www.geomehanika.org



Особенности деформирования "толстого" слоя в двухслойной модели



Главная О сайте В гости к Инсену Турмалин Обратная связь Карта сайта


А. Н. РОМАШОВ, С. С. ЦЫГАНКОВ

ОСОБЕННОСТИ ДЕФОРМИРОВАНИЯ
«ТОЛСТОГО» СЛОЯ
В ДВУХСЛОЙНОЙ МОДЕЛИ



Рис. 4. Последовательные картины деформирования слоев песка при его высыпании через щель.

В зависимости от степени однородности толстого слоя и скорости деформирования могут быть разные варианты его поведения при разрушении целиков. При наличии разномасштабных неоднородностей и медленном деформировании зарождение и развитие зон разуплотнения будет происходить сравнительно разновременно. И дозревать до критического состояния они также будут в разное время. Поэтому разрушение верхнего слоя в этом случае будет происходить локально в виде отдельных очагов и затем сравнительно медленно распространяться от него как по толщине слоя, так и вдоль его основания в направлении новых очагов, отставших в своем развитии от первого разрушившегося очага. В естественных условиях Земли, по всей вероятности, в большинстве случаев реализуется именно этот вариант относительно медленного последовательного разрушения очагов концентрации напряжений.

При деформировании сравнительно однородного слоя, причем с большими скоростями деформирования, становится более вероятным примерно одновременное развитие очагов разуплотнения и сравнительно равномерное увеличение напряженного состояния во всем пограничном слое. В данном случае достижение критического напряженного состояния в нем может сопровождаться взрывоподобным его разрушением. Второй случай с наибольшей вероятностью может реализоваться в зонах с большими скоростями деформирования, в частности при техногенном воздействии человека на подземные пласты горных пород.

И в том и другом случае разрушение арок над зонами разуплотнения означает нарушение одного равновесного состояния и переход к новому равновесию путем формирования более крупных зон с аномальными свойствами. Качественно эту смену равновесных состояний можно наблюдать при высыпании сухого песка из ящика через узкую щель в его основании. На рис. 4 приведены последовательные картины деформирования слоев песка при таком высыпании. Видно, что первоначально образуется арка, захватывающая только самые нижние слои. Затем она растет, оставаясь некоторое время внутри толстого слоя. Характерно, что переход от одного состояния к другому осуществляется дискретно, путем последовательного разрушения бортов старых арок и формирования новых. Через некоторое время, как видно из рис. 4, зона разрушения выходит на свободную поверхность. В целом разрушение одной арки и замена ее другой означает перемещение зоны критических напряжений с нижних горизонтов в верхние. По-видимому, аналогичные процессы, но при других граничных условиях, изучались в [4].

2. На основании описанной модели деформирования толстого слоя можно, видимо, объяснить некоторые геофизические явления. Так, если представить сферическую двухслойную модель, в которой роль нижнего слоя выполняет внутренний объем, способный к расширению, то в этом случае становится неизбежным расслоение всей оболочки Земли. В частности, так называемые астеносферные слои скорее всего представляют нижние горизонты сферических оболочек, которые подвергаются растяжению. Образование в них зон разуплотнения означает как раз возможность снижения в этих слоях скоростей распространения упругих волн. За счет снижения в локальных зонах давления в них может также происходить и плавление вещества.

Выше астеносферных слоев, насыщенных зонами разуплотнения, разрушение некоторое время может развиваться сравнительно равномерпо. Но в целом такое развитие идет через прорастание вверх отдельных зон разуплотнения, размеры которых должны увеличиваться вплоть до их выхода на свободную поверхность и образования там блоков. Не исключено, что наблюдаемая в верхней мантии горизонтальная неоднородность вещества обусловлена как раз наличием там отдельных крупномасштабных зон, поднявшихся от уровня соответствующих астеносферных слоев.

Модель толстого слоя позволяет также понять некоторые закономерности сейсмичности Земли. Очаг отдельного землетрясения может представлять зону разуплотнения, которая возникает на определенной границе толстого слоя. При этом следует подчеркнуть, что эта граница совсем не обязательно должна быть горизонтальной. Двухслойная модель может реализоваться и в случае смещения одного блока вдоль другого. Если другой блок находится на достаточно большой глубине, то он может быть подобен толстому слою и в нем будут развиваться соответствующие локальные деформации. При этом положение границы между блоками не будет иметь принципиального значения. В любом случае в зонах разуплотнения будет происходить снижение напряжений, а в промежутках между ними — их возрастание. И если граница между блоками имеет субвертикальное положение, то «целики» будут ориентированы в субгоризонтальном направленйи. Такую же ориентацию в этом случае будут иметь и повышенные напряжения.

Вполне возможно, что наблюдаемые в горных массивах вертикальные и горизонтальные избыточные напряжения связаны как раз с приуроченностью мест измерений к промежуткам между зонами разуплотнения. При этом в процессе измерения избыточных напряжений можно попадать и в сами эти разуплотненные зоны, получая не только повышенные, но даже пониженные напряжения. С этим, кстати, может быть отчасти связан разброс в значениях избыточных напряжений, который обычно наблюдается даже вдоль одной и той же измерительной скважины. Модель отчетливо проясняет взаимоотношение между основными толчками при землетрясениях и афтершоковой активностью. Основной толчок — это разрушение некоторой «первой» наиболее напряженной арки на границе толстых слоев, в то время как афтершоковая активность может быть объяснена распространением процесса разрушения от этого первого очага. В зависимости от общего напряженного состояния данного региона и физико-механических свойств взаимодействующих слоев продолжение разрушения после первого толчка может распространяться как в направлении, перпендикулярном простиранию слоев, так и вдоль их границы в виде своеобразных волн активизации сейсмичности.

