Сейсмические приборы: статья

Спектральный состав акустических сигналов образцов искусственного песчаника в условиях одноосного нагружения
В.А. Зейгарник, В.Н. Ключкин, В.И. Окунев
Объединенный институт высоких температур РАН
Журнал: Сейсмические приборы
Том: 58
Номер: 4
Год: 2022
Страницы: 144-159
УДК: 550.34, 534.6
DOI: 10.21455/si2022.4-9
Ключевые слова: лабораторное моделирование, одноосное сжатие, трещинообразование, акустические сигналы, среднеквадратичная амплитуда акустического сигнала
Аннотация: Были проанализированы спектры акустических сигналов, полученных при одноосном сжа-тии образцов искусственного песчаника в условиях непрерывного нагружения, включая запредельные состояния вплоть до разрушения. Предпринята попытка выявить наличие смещения характерной частоты акустического сигнала в сторону более низких значений при приближении нагрузки к предельной. Эксперименты проводились на рычажном прессе в двух режимах: простое непрерывное нагружение и непрерывное нагружение с периодическим воздействием на образец постоянным током. Это было сделано с целью выявления влияния электрического тока на параметры акустической эмиссии. В обоих случаях при достижении нагрузки, близкой к предельной, и далее в запредельной области амплитуда сигналов в частотном диапазоне 10–20 кГц начинает заметно превышать амплитуду сигналов в диапазонах частот выше 20 кГц. На заключительной стадии непосредственно перед началом лавинообразного нарастания активности акустической эмиссии заметен рост амплитуды сигналов в частотном диапазоне 5–10 кГц. Схожесть поведения образцов в обоих режимах позволяет сделать вывод о том, что электровоздействие не оказывает существенного влияния на спектральные характеристики акустических сигналов. Смещение частотного диапазона, на который приходятся максимальные среднеквадратичные амплитуды акустического сигнала, в сторону низких частот может свидетельствовать либо об об-разовании трещин большего размера, либо о появлении трещин иного типа, чем при мень-ших нагрузках (например, трещин сдвига). Само по себе это явление может указывать на надвигающееся макроразрушение
Список литературы: Авагимов А.А., Зейгарник В.А., Окунев В.И. Динамика энергообменных процессов в мо-дельных образцах при воздействии упругим и электромагнитным полями // Физика Земли. 2011. № 10. С.64–70.

Ботвина Л.Р. Эволюция поврежденности на различных масштабах // Физика Земли. 2011. № 10. С.5–18.

Ботвина Л. Р., Завьялов А.Д. Междисциплинарные проблемы физики и механики разрушения: от металлов до горных пород. Часть 1: Локализация и развитие поврежденности // Деформация и разрушение материалов. 2018а. № 3. С.2–13.

Ботвина Л.Р., Завьялов А.Д. Междисциплинарные проблемы физики и механики разрушения: от металлов до горных пород. Часть 2: Критерии разрушения // Деформация и разрушение материалов. 2018б. № 5. С.2–12.

Дамаскинская Е.Е., Кадомцев А.Г. Выявление пространственной области будущего очага разрушения на основе анализа энергетических распределений сигналов акустической эмиссии // Физика Земли. 2015. № 3. С.78–84. https://doi.org/10.7868/S0002333715030023

Дамаскинская Е.Е., Пантелеев И.А., Фролов Д.И., Василенко Н.Ф. Признаки критической стадии разрушения деформированных гетерогенных материалов // Геосистемы пере-ходных зон. 2018. Т. 2, № 3. С.245–251. https://doi.org/10.30730/2541-8912.2018.2.3.245-251

Завьялов А.Д. От кинетической теории прочности и концентрационного критерия разрушения к плотности сейсмогенных разрывов и прогнозу землетрясений // Физика твер-дого тела. 2005. Т. 47, № 6. С.1000–1008.

Касьян М.В., Робсман Г.Н., Никогосян Г.Н. Изменения спектров эмиссионных сигналов при развитии трещин и разрушении горных пород // Докл. АН СССР. 1989. Т. 306, № 4. С.826–830.

Манжиков Б.Ц., Богомолов Л.М., Ильичев П.В., Сычев В.Н. Структура акустических и электромагнитных сигналов при одноосном сжатии образцов горных пород // Геология и геофизика. 2001. Т. 42, № 10. С.1690–1696.

Остапчук А.А., Павлов Д.В., Марков В.К., Крашенинников А.В. Исследование сигналов акустической эмиссии при сдвиговом деформировании трещин // Акустический жур-нал. 2016. Т. 62, № 4. С.503–512. https://doi.org/10.7868/S0320791916040134

Пантелеев И.А., Мубассарова В.А., Дамаскинская Е.Е., Богомолов Л.М., Наймарк О.Б. Влияние слабого электрического поля на пространственно-временную динамику аку-стической эмиссии при одноосном сжатии гранита // Триггерные эффекты в геосистемах: Материалы третьего Всеросс. семинара-совещания / Под ред. В.В. Адушкина, Г.Г. Кочаряна. М.: ГЕОС, 2015. С.244–252.

Смирнов В.Б., Пономарев А.В. Закономерности релаксации сейсмического режима по натурным и лабораторным данным // Физика Земли. 2004. № 10. С.26–36.

Смирнов В.Б., Пономарев А.В. Физика переходных режимов сейсмичности. М.: РАН, 2020. 412 с.

Смирнов В.Б., Пономарев А.В., Бернар П., Патонин А.В. Закономерности переходных ре-жимов сейсмического процесса по данным лабораторного и натурного моделирования // Физика Земли. 2010. № 2. С.17–49.

Соболев Г.А., Тюпкин Ю.С. Анализ процесса выделения энергии при формировании магистрального разрыва в лабораторных исследованиях по разрушению горных пород и перед сильными землетрясениями // Физика Земли. 2000. № 2. С.44–55.

Соболев Г.А., Пономарев А.В. Физика землетрясений и предвестники. М.: Наука, 2003. 270 с.

Фурса Т.В., Данн Д.Д., Петров М.В., Соколовский А.Н. Диагностика разрушения армированного бетона в условиях изгиба по параметрам электрического отклика на ударное воздействие // ЖТФ. 2019. Т. 89, № 1. С.99–106. https://doi.org/10.21883/JTF.2019.01.46969.91-18

Шихова Н.М., Патонин А.В., Пономарев А.В., Смирнов В.Б. Вариации спектров сигналов ультразвукового зондирования при лабораторных испытаниях образцов горных пород // Физика Земли. 2022. № 4. С.167–180. https://doi.org/10/31857/S000233372204010X

Шкуратник В.Л., Новиков Е.А., Вознесенский А.С., Винников В.А. Термостимулированная акустическая эмиссия в геоматериалах. М.: Горная книга, 2015. 241 с.

Aggelis D.G. Classification of cracking mode in concrete by acoustic emission parameters // Mech. Res. Commun. 2011. V. 38, Iss. 3. P.153–157. https://doi.org/10.1016/j.mechrescom.2011.03.007

Baddari K., Frolov A., Tourtchine V., Rahmoune F. An integrated study of the dynamics of elec-tromagnetic and acoustic regimes during failure of complex macrosystems using rock blocks // Rock Mech. Rock Eng. 2011. V. 44, Iss. 3. P.269–280. https://doi.org/10.1007/s00603-010-0130-5

Carpinteri A., Lacidogna G., Niccolini G., Puzzi S. Critical defect size distribution in concrete structures detected by the acoustic emission technique. Meccanica. 2008. V. 43, Iss. 3. P.349–363. https://doi.org/10.1007/s11012-007-9101-7

Damaskinskaya E., Panteleev I., Gafurova D. Defect structure evolution in deformed heterogeneous materials. Acoustic emission and X-ray microtomography // AIP Conf. Proc. 2017. V. 1909, Iss. 1. Art. 020029. https://doi.org/10.1063/1.5013710

Dann D., Demikhova A., Fursa T., Kuimova M. Research of electrical response communication

parameters on the pulse mechanical impact with the stress-strain state of concrete under uniaxial compression // IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2014. V. 66. Art. 012036. https://doi.org/10.1088/1757-899X/66/1/012036

Eftaxias K., Potirakis S. Current challenges for pre-earthquake electromagnetic emissios: shed-ding light from micro-scale plastic flow, granular packings, phase transitions and self-affinity notion of fracture process // Nonlin. Proc. Geophys. 2013. V. 20, Iss. 5. P.771–792. https://doi.org/10.5194/npg-20-771-2013

Klyuchkin V.N., Novikov V.A., Okunev V.I., Zeigarnik V.A. Acoustic and electromagnetic emis-sions of rocks: insight from laboratory tests at press and shear machines // Environ. Earth Sci. 2022. V. 81, Iss. 3. Art. 64. https://doi.org/10.1007/s12665-022-10189-z

Kuksenko V., Tomilin N., Chmel A. The rock fracture experiment with drive control: A spatial aspect // Tectonophysics. 2007. V. 431, Iss. 1–4. P.123–129. https://doi.org/10.1016/j.tecto.2006.05.033

Kuksenko V., Tomilin N., Damaskinskaya E., Lockner D. A two-stage model of fracture of rocks // Pure Appl. Geopys. 1996. V. 146, Iss. 2. P.253–263. https://doi.org/10.1007/BF00876492

Lei X., Kusunose K., Satoh N., Nishizawa O. The hierarchical rupture process of a fault: An ex-perimental study // Phys. Earth Planet. Inter. 2003. V. 137, Iss. 1–4. P.213–228. https://doi.org/10.1016/S0031-9201(03)00016-5

Lennartz-Sassinek S., Main I., Zaiser M., Graham C.C. Acceleration and localization of subcriti-cal crack growth in a natural composite material // Phys. Rev. E. 2014. V. 90, Iss. 5. Art. 052401. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.90.052401

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. 6313. P.39–42.

