1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Физика Земли
  4. № 3, 2023

Физика Земли, 2023, № 3, стр. 158-167

Влияние структуры на особенности разрушения горных пород: моделирование методом дискретных элементов и лабораторный эксперимент

В. Л. Гиляров 1, *, Е. Е. Дамаскинская 1, **, И. Д. Гесин 2

1 Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН
г. Санкт-Петербург, Россия

2 Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого
г. Санкт-Петербург, Россия

* E-mail: Vladimir.Hilarov@mail.ioffe.ru
** E-mail: Kat.Dama@mail.ioffe.ru

Поступила в редакцию 16.09.2022
После доработки 02.12.2022
Принята к публикации 09.12.2022

Аннотация

Предложена компьютерная модель разрушения гетерогенных материалов (в том числе, горных пород), позволяющая исследовать эволюцию дефектной структуры (трещин) в процессе деформирования. Модель основана на методе дискретных элементов (DEM – Discrete element method), который в отличие от методов, основанных на механике сплошных сред, естественным образом имитируют образование и развитие трещин. В работе была использована модель связанных частиц (bonded particle model – BPM). Материал представляется как совокупность сферических частиц (моделирующих зерна поликристалла), соединенных связями (моделирующими межзеренные границы) в местах контактов частиц. В модели BPM зарождение трещин определяется разрывом связей между частицами, а распространение - слиянием множества разорванных связей. Были проведены компьютерные эксперименты при различных параметрах материала (дисперсия зерен по механическим свойствам и размеру, различные свойства на границах зерен), с целью выявления их влияния на картину локальных напряжений, процесс образования дефектов и формирование очага разрушения. Расчеты производились в свободно распространяемом пакете программ MUSEN. Моделировались образцы цилиндрической формы, которые заполнялись сферическими частицами одного или разных размеров и упаковывались до достижения пористости 0.35–0.37. В качестве материалов, из которых состояли сферические зерна и связи между ними (межзеренные границы), использовались материалы с механическими параметрами, соответствующими различным минералам и горным породам: гранит, кварц, ортоклаз, олигоклаз, стекло. Образец помещался в виртуальный пресс, в котором нижняя плита была неподвижна, а верхняя перемещалась в направлении нижней с постоянной скоростью до тех пор, пока образец не разрушался. Расчет максимальных локальных напряжений показал, что гомогенность материала приводит к большей неоднородности локальных напряжений в пространстве, и наоборот, гетерогенность способствует большей их однородности. Сопоставление с результатами лабораторных экспериментов по деформированию горных пород показало, что предложенная модель реалистично описывает некоторые особенности разрушения в тех случаях, когда основные процессы протекают по границам зерен. К таким особенностям относятся хрупкий характер разрушения гомогенных материалов и наличие нелинейной упругости (пластичности) для более гетерогенных, выявленные при помощи диаграммы напряжение–деформация, и поведение во времени “акустической активности” – числа разорванных связей за единицу времени. Для гетерогенных материалов модель демонстрирует двухстадийный характер разрушения, когда на первой стадии происходит накопление дефектов однородно по образцу, а на второй стадии - формирование и рост очага разрушения.

Ключевые слова: компьютерное моделирование, метод дискретных элементов, горные породы, механическое нагружение, очаг разрушения, акустическая эмиссия, локальные напряжения.

Список литературы

  1. Botvina L.R. Damage evolution on different scale levels // Izv. Phys. Solid Earth, 2011. V. 47. № 10. P. 859–872.

  2. Brown N.J. Discrete Element Modelling of Cementitious Materials. Ph.D. Thesis. Edinburgh: The University of Edinburgh. 2013. 247 p.

  3. Carpinteri A., Chiodoni A., Manuello A., Sandrone R. Compositional and microchemical evidence of piezonuclear fission reactions in rock specimens subjected to compression tests // Strain. 2011. V. 47. P. 282–292.

  4. Cundall P.A. A computer model for simulating progressive largescale movements in blocky rock systems. Proceedings of the Symposium of International Society of Rock Mechanics. Nancy: France. 1971. V. 1. Paper № II-8.

  5. Damaskinskaya E.E., Hilarov V.L., Nosov Yu.G., Podurets K.M., Kaloyan A.A., Korost D.V., Panteleev I.A. Defect structure formation in quartz single crystal at the early stages of deformation // Physics of the Solid State. 2022. V. 64. № 4. P. 439–445.

