Ориентационная природа эффекта деформационной памяти при трехосном циклическом неравнокомпонентном сжатии песчаника

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Для описания механизмов и условий проявления эффекта деформационной памяти (эффекта Кайзера) в горных породах, подвергающихся трехмерному непропорциональному циклическому нагружению с изменением ориентации и формы эллипсоида Ламе, проведены эксперименты с кубическими образцами из полимиктового песчаника на Испытательной системе трехосного независимого нагружения с непрерывной записью сигналов акустической эмиссии. Результаты непропорционального трехосного сжатия по разработанной 9-цикловой программе нагружения показали, что доминирующим механизмом проявления эффекта памяти повреждений в каждом определенно ориентированном ансамбле дефектов является развитие микротрещин нормального отрыва, ориентированных субнормально к направлению минимального главного напряжения. Было обнаружено, что проявление эффекта Кайзера определяется не столько фактом раскрытия существующих «благоприятно» ориентированных микротрещин, сколько их дискретным ростом и появлением новых дефектов. Полученные экспериментальные результаты могут рассматриваться в качестве триггера для развития моделей деформирования и разрушения горных пород, учитывающих анизотропную природу и ориентационные эффекты развития поврежденности при различных сложных напряженно-деформированных состояниях и реальных условиях трехосного непропорционального нагружения, которые наблюдаются в природных и антропогенных системах.

Об авторах

Иван Алексеевич Пантелеев

Институт механики сплошных сред УрО РАН

Email: pia@icmm.ru
ORCID iD: 0000-0002-7430-3667
SPIN-код: 8675-4288
Scopus Author ID: 6842391700
ResearcherId: N-6353-2016
http://www.mathnet.ru/person51894

кандидат физико-математических наук, зав. лабораторией цифровизации горнотехнических процессов

Россия, 614013, Пермь, ул. Академика Королева, 1

Алексей Вячеславович Зайцев

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Email: a-zaitsev@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-0578-7917
SPIN-код: 7020-2997
Scopus Author ID: 7201772149
ResearcherId: AAU-4865-2020
http://www.mathnet.ru/person41585

кандидат физико-математических наук, доцент, доцент каф. механики композиционных материалов и конструкций

Россия, 614990, Пермь, Комсомольский пр-т, 29

Константин Борисович Устинов

Институт проблем механики им. А. Ю. Ишлинского РАН

Email: ustinov@ipmnet.ru
ORCID iD: 0000-0001-5852-3355
SPIN-код: 4532-6073
Scopus Author ID: 6507787696
ResearcherId: N-4162-2015
http://www.mathnet.ru/person145882

доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник, главный научный сотрудник лаб. геомеханики

Россия, 119526, Москва, просп. Вернадского, 101, корп. 1

Виргиния Анатольевна Мубассарова

Институт механики сплошных сред УрО РАН

Email: mubassarova.v@icmm.ru
ORCID iD: 0000-0001-7593-6776
SPIN-код: 7938-6440
Scopus Author ID: 51764041500
ResearcherId: AAZ-1485-2021
http://www.mathnet.ru/person179655

кандидат физико-математических наук, научный сотрудник лаб. термомеханики твердых тел

Россия, 614013, Пермь, ул. Академика Королева, 1

Николай Иванович Шевцов

Институт проблем механики им. А. Ю. Ишлинского РАН

Email: red3991@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-0792-2262
SPIN-код: 8083-9540
Scopus Author ID: 57219449026
http://www.mathnet.ru/person146354

младший научный сотрудник лаб. геомеханики

Россия, 119526, Москва, просп. Вернадского, 101, корп. 1

Валерий Владимирович Химуля

Институт проблем механики им. А. Ю. Ишлинского РАН

Email: valery.khim@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-2116-6483
SPIN-код: 2115-7318
Scopus Author ID: 57224741664
ResearcherId: ACJ-7411-2022
http://www.mathnet.ru/person145828

кандидат физико-математических наук, младший научный сотрудник лаб. геомеханики

Россия, 119526, Москва, просп. Вернадского, 101, корп. 1

Владимир Иосифович Карев

Институт проблем механики им. А. Ю. Ишлинского РАН

Email: wikarev@ipmnet.ru
ORCID iD: 0000-0003-3983-4320
SPIN-код: 5583-0529
Scopus Author ID: 6701681891
ResearcherId: F-5769-2014
http://www.mathnet.ru/person112318