Mpalaskas A.C., Matikas T.E., Hemelrijck D.V., Papakitsos G.S., Aggelis D.G. Acoustic emis-sion monitoring of granite under bending and shear loading // Arch. Civil Mech. Eng. 2016. V. 16, Iss. 3. P.313–324. https://doi.org/10.1016/j.acme.2016.01.006

Niccolini G., Bosia F., Carpinteri A., Lacidogna G., Manuello A., Pugno N. Self-similarity of waiting times in fracture systems // Phys. Rev. E. 2009. V. 80, Iss. 2. Art. 026101. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.80.026101

Ohnaka M., Mogi K. Frequency characteristics of acoustic emission in rocks under uniaxial compression and its relation to the fracturing process to failure // J. Geophys. Res. 1982. V. 87, Iss. B5. P.3873–3884. https://doi.org/10.1029/JB087iB05p03873

Ohno K., Ohtsu M. Crack classification in concrete based on acoustic emission // Constr. Build. Mater. 2010. V. 24, Iss. 12. P.2339–2346. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2010.05.004

Onuma K., Muto J., Nagahama H., Otsuki K. Electric potential changes associated with nucleation of stick-slip of simulated gouges // Tectonophysics. 2011. V. 502, Iss. 3–4. P.308–314. https://doi.org/10.1016/j.tecto.2011.01.018

Panfilov A. The results of experimental studies of VLF–ULF electromagnetic emission by rock samples due to mechanical action // Nat. Hazards Earth Syst. Sci. 2014. V. 14, Iss. 6. P.1383–1389. https://doi.org/10.5194/nhess-14-1383-2014

Panteleev I., Bayandin Yu., Naimark O. Coherent change of multifractal properties of continuous acoustic emission at failure of heterogeneous materials // AIP Conf. Proc. 2017. V. 1909, Iss. 1. Art. 020169. https://doi.org/10.1063/1.5013850

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, Iss. 1–3. P.57–81. https://doi.org/10.1016/S0040-1951(97)00078-4

Stergiopoulos C., Stavrakas I., Hloupis G., Triantis D., Vallianatos F. Electrical and acoustical emissions in cement mortar beams subjected to mechanical loading up to fracture // Eng. Failure Analysis. 2013. V. 35. P.454–461. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2013.04.015

Thompson B.D., Young R.P., Lockner D.A. Premonitory acoustic emission and stick-slip in natu-ral and smooth-faulted Westerly granite // J. Geophys. Res. 2009. V. 114, Iss. B2. Art. BO2205. https://doi.org/10.1029/2008JB005753

Triantis D., Kourkoulis S.K. An alternative approach for representing the data provided by the acoustic emission technique // Rock Mech. Rock Eng. 2018. V. 51, Iss. 8. P.2433–2438. https://doi.org/10.1007/s00603-018-1494-1

Varotsos P., Sarlis N., SkordasE. Long-range correlations in the electric signals that precede rup-ture // Phys. Rev. E. 2002. V. 66, Iss. 1. Art. 011902. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.66.011902

Yuyama S., Li Z., Ito Y., Arazoe M. Quantitative analysis of fracture process in RC column foundation by moment tensor analysis of acoustic emission // Construct. Build. Mater. 1999. V. 13, Iss. 1–2. P.87–97. https://doi.org/10.1016/S0950-0618(99)00011-2

Zhou J.W., Xu W.Y., Yang X.G. A microcrack damage model for brittle rocks under uniaxial compression // Mech. Res. Commun. 2010. V. 37, Iss. 4. P.399–405. https://doi.org/10.1016/j.mechrescom.2010.05.001

Zhang J.Z., Zhou X.P. Forecasting catastrophic rupture in brittle rocks using precursory AE time series // J. Geophys. Res.: Sold Earth. 2020. V. 125, Iss. 8. Art. e2019JB019276. https://doi.org/10.1029/2019JB019276

Zhang J., Peng W., Liu F., Zhang H., Li Z. Monitoring rock failure processes using the Hilbert–Huang transform of acoustic emission signals // Rock Mech. Rock Eng. 2016. V. 49, Iss. 2. P.427–442. https://doi.org/10.1007/s00603-015-0755-5