  6. Damaskinskaya E.E., Panteleev I.A., Gafurova D.R., Frolov D.I. Structure of a Deformed Inhomogeneous Material on the Data of Acoustic Emission and X-Ray Computer Microtomography // Phys. Solid State. 2018. V. 60. № 7. P. 1363–1367.

  7. Damaskinskaya E.E., Panteleev I.A., Korost D.V., Damaskinskii K.A. Structure-Energy Regularities of Accumulation of Damages during Deformation of a Heterogeneous Material // Phys. Solid State. 2021. V. 63. № 1. P. 101–106.

  8. Dosta M., Skorych V. MUSEN: An open-source framework for GPU-accelerated DEM simulations // SoftwareX. 2020. 12. 100618.

  9. Hamiel Y., Katz O., Lyakhovsky V., Reches Z., Fialko Yu. Stable and unstable damage evolution in rocks with implications to fracturing of granite // Geophys. J. Int. 2006. V. 167. P. 1005–1016.

  10. Hertz H. Über die Berührung fester elastischer Körper // Journal die reine und angewandte Mathematik. 1882. V. 92. P. 156–171.

  11. Krajcinovic D. Damage mechanics // Mech Mater. 1989. V. 8. P. 117–97.

  12. Kuksenko V., Tomilin N., Damaskinskaya E., and Lockner D. A two-stage model of fracture of rocks // Pure Appl. Geophys. 1996. V. 146. № 2. P. 253–263.

  13. Lei X. Evolution of b-Value and Fractal Dimension of Acoustic Emission Events During Shear Rupture of an Immature Fault in Granite // Applied Sciences. 2019. V. 9. № 12. P. 2498.

  14. Lisjak A., Grasselli G. A review of discrete modeling techniques for fracturing processes in discontinuous rock masses // J. Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2014. V. 6. № 4. P. 301–314.

  15. Lockner D.A., Byerlee J.D., Kuksenko V., Ponomarev A., Sidorin A. Quasi-static fault growth and shear fracture energy in granite // Nature. 1991. V. 350. P. 39–42.

  16. Naimark O.B. Collective Properties of Defects Ensemble and Some Nonlinear Problems of Plasticity and Failure // Phys. Mesomech. J. 2003. V. 4. № 4. P. 45–72

  17. Panteleev I.A., Plekhov O.A., Naimark O.B. Nonlinear dynamics of the blow-up structures in the ensembles of defects as a mechanism of formation of earthquake sources // Izv. Phys. Solid Earth. 2012. V. 48. P. 504–515.

  18. Petružálek M., Vilhelm J., Rudajev V., Lokajíček T., Svitek T. Determination of the anisotropy of elastic waves monitored by a sparse sensor network // Int. J. Rock Mech. Min. Sci. 2013. V. 60. P. 208–216.

  19. Ponomarev A.V., Zavyalov A.D., Smirnov V.B., Lockner D.A. Physical modeling of the formation and evolution of seismically active fault zones // Tectonophysics. 1997. V. 277. P. 57–81.

  20. Potyondy D.O., Cundall P.A. A bonded-particle model for rock // Int. J. Rock Mech. Min. Sci. 2004. V. 41. P. 1329–1364.

  21. Rapaport D.C. The Art of Molecular Dynamics Simulation. Cambridge University Press: Cambridge. 1995. 549 p.

  22. Smirnov V.B., Ponomarev A.V., Benard P., Patonin A.V. Regularities in transient modes in the seismic process according to the laboratory and natural modeling // Izv. Phys. Solid Earth. 2010. V. 46. P. 104–135.

  23. Tal Y., Goebel T., Avouac J.-P. Experimental and modeling study of the effect of fault roughness on dynamic frictional sliding // Earth and Planetary Science Letters. 2020. V. 536. P. 116133.

  24. Tsuji Y., Tanaka T., Ishida T. Lagrangian numerical simulation of plug flow of cohesionless particles in horizontal pipe // Powder Technology. 1992. 71. P. 239–250.

  25. Xinglin L., Shengli M. Laboratory acoustic emission study for earthquake generation Process // Earthq Sci. 2014. V. 27. 6. P 627–646.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Физика Земли

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал