Кочарян Г.Г. Деформационные процессы в массивах горных пород
Подождите немного. Документ загружается.
271
на поверхность океана. Известно, что наиболее интенсивные
колебания в океане имеют период 10-18с. При переходе энергии от
океанических волн в сейсмику частоты приблизительно
удваиваются, так что в среднем штормовые микросейсмы
наблюдаются в полосе периодов 5-9с. Как отмечалось выше,
микросейсмы этого типа представляют собой, в основном,
суперпозицию поверхностных типов волн, хотя недавние
исследования продемонстрировали заметный вклад и объемных
составляющих.
Штормовые микросейсмы являются основным источником помех
при проведении сейсмических наблюдений.
Высокочастотные сейсмические шумы.
Высокочастотные сейсмические шумы в диапазоне от единиц до
десятков Гц, регистрируемые в пунктах наблюдения, находящихся
вблизи районов деятельности человека, связывают с работой
промышленных предприятий и транспорта. К другим причинам
возникновения микросейсм в этом частотном диапазоне относят
эффекты воздействия ветра на поверхность Земли, сооружения,
растительность и возбуждение колебаний потоками текущей и
падающей
воды.
И техногенные и природные колебания часто проявляются в
виде выраженных пиков в спектре. При этом эти два вида
микросейсм довольно четко различаются. Во-первых, техногенные
пики имеют очень высокую стабильность во времени. Вариация их
частоты не превышает, обычно, 0.05Гц. Вторым признаком является
различный характер движения грунта при фильтрации
сейсмограммы
в узком частотном диапазоне. Дело в том, что для
стационарных техногенных источников характер движения частиц
грунта имеет вид близкий к линейному, причем выделенное
направление движения определяется расположением источника
(рис.6.10а). В случае же фонового шума, суперпозиция колебаний от
множества источников приводит хаотическому характеру движения.
272
EW
NS
Рис.6.10 Примеры эпюр движения частиц в техногенных (а) и
природных (б) микросейсмах
Некоторые характерные частоты техногенного
высокочастотного шума приведены в таблице 6.2.
Таблица 6.2. Характерные частоты колебаний от некоторых
техногенных источников.
Источник Обороты/мин Гц
Генераторы гидроэлектростанций 100
600
1.67
10.00
Синхронные компенсаторы 750 12.50
Гармоники частоты 50Гц 12.50
Синхронные компенсаторы 1000 16.67
Турбогенераторы атомных
электростанций
1500 25.00
Гармоники частоты 50Гц 25.00
Турбогенераторы тепловых
электростанций
3000 50.00
Кроме шумов от местных источников и метеовоздействий в
указанном диапазоне частот, существуют региональные шумы,
связанные с локальными деформационными процессами такими, как
микро- и макро – разрушения либо подвижка структурных блоков.
Эти колебания, в отличие от фоновых, зачастую имеют импульсный
характер, т.е. имеют более или менее выраженное вступление.
Поэтому для импульсных
колебаний могут быть определены
координаты источника. У этих импульсов обнаруживаются
273
характерные частоты и амплитуды, зависящие от иерархического
уровня, на котором локализуется деформационный процесс.
Рис.6.11 Пример расположения гипоцентров микросейсмических
событий в окрестности трещины гидроразрыва
Так по данным А.А.Спивака импульсы с частотой 4-6Гц
соответствуют микроповоротам блоков с характерными размерами
7-10м.
Измерения параметров высокочастотного микросейсмического
фона в настоящее время активно используются при проведении, так
называемого, пассивного сейсмического мониторинга
месторождений углеводородов. Изменение напряженно-
деформированного состояния
массива в результате извлечения
нефти или газа, закачки флюида, проведения технологических
274
операций сопровождается образованием микротрещин и
подвижками по существующим разломам и трещинам, что, в свою
очередь приводит к генерации слабых сейсмических событий.
Регистрация импульсных микросейсмических событий позволяет
извлечь богатую информацию о деформационных процессах,
протекающих в пласте, напряженно-деформированном состоянии,
параметрах естественной трещиноватости и т.д. Поскольку
микросейсмическое событие является, по сути дела
,
микроземлетрясением, то обычно при анализе результатов
наблюдений используются подходы подобные методам
"большой"сейсмологии (см. раздел 6). Как и при анализе
сейсмограмм землетрясений, по результатам измерений
определяется механизм трещинообразования в очаге, оценивается
направление скольжения по трещине, рассчитываются характерные
размеры трещины и скачок напряжений. Расположение очагов
микросейсмических событий часто оконтуривает местоположение
макроразрыва, например
трещины гидроразрыва.
