ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Зависимость сейсмических свойств горных пород от действующих напряжений из "Применение сейсмоакустических методов в гидрогеологии и инженерной геологии " Из многочисленных теоретических и экспериментальных работ [33, 41 и др.] известно, что сейсмические свойства горных пород (как скорости Гр и Гз, так и коэффициенты поглощения ар и а ) заметно зависят от напряженного состояния породы. Однако связь показателей ар и а с напряжением изучена слабо, поэтому в настоящей работе рассмотрена связь с напряжением только скоростей Ур и что к тому же представляет наибольший интерес для практики. [c.31] Для идеально упругой среды наличие зависимости Гр и от приложенной нагрузки свидетельствует о том, что связь между деформациями и напряжением нелинейная, в противном случае (т. е. при соблюдении закона Гука) модуль продольной упругости (Юнга) Е представлял бы собой постоянную величину и, соответственно, скорости упругих волн не зависели бы от давления. [c.31] Таким образом, для упругой среды задача о зависимости сейсмических свойств горных пород от напряжений в общем виде должна решаться в рамках нелинейной теории упругости. Но существующие в ней решения динамических задач пока еще несовершенны. Кроме того, использование полученных теоретических результатов на практике затрудняется необходимостью знания дополнительных констант упругости высших порядков, которые для горных пород пока еще не изучены. [c.32] Для несовершенно упругой среды, в которой под действием внешней статической нагрузки возможны значительные остаточные деформации, а при распространении упругих волн (т. е. при малых упругих деформациях) эта среда ведет себя как упругая, задача еще более усложняется. В этом случае в результате больших остаточных деформаций в среде происходят необратимые структурные изменения, и фактически на каждой ступени нагрузки имеют дело с новой средой, в которой, как в упругом теле, распространяются упругие волны. [c.32] Учитывая, что пока не имеется общего теоретического решения задачи, для установления зависимости сейсмических свойств пород от напряжений целесообразно использовать подход, заключающийся в построении механических моделей пород того или иного типа с последующим теоретическим описанием их поведения под давлением. Исходя из различия в механизме деформации среды при нагружении, целесообразно рассмотреть раздельно скальные, талые обломочно-песчаные, талые глинистые породы, а также мерзлые песчано-глинистые породы. Изложение будем начинать с теоретических решений, а затем будем анализировать экспериментальные зависимости на образцах и в массиве пород. Последние различаются по двум основным причинам. Во-первых, образец отличается от массива по размерам (масштабный фактор) и по состоянию (трещиноватость, влажность, сохранность и т. д.). Во-вторых, порода в горном массиве находится в сложном объемном напряженном состоянии, а на образце воспроизводятся лишь простые схемы нагружения (чаще всего одно- или трехосное). Очень важно также направление распространения упругих волн по отношению к направлению действия нагрузки. Обычно изучают зависимость изменения Гр и вдоль и вкрест прикладываемой нагрузки. [c.32] Наконец, последнее общее замечание касается максимальных напряжений, представляющих интерес для инженерной геологии и гидрогеологии. [c.32] Исходя из максимальных глубин (до 1000 м) или реальных техногенных нагрузок, они составляют около 50 МПа. [c.32] Для скальных пород наиболее эффективно теоретическое решение, развитое в работах [21, 33], которое базируется на следующей физической модели среды. [c.32] Скальная порода рассматривается как кусочно-неоднородная среда, которая состоит из податливых протяженных элементов (трещин) и сла-бодеформируемых блоков (монолитные части породы). Общую деформацию такой среды можно аналитически определить как сумму деформаций указанных элементов, а скорости в среде подсчитать по соотношениям типа уравнения среднего времени . [c.33] Используя полученные зависимости 5о =/(гро/1 Ртах) и х = = 1 Ро1 Ртах), ПО формуЛС (4) ВЫЧИСЛЯЮТ ЗНачеНИЯ Гра для любых заданных значений Уро и а и по этим данным строят графики 1 Рст/ ро = /( , ро) для данного типа породы. [c.34] Полученные теоретические связи хорошо обобщают имеющиеся многочисленные экспериментальные зависимости (рис. 9) и могут использоваться как для оценочных определений скоростного разреза в сейсморазведке, так и для количественного определения естественных напряжений сейсмоакустическими методами (см. 37). [c.34] Рассмотренное выше теоретическое решение показывает, что характер зависимости скорости от нагрузки в большой степени зависит от Гро-скорости в породе до приложения нагрузки. Чем меньше Гро, т.