах геоматериалов и строительных конструкциях, имеющих характерные частоты, лежащие в диапазоне 0,5.5 Гц; как известно указанный частотный диапазон является наиболее опасным для подвергаемых сейсмическим и другим динамическим воздействиям крупномасштабным объектам (сооружения, плотины, насыпи и т.п.).

Реализованные в данной диссертационной работе подходы к обработке экспериментальных временных рядов могут быть рекомендованы для анализа реальных геомеханических данных сложной структуры, например, в системах обработки данных мониторинга состояния геотехнических объектов.

Реализация результатов работы

Результаты данной диссертационной работы указывают на правомерность использования ИК-радиометрических измерений в качестве эффективного инструмента в системах геофизического и геотехнического мониторинга для исследования изменений напряженного состояния массивов горных пород при техногенных и природных воздействиях.

Результаты исследований были использованы НИИОСП им. Герсеванова при составлении научно-технического отчета по проекту № КЗ-5-1/2001 «Разработка научных основ подземного строительства в городах с обеспечением сохранности окружающей застройки и стабильности инженерно-геологических условий».

Апробация

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на IV и V Всероссийских научно-технических конференциях «Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях» (Бийск, 2003, 2004 г.), научном симпозиуме «Неделя горняка - 2005» (МГГУ, 2005 г.); Международной научно-практической конференции «Инженерная геофизика - 2005» (Геленджик, 2005 г.); семинарах кафедры физики МГГУ (2003-2005 г.).

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Заключение Диссертация по теме "Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика", Блохин, Дмитрий Иванович

4.4. Выводы по четвертой главе.

На «больших» объемах скальных и нескальных пород, показана возможность достоверного определения качественных (моменты изменений напряженного состояния «массива») и количественных (знаки и величины скачков) параметров процесса изменений напряжений во времени на основе бесконтактных ИК-измерений.

79

Изложенные результаты опытов на «крупномасштабных» стендах открывают возможности использования ИК-радиометрии в реальных геомеханических и геофизических исследованиях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной диссертационной работе экспериментально и теоретически показана возможность использования данных о вариациях инфракрасного излучения с поверхности массивов грунтов и горных пород для фиксации и изучения характерных особенностей «быстропротекающих» изменений их напряженного состояния во времени.

Основные научные и практические результаты, полученные автором, заключаются в следующем:

1. Получены функциональные зависимости, позволяющие связать изменения интенсивности теплового излучения с поверхности геоматериалов с непрерывными во времени вариациями первого инварианта их напряжений.

2. Показана правомерность представления экспериментальных зависимостей ИК-измерений от времени в виде суммы трех компонент: полезного сигнала, низкочастотной трендовой составляющей, обусловленной процессами теплообмена, и высокочастотной составляющей, связанной с наличием аппаратурных шумов.

3. Построен алгоритм выделения и анализа полезной составляющей экспериментальных записей интенсивности ИК-излучения, учитывающий, в частности, нестационарность исследуемых процессов. Установлена правомерность использования адаптированных алгоритмов «скользящего среднего» для выделения низкочастотной трендовой составляющей, в записях, регистрируемых ИК-радиометром. Проведенные вычисления показали, что, после «фильтрации» высокочастотной шумовой составляющей, количественное описание изменений напряжений во времени по данным ИК-радиометрии совпадает с соответствующим описанием, полученным по данным тензометрических измерений. Установлено, что вполне достоверно идентифицируется как спектральный состав динамического процесса в образце, так и параметры его затухания.

4. Для выделения высокочастотной шумовой составляющей в записях временных вариаций интенсивности инфракрасного излучения с поверхности образцов геоматериалов, подвергаемых ударному, и вообще, существенно нестационарному нагружению, применены алгоритмы, основанные на теории вейвлет-анализа.

5. Установлено, что использование ИК-радиометрических измерений наиболее эффективно для идентификации характеристик, протекающих в геоматериалах динамических процессов с частотным диапазоном 0,5- 4,5 Гц.

6. Показана, путем выполнения моделирования на лабораторных стендах с учетом особенностей натурных ИК-измерений, реализуемость выполнения соответствующих экспериментов ¡п

7. Построенные в данной диссертационной работе схемы и алгоритмы обработки экспериментальных временных рядов могут быть использованы в научной деятельности и инженерной практике, например, при анализе данных ударно-акустической диагностики строительных конструкций.