доктор технических наук, профессор, заместитель директора по науке, главный научный сотрудник лаб. геомеханики

Россия, 119526, Москва, просп. Вернадского, 101, корп. 1

Юрий Федорович Коваленко

Институт проблем механики им. А. Ю. Ишлинского РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: perfolinkgeo@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-6128-1737
SPIN-код: 2579-2525
Scopus Author ID: 7006619014
http://www.mathnet.ru/person145638

доктор физико-математических наук, профессор, заведующий лаб. геомеханики

Россия, 119526, Москва, просп. Вернадского, 101, корп. 1

Список литературы

  1. Kaiser J. An Investigation into the Occurrence of Noises in Tensile Tests or a Study of Acoustic Phenomena in Tensile Tests: Ph.D. Thesis, Tech. Hosch. Munchen, Munich, Germany, 1950.
  2. Holcomb D. J., Costin L. S. Detecting damage surfaces in brittle materials using acoustic emissions // J. Appl. Mech., 1986. vol. 53, no. 3. pp. 536–544. DOI: https://doi.org/10.1115/1.3171807.
  3. Lockner D. The role of acoustic emission in the study of rock fracture. International loading rates // Mech. Materials, 1993. vol. 33, no. 11. pp. 669–677.
  4. Villaescusa E., Seto M., Baird G. Stress measurements from oriented core // Int. J. Rock Mech. Min. Sci, 2002. vol. 39, no. 5. pp. 603–615. DOI: https://doi.org/10.1016/s1365-1609(02)00059-x.
  5. Zang A., Stephansson O. Stress Field of the Earth’s Crust. Dordrecht: Springer, 2010. xix+324 pp. DOI: https://doi.org/10.1007/978-1-4020-8444-7.
  6. Lehtonen A., Cosgrove J. W., Hudson J. A., Johansson E. An examination of in-situ rock stress estimation using the Kaiser effect // Eng. Geol., 2012. vol. 124. pp. 24–37. DOI: https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2011.09.012.
  7. Heimisson E. R., Einarsson P., Sigmundsson F., Brandsdóttir B. Kilometer-scale Kaiser effect identified in Krafla volcano, Iceland // Geophys. Res. Lett., 2015. vol. 42, no. 19. pp. 7958–7965. DOI: https://doi.org/10.1002/2015gl065680.
  8. Рассказов М. И., Терешкин А. А., Цой Д. И. Оценка напряженного состояния массива месторождения “Пионер” на основе акустико-эмиссионного эффекта памяти горных пород // Проблемы недропользования, 2019. № 2(21). С. 62–67. EDN: NTILVU. DOI: https://doi.org/10.25635/2313-1586.2019.02.062.
  9. Белютюков Н. Л. Особенности использования эффекта Кайзера для оценки напряженного состояния массива горных пород // Горное эхо, 2019. № 3(76). С. 24–31. EDN: UCRGVR. DOI: https://doi.org/10.7242/echo.2019.3.7.
  10. Шкуратник В. Л., Николенко П. В. Об использовании эффекта Кайзера в эпоксидной смоле с кварцевым наполнителем для оценки напряжений в массиве горных пород // Горный информационно-аналитический бюллетень, 2012. № S1. С. 97–104. EDN: QCLEQZ.
  11. Николенко П. В., Шкуратник В. Л., Чепур М. Д., Кошелев А. Е. Использование эффекта Кайзера в композиционных материалах для контроля напряженного массива горных пород // ФТПРПИ, 2018. № 1. С. 25–31. EDN: YTIKTM. DOI: https://doi.org/10.15372/FTPRPI20180103.
  12. Shkuratnik V. L., Nikolenko P. V. Spectral characteristics of acoustic emission in carbon fiber-reinforced composite materials subjected to cyclic loading // Adv. Mat. Sci. Eng., 2018, 1962679. DOI: https://doi.org/10.1155/2018/1962679.
  13. Kilburn C. Precursory deformation and fracture before brittle rock failure and potential application to volcanic unrest // J. Geophys. Res., 2012. vol. 117, no. B2, B02211. DOI: https://doi.org/10.1029/2011JB008703.