Предложенная модель позволяет глубже понять и некоторые процессы деформирования горных пород, в которых принимает участие человек. Так, например, становятся понятными известные опыты Бриджмена и Ярославского, в которых наблюдались взрывы образцов под большим давлением, когда производился поворот наковален [8]. Как говорилось выше, такие образцы, в которых внешнее давление существенно превышает естественную прочность вещества, можно считать аналогами толстого слоя. При повороте наковальни пресса на границе образна возникают, очевидно, неоднородности деформации, которые иод действием высокого давления превращаются в зоны относительного разуплотнения или уплотнения. Благодаря высокой скорости деформирования в экспериментах (по сравнению со скоростями релаксации в горных породах или скоростями геологических процессов) эти зоны, по-видимому, развиваются почти синхронно и разрушаются лавинообразно, что и приводит к взрыву образца.

Вторым примером искусственного, сравнительно высокоскоростного деформирования может быть проходка горных выработок. Если такая выработка идет через напряженную пограничную область толстого слоя, то она может стать причиной разрушения уже имеющихся напряженных зон. Горные удары, по всей вероятности, представляют как раз такие акты разрушения. Кстати, модель позволяет дать самую общую рекомендацию по борьбе с горными ударами. Поскольку причина опасности состоит в наличии чередующихся зон повышенных и пониженных напряжений, то устранить ее можно путем выравнивания этих аномалии противоположного знака. Для этого, по-видимому, целесообразно разгрузочное бурение производить в направлении, перпендикулярном границам между этими зонами, т. е. в целом в направлении, параллельном активной границе данного блока в горном массиве.

Пограничная область вблизи границы толстого слоя (блока), через которую в него передается энергия деформирования, является аномальной не только с точки зрения ее напряженного состояния, но и в смысле ее проницаемости: ослабленпые зоны становятся более проницаемыми, а «целики» между ними — менее проницаемыми по сравнепию с исходным состоянием массива. Благодаря этому за счет физико-химических процессов становится возможным обмен отдельными компонентами вещества как между этими зонами, так и между всей аномальной пограничной областью в целом с прилегающими к ней областями обоих взаимодействующих слоев (блоков). В закономерностях метаморфизма горных пород можно, по-видимому, проследить некоторые особенности деформирования толстых слоев.

Наконец, предлагаемая модель может прояснить некоторые вопросы образования складчатости, не прибегая к традиционному ее объяснению горизонтальным сжатием. Возможность деформации слоев в направлении, перпендикулярном их простиранию, прямо вытекает из модели растяжения толстого слоя. Неоднородности деформаций, возникающие при горизонтальном растяжении, в условиях больших давлений и малых скоростей деформирования неизбежно становятся причиной вертикального (поперечного к растяжению) перемещения вещества, которое и формирует складчатые структуры. И в зависимости от масштабов горизонтальных неоднородностей, возникающих при растяжении, должны формироваться и соответствующие поперечные складки.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ромашов А. Н., Кондратьев В. П., Кулюкнн А. М., Цыганков С. С. Моделирование структур разрушения в верхних слоях Земли Ц Вестн. МГУ. Сер. 5. География.— 1985,—№ 4.

2. Ромашов А. И., Евменов В. Ф., Кондратьев В. Н. и др. Влияние силы тяжести на характер разрушения верхнего слоя двухслойной модели Ц ФТПРПИ,— 1986.—¦ № 1.

3. Ревуженко А. Ф., Стажевский С. В.. Шемякин Е. И. О механизме деформирован»- материала при больших сдвигах Ц ФТПРПИ.— 1974.— № 3.

4. Ревуженко А. Ф., Стажевский С. В., Шемякин Е. И. О несимметрли пластического течения в сходящемся осесимметрическом канале Ц ФТПРПИ.— 1977.— № 3.

5. Садовский М. А., Денщиков В. А., Кондратьев В. II. и др. О модели верхних слое; земной коры Ц Изв. АН СССР. Физика Земли.— 1982,— № 9.

6. Ромашов А. Н., Ёвменов В. Ф., Кондратьев В. Н. и др. Развитие разрывного раз¬рушения в сыпучей среде Ц Изв. АН СССР. Физика Земли.— 1986.— № 3.

7. Терцаги К. Теория механики грунтов,— М.: Госстройиздат, 1961.

8. Бриджмен П. Исследования больших пластических деформаций и разрыва,— М.; Мир, 1955.



HTML C уважением, для читателей сайта   WWW.GEOMEHANIKA.ORG

подняться на верх






60-69
70-79
80-89
90-99
2000

««Арал» сегодня. 
«Арал-Каспий» завтра?»

«В защиту Китая,
России и США»

«Катастрофа
Караганды»

Проблемы
геомеханики. § 1.
Проблемы
геомеханики. § 2.
Проблемы
геомеханики. § 3.
Проблемы
геомеханики. § 4.


Метод
Õ.S.ВАВО
в геомеханике
и его применение
на практике

§1. Физика прочности горных пород на сжатие

§2. Состояние горных пород массива

§3. Виды трещин в массиве

§4. Методы определения величин коэффициентов, ослабляющих прочность горных пород трещинами

§5. Зависимость напряженности массива от взаиморасположения слоев пород

§6. Совершенствованный паспорт прочности горных пород

§7. Деформируемость горных пород и методы определения их контуров в массиве

§8. Уравнения кривых поверхностей сдвигов в массиве горных пород

§9. Область применения метода Õ.S.BABO

§10. Пример практического использования метода Õ.S.BABO

Список использованных источников





«Как и где использовать и применять
« Геомеханику Õ.S. BABO.»»