БЛАГОДАРНОСТИ

Автор выражает самую искреннюю благодарность и признательность научному руководителю д.т.н., проф. Шейнину В.И. и коллективу лаборатории "Геомеханики подземных сооружений" НИИОСП им. Н.М. Герсеванова за постоянную поддержку на всех этапах исследований.

Автор глубоко признателен чл.-корр. РАН Левину Б.В. за внимание, оказанное к работе. Автор благодарен сотрудникам кафедры физики МГГУ д.ф.-м.н., проф. Белому A.A., к.ф.-м.н., проф. Харахану М.Л. и к.т.н., доц. Харину Ю.В. за ценные замечания и помощь при подготовке работы.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Блохин, Дмитрий Иванович, Москва

1. Адаптивные фильтры / Пер. с англ.; Под ред. К.Ф. Коуэна и П.М. Гранта. - М.: Мир. 1988.

2. Акустико-эмиссионная диагностика конструкций / Серьезное А.Н., Степанова Л.Н., Муравьев В.В. и др. М.: Радио и связь, 2000.

3. Алексеев К.А. Теория и практика шумоподавления в задаче обработки сейсмоакустических сигналов // Электронная книга, www.matlab.ru.

4. Анализ и выделение сейсмических сигналов / Под ред. Ч. Чжаня. М.: Мир. 1986.

5. Анцыферов М.С. Применение сейсмоакустических методов в горном деле. М.: Наука, 1964.

6. А. с. 421773 СССР. Способ определения изменения напряженного состояния горного массива в упругом режиме / Петухов И.М., Дальнов A.C., Линьков A.M. Опубл. в БИ 10.09.74. №12.

7. Астафьева Н.М. Вейвлет анализ: основы теории и примеры применения // Успехи физических наук, т. 166, № 11, с. 11451170, 1996.

8. Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механика горных пород. М., 1975.

9. Баш В.Я. Исследование напряжений и деформаций термоэлектрическим методом. Киев: Наукова думка. 1984.

10. Бендат Джм Пирсол А. Применения корреляционного и спектрального анализа. М.: Мир, 1983.

11. Блейхут Р. Быстрые алгоритмы цифровой обработки сигналов. -М.: Мир. 1989.

12. Борисов A.A., Кимков В.И. Применение радиометрического метода для исследования напряженного состояния массивагорных пород // Прикладные задачи механики горных пород. М.: Наука, 1977.

13. Борисов A.A., Кимков В.И. О количественной оценке напряженного состояния массива по результатам измерения плотности горных пород // Методология измерения напряжений в массиве горных пород. Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1978.

14. Ватолин Е.С., Пожидаев Н.И. Оценка напряженного состояния массива гамма-метрическим методом // Методология измерения напряжений в массиве горных пород. Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1978.

15. Вознесенский A.C. Исследование и разработка системы технологического контроля состояния горных выработок. Автореферат дисс. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук. Москва: МГИ, 1981.

16. Вознесенский A.C., Набатов Вяч.В., Набатов Вл.В. Методика оценки напряженно-деформируемого состояния массива пород методом регистрации электромагнитного излучения // Известия вузов. Горный журнал. 2004. №5. С. 16-23.

17. Вознесенский Е.А. Динамическая неустойчивость грунтов. М.: Эдиториал УРСС, 1999.

18. Воларович М.П., Баюк Е.И., Левыкин А.И. Исследование упругих свойств горных пород и поглащение в них упругих волн при высоких всесторонних давлениях. Применение ультраакустики к исследованию вещества. Вып. 13. -Изд. МОПИ, 1961.

19. Воларович М.П., Балашов Д.Б., Павлоградский В.А. Исследование сжимаемости изверженных пород при давлении до 5000 кг/см2 // Известия АН СССР. Геофизика. 1959. №5. С. 693-702.

20. Глушко В.Т., Зорин А.Н., Рубец Г.Т. и др. Определение изменения состояния массива горных пород по изменению ихсопротивления // Тр. науч. исслед. горнорудн. ин-та УССР. 1971. №17.

21. Глушко В.Т., Ямщиков B.C., Яланский A.A. Геофизический контроль в шахтах и тоннелях. М.: Недра, 1987.

22. Гольденблат И.И. Нелинейные проблемы теории упругости. М.: Наука, 1969.

23. Гузь А.Н., Махорт Ф.Г., Гуща О.И., Лебедев В.К. Основы ультразвукового неразрушающего метода определения напряжений в твердых телах. Киев, 1974.

