Нелинейные особенности упругого гистерезиса образцов горных пород при циклическом одноосном нагружении

Исследование посвящено определению параметров упругого гистерезиса образцов горных пород. Параметры упругого гистерезиса определяются в интересующем диапазоне упруго-пластических допредельных деформаций и определенных условиях. В работе кратко обоснован выбор горной породы и изготовление образцов, а также приведена методика механических статических испытаний, формирующая поведение образцов в заданных напряжениях и реакцию упругих свойств на нагрузку и разгрузку. Рассмотрены экспериментальные результаты деформирования образцов горных пород в условиях упругого гистерезиса и обоснованы возникающие нелинейные эффекты на принципах микромеханической модели. Рассмотрена микромеханическая модель и другие подходы, обосновывающие нелинейный характер деформирования образцов. Обсуждены подходы и результаты исследований, позволяющие объяснить остаточные деформации на начальном этапе циклических нагрузок и стабилизацию структуры геоматериала на последующих этапах, оценить его нелинейные упругие свойства. На основе полученных результатов предложены модели для различных пород, позволяющие определить нелинейные параметры упругого гистерезиса: статические модули упругости и гистерезисный параметр. В рамках микромеханической модели определен такой параметр образцов горных пород, как обобщенная плотность трещин, которая позволяет оценить степень нелинейности упруго-пластического деформирования.

Высотин Н. Г. Нелинейные особенности упругого гистерезиса образцов горных пород при циклическом одноосном нагружении // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2021. — № 4-1. — С. 148—157. DOI: 10.25018/0236_1493_2021_41_0_148.

Высотин Николай Геннадьевич — старший преподаватель, kalgani@yandex.ru, Горный институт Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», Москва, Россия.

1. Ostrovsky L. A., Johnson P. A. Dynamic nonlinear elasticity in geomaterials. La Rivista del Nuovo Cimento della Societa Italiana di Fisica, 2001, Vol. 24. No. 7, pp. 1—46

2. Nazarov V. E., Radostin A. V., Ostrovsky L. A., Soustova I. A. Wave processes in media with hysteretic nonlinearity. Part I. Acoustical Physics, 2003, No. 49 (4), pp. 344—353. DOI: 10.1134/1.1591300

3. Шейнин В. И., Блохин Д. И., Максимович И. Б., Сарана Е. П. Экспериментальное исследование проявлений термомеханических эффектов на линейной и нелинейной стадиях деформирования образцов каменной соли в режиме циклического нагружения // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — 2016. — № 6. — С. 15 — 22. https://doi.org/10.1134/S1062739116061575

4. Song H., Zhang H., Fu D., Zhang Q. Experimental analysis and characterization of damage evolution in rock under cyclic loading. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, 2016, No. 88, pp. 157—164. DOI:10.1016/j.ijrmms.2016.07.015

5. Винников В. А., Захаров В. Н., Малинникова О. Н., Черепецкая Е. Б. Исследование структуры и упругих свойств геоматериалов с помощью контактной широкополосной ультразвуковой структуроскопии // Горный журнал. — 2017. — №4. — С. 29—33. DOI: 10.17580/gzh.2017.04.05

6. Wang Y., Zhao L., Han D.-h., Qin X., Ren J., Wei Q. Micro-mechanical analisys of the effects of stress cycles on the dynamic and static mechanical properties of sandstone. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences , 2020, No. 134, pp. 104431. DOI: 10.1016/j.ijrmms.2020.104431

7. Мартынюк А. Р. Моделирование нелинейности в горных породах // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). — 2012. — № 6. — С. 384—388

8. Bruno G., Kachanov M. Porous microcracked ceramics under compression: Micromechanical model of non-linear behavior. Journal of the European Ceramic Society, 2013, No. 33, pp. 2073—2085. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2013.03.012

9. Bruno G., Kachanov M., Sevostianov I., Shyam A. Micromechanical modeling of nonlinear stress-strain behavior of polycrystalline microcracked materials under tension. Acta Materialia, 2019, No. 164, pp. 50—59. DOI: 10.1016/j.actamat.2018.10.024

10. Ji P.-Q., Zhang X.-P., Zhang Q. A new method to model the non-linear crack closure behavior of rocks under uniaxial compression. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2018, No. 112, pp. 171—183. DOI: 10.1016/j.ijrmms.2018.10.015

11. Стефанов Ю. П. Нелинейные эффекты поведения горных пород и интерпретация экспериментальных данных // Четвертая тектонофизическая конференция в ИФЗ РАН. Тектонофизика и актуальные вопросы наук о Земле: сб. науч. ст. — М. 2016. — С. 358—371.

12. Bogusz A., Bukowska M. Strees-strain characteristics as a source of information on the disraction of rocks under influence of load. Journal of Sustainable Mining. 2015. No. 14 pp. 46—54. DOI: 10.1016/j.jsm.2015.08.007

13. Liu X. L., Han M. S., Li X. B., Cui J. H., Liu Z. Elastic wave attenuation characteristics and relevance for rock microstructures. Journal of Mining Sciences 2020. Vol.56, no. 2, pp. 65—74. DOI: 10.1134/S1062739120026674

14. Винников В. А., Высотин Н. Г. Методика проведения испытаний по определению статического модуля упругости горных пород с использованием результатов лазерноультразвуковой спектроскопии // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). — 2018. — № S1. — С. 90—101. DOI: 10.25018/0236— 1493—2018—1-1—90—101

15. DIN 14580—2005. Prüfverfahren für Naturstein — Bestimmung des statischen Elastizitätsmoduls. — Berlin: Deutsches Institut für Normung e.V. 2005.

16. Сукнёв С. В., Фёдоров С. П. Методы определения упругих свойств горных пород // Наука и образование. — 2014. — № 1(73). С. 18—24.

17. Гребёнкин С. С., Гавриш Н. Н. Механика горных пород. Том 1. — Донецк : ДонНТУ, 2004. — 169 c.