загрузка...

Критерии подобия при моделировании динамики физических свойств образцов горных пород  

  роды, слагающие моделируемые объекты, не могут быть использованы для изготовления моделей. Хотя для моделирования некоторых механических процессов (моделирование процессов хрупкого разрушения) горные породы, по его мнению, могли использоваться.
В то же время многие исследователи [Гзовский, 1975; Соболев, 1993; Соболев, Пономарев, 2003; Смирнов, Пономарев, Сергеева, 2001; Шерман, 1984] считают, что можно, используя принцип раздельного моделирования, изучать отдельные стороны деформационных процессов, подбирая параметры экспериментов, наилучшим образом удовлетворяющие физической сути исследуемых процессов. При этом должны соблюдаться множители подобия наиболее важных параметров, а множители подобия малозначимых характеристик могут отличаться от строго необходимых значений.
Наряду с этим в последнее время развиваются представления о том, что можно предположить соответствие процессов, протекающих в образцах горных пород и модельных материалов, процессам, протекающим в массивах горных пород. Это подтверждает ряд публикаций о самоподобии строения горных пород и сейсмичности [Садовский, Болховитинов, Писаренко, 1982; 1987; Садовский и др., 1984; Дискретные..., 1989; Mandelbrot, 1982; Halsey et al., 1986; Hirata, 1989].
Следует также отметить, что понятия синергетики и самоорганизации, применяемые для описания процессов взаимодействия трещин и разрывов и коллективных эффектов в сейсмологии [Соболев, Тюпкин, 2000; Bowman et al., 1998; Keilis-Borok, 1990; Sor- nette, Sammis, 1995], не противоречат подобию процессов деформирования и подготовки разрушения горных пород на разных пространственно-временных масштабах.
При исследованиях в лабораторных условиях масштабного фактора на горных породах К. Mogi (1988) пришел к выводу, что влияние размеров образцов горных пород на их прочность незначительно. В работе [McClintok, 1976] также приводятся сведения о малости масштабного фактора при пластических деформациях.
В данной работе процессы деформирования и подготовки разрушения горных пород исследуются при двух физически разных условиях.
Первое физическое условие: рост нагрузки на образцы в течение короткого времени позволяет не учитывать процессы, зависящие от инерционных сил и силы тяжести. В этом случае условия подобия принимают вид:

подобия прочностей СР должен быть равен множителю подобия напряжений Ct. Это условие позволяет считать в мех^™ЧеСК0^ ° ношении подобными процессы формирования крупных и мелких — X складок и разрывов, образовавшихся в течение одина- коГх промежgt;аков времени [Гзовский, 1975]. В то же время М.В. Гзовский указывает, что изучение разрывов на моделях из горных пород певГзможпо. Он связывает это с тем, что, воспроизводя пластические деформации и разрывы, развивающиеся в земной коре, мы во много раз сокращаем длительность пРоцесс%              с
Для сложных геологических систем, в ^0Т^ТСТВИ
требованиями теории подобия, должны быть обеспечены
СЛеДГТР?поЛр0циональность формы и размеров (геометрическое
. пропорциональность скорости, ускорения и направления движений тел (кинематическое подобие), пропорциональность движений и сил (динамическое по- пропорциональность движений между массами (материальное подобие); пропорциональность друг другу всех физических величин, характеризующих физико-химические процессы.
Наиболее известны эксперименты по моделированию геологических процессов образования разломов, которые провод иi ^ Шепман с коллегами [Шерман, Борняков, Буддо, 1983, Саньков, 19891 и эксперименты по моделированию процессов подготовки землетрясений^! их предвестников Г.А.Соболева с коллегами [Соболев 1993; Соболев, Пономарев, 2003 и др.].
В основе моделирования С.И. Шерманом геологических про-
цессов лежит формирование разрывов при ®Ф°Р”"Р°“ан'™ говязкой среды. Главным при этом является вязкость, менее суше стюнны скорость деформирования, продолжительность опыта, степень деформации. При таком подходе уравнение подобия будет иметь вид