24. Гузь А.Н., Махорт Ф.Г. О возможности использования электромагнитных волн для определения напряжений // Мех. сплош. среды. Материалы Всесоюзной конференции по механике сплошной среды. Ташкент. 1982. С. 35-41.

25. Дженкинс Г., Ватте Д. Спектральный анализ и его приложения: В 2-х томах. Пер. с англ. М.: Мир. 1971.

26. Дмитриев А.П., Носов В.В. Об определении изменений горного давления в немагнитных породах магнитометрическим методом // Физ. и хим. исследования горных пород. М.: Недра, 1969.

27. Дремин И., Иванов О., Нечитайло В. Вейвлеты и их использование // Успехи физических наук, 2001, т. 171, № 5, С. 465-461.

28. Добеши И. Десять лекций по вейвлетам. Москва-Ижевск: НИЦ "Регулярная и хаотическая динамика", 2004.

29. Дьяконов В. Вейвлеты: от теории к практике. М.: Солон-Р, 2002.

30. Егер Д., Карслоу Г. Теплопроводность твердых тел. М. 1964.

31. Иванов А.Г. Сейсмоэлектрический эффект первого рода в приэлектродных областях // Докл. АН СССР. 1949. Т. 68. С. 5356.

32. Иванов А.Г. Сейсмоэлектрический эффект второго рода // Изв. АН СССР. География и геофизика. 1940. № 5. С. 699-727.

33. Иванов В.И. Применение метода акустической эмиссии для неразрушающего контроля и исследования материалов (обзор основных проблем и задач) // Дефектоскопия, 1980, №5,С. 65 -84.

34. Ишанин Г. Г. Приемники излучения оптических и оптико-электронных приборов.-Л.: Машиностроение. 1986.

35. Каппелини В., Константинидис А. Дж., Эмилиани П. Цифровые фильтры и их применение. М.: Энергоатомиздат. 1983.

36. Карташов Ю.М., Ильинов М.Д. Исследование "памяти" горных пород для оценки их напряженного состояния // Горное давление и горные удары: Тр. ВНИМИ. Сб. 91 / Отв. ред. А.Н. Омельченко. -Л.: Изд. ВНИМИ. 1974. С. 111-117.

37. Клочкова Н.П., Лукашник В.Ф., Воробьева Л.М., Волчек A.B. Тензодатчики для экспериментальных исследований. М.: Машиностроение, 1972.

38. Криксунов Л.З. Справочник по основам инфракрасной техники. -М.: Советское радио, 1978.

39. Кожевин В.Г., Маньков В.Н., Муратов В.А., Курчин М.К. Исследование напряженно-деформируемого состояния горных пород в массиве акустическим методом. В кн.: Измерение напряжений в массиве горных пород. - Новосибирск. 1972. С. 231-234.

40. Курленя М.В., Опарин В.Н. Электрометрический метод диагностики напряженно-деформируемого состояния массивов горных пород //Докл. АН СССР. 1990. Т. 313. № 1.

41. Курленя М. В., Опарин В. Н. Скважинные геофизические методы диагностики и контроля напряженно-деформированного состояния массивов горных пород. Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 1999.

42. Курленя М.В., Вострецов А.Г., Кулаков Г.И., Яковицкая Г.Е. Регистрация и обработка сигналов электромагнитного излучения горных пород. Новосибирск: Издательство СО РАН, 2000.

43. Лавров A.B., Шкуратник В.Л., Филимонов Ю.Л. Акустоэмиссионный эффект памяти в горных породах. М.: Издательство МГГУ. 2004.

44. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория упругости. М.: ГИФМЛ. 1965.

45. Любушин А.(мл.) Геофизический мониторинг: шумы, сигналы, предвестники. Проблемы геофизики XXI века: Кн. 2 / Отв. ред. A.B. Николаев. - М.: Наука, 2003.

46. Лыков A.B. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа. 1967.

47. Макс Ж. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях: В 2-х томах. Пер. с франц. М.: Мир. 1983.

48. Малышев Ю.Н., Сагалович О.И., Лисуренко A.B. Техногенная геодинамика: Кн. 1. Аналитический обзор. Актуальные проблемы. -М.: Недра. 1996.

49. Марпл мл. С.Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения / Пер. с англ. - М.: Мир. 1990.