  14. Faulkner D. R., Mitchell T. M., Healy D., Heap M. J. Slip on ‘weak’ faults by the rotation of regional stress in the fracture damage zone // Nature, 2006. vol. 444, no. 7121. pp. 922–925. DOI: https://doi.org/10.1038/nature05353.
  15. Gudmundsson A., Philipp S. L. How local stress fields prevent volcanic eruptions // J. Volcanol. Geotherm. Res., 2006. no. 3–4. pp. 257–268. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jvolgeores.2006.06.005.
  16. Karaoğlu Ö., Browning J., Bazargan M., Gudmundsson A. Numerical modelling of triple-junction tectonics at Karlova, Eastern Turkey, with implications for regional magma transport // Earth Planet. Sci. Lett., 2016. no. 452. pp. 157–170. DOI: https://doi.org/10.1016/j.epsl.2016.07.037.
  17. Lavrov A. V. The Kaiser effect in rocks: principles and stress estimation techniques // Int. J. Rock Mech. Min. Sci., 2003. vol. 40, no. 2. pp. 151–171. DOI: https://doi.org/10.1016/s1365-1609(02)00138-7.
  18. Lavrov A., Vervoort A., Wevers M., Napier J. A. L. Experimental and numerical study of the Kaiser effect in cyclic Brazilian tests with disk rotation // Int. J. Rock Mech. Min. Sci., 2002. vol. 39, no. 3. pp. 287–302. DOI: https://doi.org/10.1016/s1365-1609(02)00038-2.
  19. Chen Z. H., Tham L. G., Xie H. Experimental and numerical study of the directional dependency of the Kaiser effect in granite // Int. J. Rock Mech. Min. Sci., 2007. vol. 44, no. 7. pp. 1053–1061. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2006.09.009.
  20. Li C., Nordlund E. Experimental verification of the Kaiser effect in rocks // Rock Mech. Rock Engng., 1993. vol. 26, no. 4. pp. 333–351. DOI: https://doi.org/10.1007/bf01027116.
  21. Pestman B. J., Van Munster J. G. An acoustic emission study of damage development and stress-memory effects in sandstone // Int. J. Rock Mech. Min. Sci. Geomech. Abstracts, 1996. vol. 33, no. 6. pp. 585–593. DOI: https://doi.org/10.1016/0148-9062(96)00011-3.
  22. Pestman B. J., Kenter C. J., Van Munster J. G. Estimation of in-situ stress magnitudes from measurements on cores // SPE/ISRM Rock Mechanics in Petroleum Engineering, 1998 (Trondheim, Norway, July 1998), SPE-47239-MS. DOI: https://doi.org/10.2118/47239-ms.
  23. Pestman B. J., Holt R. M., Kenter C. J., Van Munster J. G. Field application of a novel core-based in-situ stress estimation technique // SPE/ISRM Rock Mechanics Conference, 2002 (Irving, Texas, October 2002), SPE-78158-MS. DOI: https://doi.org/10.2118/78158-ms.
  24. Шкуратник В. Л., Лавров А. В. Эффекты памяти в горных породах. Физические закономерности, теоретические модели. М.: Акад. горных наук, 1997. 159 с.
  25. Лавров А. В., Шкуратник В. Л., Филимонов Ю. Л. Акустоэмиссионный эффект памяти в горных породах. М.: МГГУ, 2004. 456 с. EDN: SDSUPF.
  26. Browning J., Meredith P. G., Stuart C. E., Healy D., Harland S., Mitchell T. M. Acoustic characterization of crack damage evolution insandstone deformed under conventional and true triaxial loading // J. Geophys. Res. Solid Earth, 2017. vol. 122, no. 6. pp. 4395–4412. DOI: https://doi.org/10.1002/2016jb013646.
  27. Browning J., Meredith P. G., Stuart C., Harland S., Healy D., Mitchell T. M. A directional crack damage memory effect in sandstone under true triaxial loading // Geophys. Res. Lett., 2018. vol. 45, no. 14. pp. 6878–6886. DOI: https://doi.org/10.1029/2018GL078207.
  28. Карев В. И., Климов Д. М., Коваленко Ю. Ф., Устинов К. Б. О разрушении осадочных горных пород в условиях сложного трехосного напряженного состояния // Изв. РАН. МТТ, 2016. № 5. С. 15–21. EDN: WRJKER.