6.3. Накопление малых возмущений на
границах между блоками земной коры
Развитие нелинейных моделей деформирования блочной
среды привело многих исследователей к предположению о
возможности накопления в горном массиве и инженерных
сооружениях малых деформаций. Наиболее очевидным индикатором
влияния низкоамплитудных воздействий на режим деформирования
коры является, так называемая, триггерная сейсмичность, т.е.
кратковременное изменение сейсмического режима, связанное с
прохождением сейсмических волн от удаленного события
.
Эффект накопления малых деформаций хорошо известен в
технике как усталостное разрушение. Для большинства материалов
считается, что процесс постепенного накопления повреждений
происходит лишь в том случае, когда уровень переменных
напряжений превышает некоторый предел
σ
r
, называемый пределом
выносливости и составляющий, обычно, величину порядка десятков
процентов от предела прочности при статическом нагружении.
275
Следует отметить, что исследования последних лет, проведенные
для, так называемой гига- и терра- цикловой усталости,
продемонстрировали заметное снижение предела выносливости с
увеличением числа циклов, а для некоторых материалов подобный
предел вовсе не был установлен.
Дискретность геофизической среды создает условия для иного
сценария развития усталостной деформации, по сравнению с
картиной, привычной для
физики материалов.
Проведенные в последние 10-15 лет исследования деформационных
свойств трещин и разломов позволили установить, что этих
объектов характерна нелинейность зависимости напряжение-
перемещение во всем обследованном диапазоне деформаций.
Типичная зависимость напряжение - межблоковое перемещение для
нарушения сплошности в скальных породах схематично показана на
рис.6.12. Сдвиговая жесткость разломов и трещин (напомним, что в
соответствии с (2.27)
dudk
s
/
τ
=
) существенно снижается по мере
приближения уровня нагрузки к пределу прочности
τ
p
нарушения
сплошности. При этом, жесткость контакта при разгрузке (ветвь
разгрузки показана пунктиром на рис.6.12) не зависит от уровня
достигнутой деформации и соответствует величине сдвиговой
жесткости при
0→
τ
.
276
00.20.40.60.811.2
u/u
p
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
τ/τ
p
Рис.6.12 Типичная зависимость напряжение-межблоковое перемещение
для нарушения сплошности в скальных породах. Предел прочности
контакта τ
p
достигается при величине межблокового перемещения u
p
Нелинейность зависимости
)(u
τ
и различие в жесткостях
ветвей нагрузки и разгрузки определяет возможность накопления
деформаций при низкоамплитудных воздействиях на контакт.
Зададим зависимость жесткости нагружения от межблокового
перемещения в виде аналитической функции:
α
)1(
0
p
ss
u
u
kk −⋅=
, u < u
p
(6.14)
тогда восходящая ветвь кривой деформирования описывается
соотношением:
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−−
+
⋅
=−⋅=
=−=
+
∫
∫
1
0
/
0
0
0
0
)1(1
1
)1(
)1(
αα
α
α
τ
p
ps
uu
ps
u
p
s
u
u
uk
dxxuk
du
u
u
k
p
(6.15)
277
время
τ
0
a
b
c
d
а
u
τ
o
a
b
c
б
u
τ
τ
ст
o
a
b
c
d
в
Рис.6.13 Результаты расчета нагружения контакта знакопеременным
динамическим возмущением: а – изменение напряжения в динамическом
импульсе; б – результаты расчета при отсутствии статической нагрузки; в –
результаты расчета в условиях приложенного статического напряжения τ
ст
;
пунктир на (в) – зависимость (6.15)
На рис.6.13б, в приведены результаты расчета относительного
перемещения блоков при воздействии динамическим импульсом в
виде отрезка синусоидальной волны с амплитудой τ
0
(рис.6.13а). В
первом случае контакт не нагружен статическим усилием (рис.б).
Тогда на участке
oa динамические усилия возрастают и контакт
деформируется с жесткостью, определяемой соотношением (6.14).