е. чем больше начальная трещиноватость породы, тем интенсивнее идет рост скорости с нагрузкой, и наоборот. Эта закономерность полнос тью подтверждается экспериментальными зависимостями, полученными как в натурных, так и в лабораторных условиях (см. рис. 9). [c.35] Параметр Гро оказывает решающее влияние на соотношение зависимостей, полученных на образцах и в массиве (при близких схемах нагружения). Отсюда возможно построение связи типа о бр/о = /(уро) (рис. 10), используя которую можно перейти от результатов, полученных на образцах пород, к прогнозу напряжений в массиве. [c.35] Гораздо меньш[е экспериментальных данных о поведении Гр и под воздействием растягивающих сил. Как следует из немногочисленных работ (например, [6]), с ростом этих сил Гр и уменьшаются, причем вначале медленно, а затем все быстрее (рис. 11). В целом по воздействию на скорости Ур и рост растягивающих напряжений эквивалентен уменьшению сжимающих и наоборот [6]. [c.35] Экспериментальные зависимости, полученные в лабораторных условиях (измерение скоростей волн в образцах пород при увеличивающемся давлении) и в полевых условиях (определение характера изменения и 1 5 с глубиной), свидетельствуют о качественном совпадении теоретических и экспериментальных данных. Однако в количественном отношении между ними наблюдаются расхождения. [c.39] Коптевым (1963 г.) установлено, что в образцах сухого песка скорости продольных и поперечных волн увеличиваются с ростом давления р примерно пропорционально р , т. е. несколько быстрее, чем это предсказывается теорией. Еще быстрее возрастают скорости волн при измерениях в естественных условиях в неводонасыщенной толще песков (Туркменская ССР), по данным А. Л. Левшина и Н. Н. Горяинова (1962 г.), они увеличивались с глубиной примерно пропорционально В галечниковых упорных призмах Нурекской плотины-пропорционально [27]. [c.39] Количественные расхождения между теоретическими и экспериментальными зависимостями можно объяснить тем, что рост давления в образцах одновременно приводит к уменьшению их пористости. В естественных же условиях с глубиной обычно не только уменьшается пористость, но и увеличивается прочность структурных связей. Эти факторы и приводят к более быстрому возрастанию скоростей волн. Если же в лабораторных опытах исключить влияние уплотнения пород при нагружении, то только за счет роста давления скорости волн, как и предсказывает теория, увеличиваются примерно пропорционально [10]. [c.39] Экспериментальными данными подтверждается весьма незначительный рост с глубиной скорости продольных волн в зоне полного водонасыщения. Косвенно это выражается в том, что продольная преломленная волна, связанная с границей полного водонасыщения, как правило, кинематически очень близка к головной, т. е. испытывает очень небольшую рефракцию. [c.39] Таким образом, можно считать, что, несмотря на значительную идеализацию свойств реальных зернистых сред, шаровые упаковки достаточно хорошо отражают их основные особенности передачу напряжений через контакты, уменьшение числа приходящихся на одну частицу контактов с увеличением пористости, а также повышение жесткости контактов с ростом напряжений. [c.39] Грунты, содержащие малое количество льда при небольших отрицательных температурах, с тем или иным приближением можно описать теоретическими моделями, соответствующими таким же грунтам в талом состоянии. Льдистые грунты при низких отрицательных температурах, по-видимому, должны быть подобны скальным породам. Однако как в том, так и в другом случае наверняка будут проявляться различия в силу специфики свойств льдосодержащих пород. [c.41] Вернуться к основной статье