  29. Климов Д. М., Карев В. И., Коваленко Ю. Ф. Экспериментальное исследование влияния неравнокомпонентного трехосного напряженного состояния на проницаемость горных пород // Изв. РАН. МТТ, 2015. № 6. С. 39–48. EDN: VKACQZ.
  30. Shevtsov N., Zaitsev A., Panteleev I. Deformation and destruction of rocks on the true triaxial loading system with continuous acoustic emission registration / Physical and Mathematical Modeling of Earth and Environment Processes. Cham: Springer, 2019. pp. 424–432. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-030-11533-3_42.
  31. Пантелеев И. А., Мубассарова В. А., Зайцев А. В., Шевцов Н. И., Коваленко Ю. Ф., Карев В. И. Эффект Кайзера при трехосном сжатии песчаника с последовательным вращением эллипсоида заданных напряжений // ФТПРПИ, 2020. № 3. С. 47–55. EDN: BFAPJC. DOI: https://doi.org/10.15372/FTPRPI20200305.
  32. Пантелеев И. А., Мубассарова В. А., Зайцев А. В., Карев В. И., Коваленко Ю. Ф., Устинов К. Б., Шевцов Н. И. Эффект Кайзера при многоосном непропорциональном сжатии песчаника // Докл. РАН. Физ., техн. науки, 2020. Т. 495, № 1. С. 63–67. EDN: QWRQGD. DOI: https://doi.org/10.31857/S2686740020060152.
  33. Шевцов Н. И., Зайцев А. В., Пантелеев И. А. Исследование связи напряженно-деформированного состояния горных пород с потоком акустической эмиссии на испытательной системе трехосного независимого нагружения // Процессы в геосредах, 2019. № 1(19). С. 129–136. EDN: RQBKMG.
  34. Пантелеев И. А., Коваленко Ю. Ф., Сидорин Ю. В., Зайцев А. В., Карев В. И., Устинов К. Б., Шевцов Н. И. Эволюция поврежденности при сложном неравнокомпонентном сжатии песчаника по данным акустической эмиссии // Физ. мезомех., 2019. Т. 22, № 4. С. 56–63. EDN: QXJPUS. DOI: https://doi.org/10.24411/1683-805X-2019-14006.
  35. Healy D., Blenkinsop T. G., Timms N. E., Meredith P. G., Mitchell T. M., Cooke M. L. Polymodal faulting: Time for a new angle on shear failure // J. Struct. Geol., 2015. vol. 80. pp. 57–71. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jsg.2015.08.013.
  36. Panteleev I., Lyakhovsky V., Browning J., Meredith P. G., Healy D., Mitchell T. M. Nonlinear anisotropic damage rheology model: Theory and experimental verification // Eur. J. Mech., A/Solids, 2021. vol. 85, 104085. DOI: https://doi.org/10.1016/j.euromechsol.2020.104085.
  37. Lyakhovsky V., Panteleev I., Shalev E., Browning J., Mitchell T. M., Healy D., Meredith P. G. A new anisotropic poroelasticity model to describe damage accumulation during cyclic triaxial loading of rock // Geophys. J. Int., 2022. vol. 230, no. 1. pp. 179–201.EDN: FEJKUL. DOI: https://doi.org/10.1093/gji/ggac062.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рисунок 1. Программа нагружения 9-циклового непропорционального сжатия и средний суммарный счет АЭ

Скачать (294KB)
Метаданные
3. Рисунок 2. Траектория деформирования (зависимость осевых деформаций \(\varepsilon_{xx}\), \(\varepsilon_{yy}\) и \(\varepsilon_{zz}\) от времени) и относительный средний суммарный счет АЭ \((\Sigma N)/N_{\max}\)

Скачать (401KB)
Метаданные
4. Рисунок 3. Зависимости приращений деформаций относительного сжатия \(\Delta\varepsilon_{xx}\), \(\Delta\varepsilon_{yy}\) и \(\Delta\varepsilon_{zz}\) (сплошная линия) в трех взаимно ортогональных направлениях и относительный средний суммарный счет АЭ \(\Sigma N\) (черная линия) для первого (a), второго (b) и третьего (c) блока циклического нагружения от времени. Пунктирная линия — участки программы нагружения

Скачать (748KB)
Метаданные

© Авторский коллектив; Самарский государственный технический университет (составление, дизайн, макет), 2022

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».