50. Мигунов Н.И. Об использовании сейсмоэлектрических явлений для изучения напряженного состояния насыщенных горных пород // Изв. АН СССР, сер. Физика Земли. 1984. № 9. С. 20-28.

51. Мотовилов Э.А., Смородинов М.И., Шейнин В.И., Пригорнева С.В., Морозов A.A. Оценка напряженного состояния грунтов по измерению потока инфракрасного //ОФМГ. 1989. № 1. С. 24-26.

52. Мячкин В.И., Соловьева Р.П. Изучение распространения упругих волн ультразвуковой частоты на малых базах в горных породах в условиях естественного залегания // Изв. АН СССР. Геофизика. 1960. № 1.

53. Неразрушающий контроль, в 5 кн. Кн. 2: Акустические методы контроля/ Под ред. В.В. Сухорукова. М.: Высшая школа, 1991.

54. Никитин A.A. Теоретические основы обработки геофизической информации. М.: Недра, 1986.

55. Опарин В.Н., Морозов П.Ф. Выбор порога чувствительности в радиометрическом методе оценки механического состояния горных пород // Физические свойства пород в массиве. -Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1982.

56. Пригорнева C.B. Разработка методики оценки напряженного состояния фундаментов и грунтов оснований с использованием инфракрасного излучения // Автореф. дисс. на соиск. уч. степени канд. техн. наук. М.: НИИОСП им. Н.М. Герсеванова. 1987.

57. Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов / Пер. с англ.; Под ред. Ю.И, Александрова. М.: Мир. 1978.

58. Рапопорт М.Б. Автоматическая обработка записей колебаний в сейсморазведке. М.: Недра. 1973.

59. Ржевский В. В., Ямщиков B.C. Акустические методы исследования и контроля горных пород в массиве. М.: Наука, 1973.

60. Ржевский В.В., Новик Г.Я. Основы физики горных пород. М.: Недра. 1984.

61. Ризниченко Ю.В. и др. Сейсмоакустические методы изучения напряженного состояния горных пород на образцах и в массиве // Труды Геофизического института АН СССР. № 34. 1956.

62. Родионов В.Н., Сизов В.А., Цветков В.М. Основы геомеханики. -М.: Недра, 1986.

63. Руководство по тензометрированию строительных конструкций и материалов. М.: НИИЖБ, 1971.

64. Савич А.И. и др. Сейсмоакустические методы изучения массивов скальных пород. М.: Недра, 1969.

65. Савич А.И., Куюнджич Б.Д., Коптев В.И. и др. Комплексные инженерно-геофизические исследования при строительстве гидротехнических сооружений. М.: Недра. 1990.

66. Светов B.C., Карпинский C.B., Кукса Ю.И., Одинцов В.И. Магнитотеллурический мониторинг геодинамических процессов // Изв. РАН. Физика Земли. 1997. № 5. С. 36-46.

67. Светов B.C. Перспективы сейсмоэлектромагнитных исследований в новом столетии // Проблемы геофизики XXI века. В 2 кн. / Отв. ред. A.B. Николаев. Кн. 2. М.: Наука, 2003. С. 113128.

68. Свешников A.A. Прикладные методы теории случайных функций. -М.: Наука. 1968.

69. Скакун А.П. Контроль напряженного состояния углей и пород вблизи выработок на основе регистрации электромагнитной эмиссии: Сб. науч. тр. / ВНИМИ. Л., 1989. С. 63-75.

70. Скипочка С. И. Сейсмоэлектрический эффект предельно напряженных горных пород // Изв. АН СССР, сер. Физика Земли. -1989. -№ 7.-С. 88-92.

71. Соболев Г.А., Пономарев A.B. Физика землетрясений и предвестники. М.: Наука. 2003.

72. Стаховский И.Р. Вейвлетный анализ временных сейсмических рядов //ДАН. 1996. Т. 350. № 3. С. 393-396.

73. Степанов A.B., Матвеев С.А. Методы компьютерной обработки сигналов систем радиосвязи. М.: СОЛОН -Пресс. 2003.

74. Стрелков С.П. Общий курс физики. Механика. М.: Наука, Физматгиз, 1975.

75. Таблицы физических величин. Справочник. Под ред. акад. И.К. Кикоина. М.: Атомиздат, 1976.

76. Тарасов Б.Г., Дырдин В.В., Иванов В.В. Геоэлектрический контроль состояния массивов. М.: Недра. 1983.

77. Технические средства диагностирования. Справочник. Под ред. В.В. Клюева.-М.: Машиностроение. 1989.

78. Техника экспериментального определения напряжений в осадочных породах / Под ред. Е.И. Шемякина. Новосибирск: Наука, 1975.

79. Ткаченко Н.Ф. Разработка способа и средств регистрации электромагнитного излучения для контроля процесса разрушения призабойной части угольного пласта // Автореф. дисс. на соиск. уч. степени канд. техн. наук. М.: ИГД им. A.A. Скочинского. 1989.

80. Турчанинов И.А., Панин В.И. Руководство по определению напряженного состояния горных пород ультразвуковым методом. Апатиты. 1970.

81. Тюремнов В.А. К вопросу о связи некоторых физических свойств горной породы с ее напряженным состоянием. В кн.: Физика и технология разработки недр. - М. 1965.

82. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. М.: Советская энциклопедия. 1979.

83. Френкель Я. И. К теории сейсмических и сейсмоэлектрических явлений во влажной почве // Изв. АН СССР. География и геофизика. 1944. Т. 8. № 4. С. 133-150.

84. Хаттон Л., Уордингтон М., Мейкин Дж. Обработка сейсмических данных. Теория и практика. М.:Мир, 1989.

85. Хэррис Ф.Дж. Использование окон при гармоническом анализе методом Фурье//ТИИЭР. 1981. Т. 69. № 11.

86. Цытович H.A., Тер-Мартиросян З.Г. Основы прикладной геомеханики в строительстве. М.: Высш. школа. 1981.

87. Шейнин В.И., Мотовилов Э.А., Филиппова С.В. Оценка изменения напряженного состояния грунтов и горных пород поизменению интенсивности потока инфракрасного излучения с их поверхности //ФТПРПИ. 1994. № 3. С.14-22.

88. Школьник И.Э. Исследования анизотропии и напряженного состояния бетона с помощью сдвиговых ультразвуковых колебаний //Дис. . канд. техн. наук. М., 1968.

89. Шкуратник В.П., Вознесенский А.С., Колодина И.В. Методы и средства изучения быстропротекающих процессов. М.: Издательство МГГУ, 2005.

90. Ямщиков B.C. Методы и средства исследования и контроля горных пород и процессов. М.: Недра, 1982.

91. Ямщиков B.C. Волновые процессы в массиве горных пород. М.: Недра. 1984.

92. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. . М.: Наука, 1980.

93. Belgen М.Н. Stuctural Sress Measument with an Infrared Radiometr. ISA Transaction, 1967, vol. 6, № 1, January, p. 49-53.

94. Coifman R., Meyer Y., Wickerhauser M.V. Wavelet analysis and signal processing, in Ruskai etal. 1992. pp. 153-178.

95. Daubechies I. The wavelet transform, time frequency localization and signal analysis // IEEE Trans. Inf. Theory, vol. 36 (1990). pp. 961-1005.

96. Donoho D.L. Denoising by Soft Thresholding // Department of Statistics, Stanford University, Technical report, 1992.

97. Grossman A., Morlet J. Decompression of Hardy Functions into Square Integrable Wavelets of Constant Shape // SIAM J. Math. Anal. vol. 15 (1984). pp. 723 736.

98. Lemarie P.G. Une nouvelle base d'ondelettes de L2(Rn) // J. de Math. Pures et Appl. 1988. vol. 67. pp. 227-236.

99. Mallat S.G. Multiresolution approximations and Wavelet of ortonormal bases of L2(R) // Transactions of the American Mathematical Society. 1989. vol. 315. pp. 69-87.

100. Murphy W., Reischer A., Hsu K. Modulus decomposition of compressionai and shear velocities in sand bodies // Geophysics, 1993. V. 58, №2. P. 227-239.

101. Sheinin V.I., Levin B.W, Motovilov E.A. Infrared diagnostics of stress variations in rock: the possibilities for monitoring prelimit mechanical processes in the earth's crust // Earthquake Prediction Researches. 1997. V6. №1. P. 138-147.

102. Stanley P., Chan W.K. Quantitative stress analysis by means of the thermoelastic effect. Jornal of strain analysis, 1985, vol. 20, № 3, p. 129-137.

103. Weis O. Preliminary observations on apparent electrical resistivity changes in rock under stress and E.M.F. caused by internal friction in fracturing//Bui. Int. Min. Metall. 1943. № 462.