На участке
ab приложенные усилия снижаются. При этом разгрузка
контакта происходит с постоянной жесткостью
k
s0
. На участке bc
прикладывается отрицательное сдвиговое усилие, а перемещение
происходит в противоположную сторону с жесткостью (6.14).
Наконец, на участке
cd вновь происходит разгрузка с постоянной
жесткостью. В этом случае зависимость τ(
u) получается замкнутой
или, другими словами, не происходит накопления остаточных
перемещений после прохождения динамического импульса.
Иная картина наблюдается в том случае, когда контакт
нагружен статически (рис.6.13в). После участка нагрузки
oa с
жесткостью (6.14) и разгрузки
ab с постоянной жесткостью k
s0
при
нагрузке контакта отрицательным динамическим усилием меньшим
τ
ст
, фактически продолжается процесс разгрузки (участок bc) ,
который вновь идет с постоянной жесткостью
k
s0
, а на участке cd
278
происходит нагрузка контакта в соответствии с зависимостью
(6.14). Это приводит к образованию незамкнутой гистерезисной
петли, т.е. к возникновению остаточного межблокового
перемещения. Таким образом, в результате многократного
динамического воздействия точка, соответствующая напряженно-
деформированному состоянию контакта в текущий момент времени,
может перемещаться вдоль оси абсцисс (рис.6.14), что означает
накопление необратимых деформаций.
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
u/u
p
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
τ/τ
p
Рис.6.14 Результаты расчета циклического нагружения контакта
динамическим импульсом
Высокоточные наблюдения за режимом деформирования
нарушений сплошности естественного (участки разломных зон) и
техногенного (трещины в стенах инженерных сооружений)
происхождения продемонстрировали, что воздействие
низкоамплитудных динамических колебаний вносит существенный
вклад в процесс деформирования.
279
May 28, 15:10
May 28, 23:10
May 29, 7:10
May 29, 15:10
May 29, 23:10
May 30, 7:10
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
Смещение, м
к
м
2
1
Рис.6.15 Результаты измерений сбросовой компоненты относительного
смещения берегов трещины между секциями 50 и 51 бетонной плотины
Братской ГЭС 28-30 мая 2008 г. 1 – начальная запись, 2 – термальные
деформации и низкочастотный тренд удалены
На рис.6.15 приведены результаты измерений относительного
смещения берегов трещины в бетонной плотине Братской ГЭС.
Полная деформация трещины состоит из низкочастотного тренда,
температурной деформации и деформаций, вызванных внешними
факторами (вариации уровня воды, транспортные и другие
техногенные нагрузки). Удаление низкочастотного тренда и
температурных деформаций позволяет обнаружить выраженный
ступенчатый характер зависимости деформации от
времени. При
этом большинство ступенек амплитудой 0.2-0.4мкм соответствуют
моментам прохождения поездов по гребню плотины ГЭС.
Амплитуда вибраций, вызванных прохождением поезда, составляла
величину около 1мм/с. Хотя амплитуда отдельных ступенек
невелика, можно видеть, что кумулятивная величина деформаций,
связанных с низкоамплитудными динамическими воздействиями,
достигает половины полного смещения берегов. При этом знак
280
остаточных перемещений совпадает со знаком низкочастотного
тренда.
0.1 1 10 100 1000
Скорость смещения, мм/с
0.1
1
10
100
1000
Остаточные перемещения, м
к
м
1
2
3
4
5
6
7
Рис.6.16. Зависимость зарегистрированных остаточных перемещений
от амплитуды динамического воздействия. Горизонтальные и
вертикальные линии показывают разброс экспериментальных данных.
Цифры около значков - различные объекты, на которых проводились
измерения
Амплитуды остаточных перемещений берегов нарушений
сплошности
ΔW, зарегистрированные на нескольких объектах при
однократном динамическом воздействии с максимальной
амплитудой скорости смещения
u
m
, приведены на рис.6.16. Линией
на рисунке показана регрессионная зависимость:
06.1
2.3
m
uW ⋅=Δ , (6.16)
построенная методом наименьших квадратов.
Можно видеть, что сейсмические колебания с амплитудой
различающейся на 1-2 порядка инициируют близкие остаточные
эффекты, что объясняется различным уровнем статических