Геофизические исследования

ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2018, том 19, № 3, с.57-72. https://doi.org/10.21455/gr2018.3-4

УДК 539.3, 539.4.01

Аннотация  Литература  Полный текст  Полный текст (англ.)

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД ПО ДАННЫМ ТРЕХОСНЫХ ИСПЫТАНИЙ

© 2018 г. И.А. Гарагаш⁽¹⁾, Н.В. Дубиня⁽¹⁾, О.А. Русина^(1,2), С.А. Тихоцкий⁽¹⁾, И.В. Фокин⁽¹⁾

⁽¹⁾ Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва, Россия

⁽²⁾ Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, г. Москва, Россия

Работа посвящена применению закона неассоциированного пластического течения для описания деформационных процессов, протекающих в подверженных внешним нагрузкам горных породах. Сформулированы определяющие соотношения, характеризующие деформацию горной породы, находящуюся за пределом упругости. Использована концепция изменяющегося угла внутреннего трения породы как функции накопленной пластической деформации. В рамках сформулированной модели описаны кривые “напряжение–деформа­ция”, полученные в результате трехосных тестов, проведенных на образцах трещиноватых горных пород. Показано, что использование закона неассоциированного пластического течения позволяет более точно описывать экспериментальные кривые по сравнению со стандартными методиками обработки аналогичных экспериментальных данных, например, при  использовании критерия Кулона–Мора. На численном примере продемонстрировано образование полос локализации пластической деформации, наблюдаемое и в реальных геологических условиях. Предложен механизм, согласно которому необратимая деформация накапливается в горной породе при ее деформировании в пластической области за счёт образования новых трещин, а также  активизации и развития трещин, существовавших в породе до начала деформационного процесса. Показана тенденция развития трещиноватости: в условиях трехосного нагружения цилиндрического образца горной породы активизируются трещины, нормали к которым составляют с осью образца определенный угол. Модель изменяющегося угла внутреннего трения позволяет качественно и количественно описать, какие именно трещины могут развиваться в образце в каждый момент деформационного процесса.

Сформулированная и проверенная на экспериментальных данных модель деформирования трещиноватых горных пород под воздействием внешних напряжений может быть использована для более корректного описания реологии породы при решении задач геомеханики.

Ключевые слова: геомеханическое моделирование, прочностные свойства горных пород, неассоциированный закон пластического течения, переменный угол внутреннего трения.

Литература

Гарагаш И.А. Условия формирования регулярных систем полос сдвига и компакции // Геология и геофизика. 2006. Т. 47, № 5. С.657–668.

Гарагаш И.А., Николаевский В.Н. Неассоциированные законы течения и локализация пластической деформации // Успехи механики. 1989. Т. 12, № 1. С.131–183.

Николаевский В.Н. Определяющие уравнения пластического деформирования сыпучих сред // Прикладная математика и механика. 1971. Т. 35, № 6. С.1070–1082.

Райс Дж.Р. Локализация пластических деформаций // Теоретическая и прикладная механика. М.: Мир, 1979. С.439–471.

Тихоцкий С.А., Фокин И.В., Баюк И.О., Белобородов Д.Е., Березина И.А., Гафурова Д.Р., Дубиня Н.В., Краснова М.А., Корост Д.В., Макарова А.А., Патонин А.В., Пономарев А.В., Хамидуллин Р.А., Цельмович В.А. Комплексные лабораторные исследования керна в ЦПГИ ИФЗ РАН // Наука и технологические разработки. 2017. Т. 96, № 2. С.17–32.

Desrues J., Viggiani G. Strain localization in sand: an overview of the experimental results obtained in Grenoble using stereophotogrammetry // Int. J. Numer. Anal. Meth. Geomech. 2004. V. 28. P.279–321.

Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Dimensions, Ver. 3.1. User’s Manual. Itasca Consulting Group. Inc. Minneapolis: Itasca, 2006.

Garagash I.A., Dubovskaya A.V., Bayuk I.O., Tikhotskiy S.A., Glubokovskikh S., Korneva D.A., Berezina I.A. 3D geomechanical modeling of oil field on the basis of a model of the mechanical properties for the task of wells construction // Proceedings of the SPE Russian Oil & Gas Exploration and production. Moscow, 2015. 11 p.

Garagash I.A., Nikolaevski V.N., Dudley J.W. FLAC simulation of triaxial and compaction tests an unconsolidated reservoir sand. FLAC and Numerical Modeling in Geomechanics // Proceedings of the International Symposium. Balkema, 1999. P.505–510.

Kim M.M., Ko H.Y. Multistage triaxial testing of Rocks // Geotechnical Testing. 1979. V. 2, N 2. P.98–105.

Rudnicki J.W., Rice J.R. Conditions for localization of deformation in pressure-sensitive dilatant materials // J. Mech. Phys. Solids. 1975. V. 23, N 6. P.371–390.

Vermeer P.A., de Borst R. Non-associated plasticity for soils, concrete and rock // Heron. 1984. V. 29, N 3. P.1–64.