ного падения; е — деформация. В основе этого выражения лежит представление о том, что напряжения создаются весом пород.
В нашем случае напряжения создаются нагружающим устройством — прессом. В связи с этим значения плотности р, ускорения свободного падения g и толщины деформируемого объема Н модельного материала не имеют существенного значения, так как их роль будет выполнять пресс, а основными параметрами становятся деформация е, вязкость т| материала и t — продолжительность процесса.
При использовании в качестве модельного материала горных пород большое значение приобретает произведение двух величин: длительности процесса t и уровня деформации е. В природных условиях время подготовки небольших разрывов имеет значение примерно 10—1000 сут, а деформации достигают величин порядка 10“3 — ЮЛ Такие же значения времени и деформации отмечаются и в длительных экспериментах, результаты которых будут представлены далее. В этом случае произведение г-t будет идентичным для натурных и модельных объектов. Реологические свойства (вязкость) природных и модельных материалов, в случае экспериментов с образцами горных пород, не имеют существенного различия при одинаковой длительности воздействий.

Таким образом, выполняется вся совокупность условий подобия, так как цель данной работы сводится не к моделированию «медленных» геодинамических процессов, связанных с развитием тектонических складок, образованием разломов за геологический интервал времени и т.д., а к моделированию современных геодинамических процессов в реальном масштабе времени.
Это же условие подобия (3.6) в виде выражения
(3.8)
использовалось и в экспериментах по разрушению горных пород с применением обратной связи [Смирнов, Пономарев, Сергеева, 2001; Соболев, Пономарев, 2003].
В экспериментах с обратной связью скорость нагружения образцов уменьшалась по мере увеличения текущей акустической эмиссии, что позволило растянуть формирование макроразрыва образца на десятки и сотни минут и обойти выполнение критерия подобия по времени.

В проведенных авторами данной работы длительных экспериментах с постоянной нагрузкой скорость деформирования образцов, как это будет показано далее в соответствующих разделах, не оставалась неизменной. Она претерпевала существенные изменения, что было обусловлено соответствующими изменениями внутренних параметров образца. Таким образом, образец горной породы выступал так же, как и геологическая среда, в качестве саморегулирующейся системы.
При этом процесс формирования аномального напряженно- деформированного состояния подготовки и динамики макроразрыва образца, на данном масштабном уровне, занимал время, соизмеримое с современными аномальными геодинамическими процессами в зонах разломов, и, таким образом, соблюдался критерий подобия по времени (С, = 1). Так как напряжения, прикладываемые к образцу, тоже были соизмеримы с природными напряжениями (Ст = 1), то и характерная вязкость модельного материала должна быть соизмерима с вязкостью горных пород (Cn = 1). Таким образом, выполняется условие подобия (3.6) или (3.8), что и позволило использовать горные породы в качестве модельного материала при моделировании современных геодинамических процессов.
Сформулированные выше основные задачи экспериментального изучения в лабораторных условиях динамики физических свойств горных пород при активизации современных геодинамических процессов сводятся к следующим двум видам физического моделирования: моделирование роста нагрузки на горные породы в течение короткого времени, что позволяет не учитывать процессы, зависящие от инерционных сил и силы тяжести; моделирование длительного действия постоянной нагрузки, что позволяет, изучая медленно развивающиеся деформации, пренебречь действием инерционных сил и силы тяжести и выполнить условие равенства длительности процессов в модельных и натурных условиях.
Учитывая явления самоподобия строения горных пород и рассмотрев условия подобия при моделировании этих процессов, можно сделать вывод, что для изучения изменений физических свойств материала горных пород при моделировании конкретных схем напряженно-деформированного состояния необходимо и достаточно использование горных пород в качестве адекватного модельного материала.

Как показывает анализ современных геодинамических процессов, геологическая среда испытывает воздействие квазистатических нагрузок, создаваемых глобальным и региональными полями напряжений. Зоны разломов играют определяющую роль в формировании современной аномальной геодинамики недр, так как именно в этих зонах присутствуют и активно перемещаются поро- вые флюиды и проявляются кратковременные изменения деформа- ционно-прочностньгх параметров горных пород в локальных объемах.
Анализ сейсмических процессов также показывает, что при землетрясении разрыв останавливается внутри земной коры, а не приводит к разрушению всей Земли или хотя бы крупного региона в целом. В работе Б.В. Кострова и В.Н. Фридмана (1975) делается вывод о том, что при постоянной нагрузке увеличение размера трещин приводит к уменьшению силы, движущей трещину, и развитие трещины останавливается. Все это указывает на подобие развития сейсмического разрыва в природе и трещин в образце в условиях квазистатических напряжений.
Отметим также, что вывод механики разрушения о том, что разрушение статистически неоднородных материалов при длительных (квазистатических) нагрузках происходит вследствие роста числа и размеров трещинообразных дефектов [Мячкин, Костров, Соболев, Шамина, 1975], позволил создать модель лавиннонеустойчивого трещинообразования (ЛНТ) при описании подготовки тектонического землетрясения.
Все это приводит к необходимости изучения динамики физических свойств образцов пород при постоянном одноосном сжатии в атмосферных условиях.
В данной главе будут рассмотрены результаты экспериментальных исследований процессов, сопровождающих деформирование образцов горных пород, моделирующих массивы горных пород и зоны разломов, при квазистатическом длительно действующем одноосном сжатии.

  
<< | >>
Источник: Кузьмин Ю.О., Жуков В.С.. Современная геодинамика и вариации физических свойств горных пород. — 2-е изд., стер.. 2012

Еще по теме Критерии подобия при моделировании динамики физических свойств образцов горных пород  :

  1. Кузьмин Ю.О., Жуков В.С.. Современная геодинамика и вариации физических свойств горных пород. — 2-е изд., стер., 2012
  2. § 2. ВОДОПРОНИЦАЕМОСТЬ И ДРУГИЕ СВЯЗАННЫЕ С НЕЙ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД
  3. Свойства горных породи их роль в рельефообразовании
  4.   § 1. СОСТОЯНИЕ И ВИДЫ ВОДЫ В ГОРНЫХ ПОРОДАХ
  5. Г л а в а 1 МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВОЗРАСТА ГОРНЫХ ПОРОД
  6. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПНОГО ВОЗРАСТА ГОРНЫХ ПОРОД
  7. § 1. ФОРМЫ ЗАЛЕГАНИЯ МАГМАТИЧЕСКИХ ГОРНЫХ ПОРОД
  8. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОГО ВОЗРАСТА ГОРНЫХ ПОРОД
  9. СВЕДЕНИЯ О ГОРНЫХ ПОРОДАХ (ПЕТРОГРАФИЯ)
  10. § 2. МЕТАМОРФИЗМ ГОРНЫХ ПОРОД, ЕГО ВИДЫ И СВЯЗАННЫЕ С НИМ ПОЛЕЗНЫЕ ИСКОПАЕМЫЕ
  11.   § 1. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВОЗРАСТА ГОРНЫХ ПОРОД И ИЗУЧЕНИЯ ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКОЙ ОБСТАНОВКИ МИНУВШИХ ЭПОХ
  12. ФОРМЫ ЗАЛЕГАНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД (ЭЛЕМЕНТЫ ТЕКТОНИКИ)
  13. § 3. ФОРМЫ И ЭЛЕМЕНТЫ ЗАЛЕГАНИЯ ОСАДОЧНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД
  14. ПРОЦЕССЫ ДИАГЕНЕЗА ОСАДКОВ И МЕТАМОРФИЗМА ГОРНЫХ ПОРОД
  15. 4.1. Моделирование как инструмент проектирования систем с заданными свойствами
  16. § 3. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МИНЕРАЛОВ
  17. НАРУШЕНИЕ ПРАВИЛ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЕДЕНИИ ГОРНЫХ, СТРОИТЕЛЬНЫХ ИЛИ ИНЫХ РАБОТ (ст. 216 УК РФ).
  18. Экономические категории и их динамика при империализме
  19. Критерии отбора при приеме на работу - основной фактор обеспечения прав и свобод человека и гражданина