Способ определения состояния и деформационных параметров тел, сооружений, массивов
Способ предназначен для использования в области инженерной геологии и геофизики. Способ оценки состояния тела - его трещиноватости, статического модуля упругости и модуля деформации основан на возможности учета влияния дефектов на исследуемые параметры по двум взаимноперпендикулярным направлениям и их изменений в результате приложения нагрузки. Способ дает возможность определения состояния тела - сооружения, массива - его трещиноватости на момент исследования по величине скоростей в двух взаимно перпендикулярных направлениях для разгруженного и нагруженного состояний. Позволяет оценить форму порового пространства и его изменение под действием нагрузки, испытываемой рассматриваемой точкой тела на момент исследования. 1 ил., 1 табл.
Изобретение относится к области инженерной геологии и геофизики.
Цель изучения деформационных свойств - определение количественных характеристик: модулей упругости, деформации, коэффициента Пуассона и т.п., отображающих деформируемость изучаемых тел при заданных условиях силовых воздействий и необходимых для расчетов напряженно-деформируемого состояния. Основные показатели деформируемости обычно определяются в результате статических нагружений горных пород в отдельных наиболее характерных точках (участках) исследуемого массива. Основными статическими методами определения деформационных характеристик горных пород в натурных условиях являются, м3: Метод штампа, объем деформируемой зоны - 0,5 - 2,0 Метод гидравлических подушек, объем деформируемой зоны - 10 Метод гидростатической камеры, объем деформируемой зоне - 102 - 104 Метод радиального пресса, объем деформируемой зоны - 10 - 102 Метод скважинных дилатометров и прессиометров, объем деформируемой зоны - 0,01 - 1,0 Известен метод прессиометрических испытаний, заключающийся в том, что в скважину опускают каротажный зонд, представляющий собой замкнутый сосуд, внутреннее давление жидкости в котором передается на стенки определенного участка длины скважины. Смещения стенок скважины, возникающие в результате этого, могут быть измерены и, с учетом некоторых идеализирующих предпосылок, позволяют составить определенное представление о деформируемости скального массива в зоне загруженного участка скважины, см. Витке В. Механика скальных пород.-М.: Недра, 1990. Для исследования деформируемости породы при нагружении и разгрузке, как правило, применяются программу нагружения, предусматривающую несколько циклов нагружения и разгрузки в течение времени t. В каждом цикле нагружения давление повышают ступенями до конечного значения, увеличивающегося в каждом последующем цикле. При принятии максимального давления стремятся к тому, чтобы оно соответствовало нагрузкам на породу, ожидаемым в ходе строительства, а также за тем, чтобы в скважине не создавались большие необратимые деформации, в результате которых при испытаниях получают слишком низкие значения модуля деформации. В каждом цикле разгрузки давление понижают также ступенями, до тех пор пока оно не достигнет начального значения P0. Отсчеты измеряемых величин продолжают до тех пор, пока смещение стенок скважины не достигнет конечного значения. Нанеся на график нагрузки P соответствующие им изменения диаметра скважины










1. Ограничены возможности применения дилатометров, так как необходим выбор участка измерений, т.е., например, наличие дефектов различного типа может исказить условия нагружения или сделать его невозможным. Для предварительной оценки и выбора испытательных участков скважины следует использовать керн и, при возможности, провести телевизионное обследование скважин. 2. Передающиеся на стенку скважины напряжения быстро затухают по мере удаления вглубь массива, поэтому объем скальной породы, исследуемый в прессиометрических испытаниях не всегда представителен (для дилатометров системы LNEC объем составляет около 0,06 м3). 3. Значительный разброс результатов прессиометрических испытаний, обусловленный методикой испытаний, вызывает необходимость проведения большого числа испытаний, чтобы более или менее надежно судить о распределении модулей деформации. Представительным для деформируемости исследуемого массива является лишь среднее геометрическое значение

4. Большая трудоемкость и высокая стоимость исследований. Все известные статические методы изучений искомых параметров охватывают малый объем изучаемого тела, остается неизвестной картина распределения их по объему массива. Для исключения этого фактора производится оценка деформационных характеристик с применением методик сейсмоакустических исследований. При применении известных геофизических методов существуют существенные различия деформационных характеристик, полученных разными методами - статическими и динамическими. Известен способ нахождения модуля упругости по данным ультразвукового каротажа (Савич А. И. и др. Сейсмоакустические методы изучения массивов скальных пород. -М.: Недра, 1969, с. 155-166). В данном методе производится ультразвуковой каротаж скважин с получением многоканальных встречных осциллограмм. Обработка осциллограмм осуществляется в следующем порядке:
а) производится выделение и корреляция выбранных фаз основных P и R волн на осциллограммах УЗК;
б) снимаются времена прихода выделенных фаз колебаний;
в) вычисляются средние приращения времен прихода волн двух встречных наблюдений на исследуемой базе (шаг зонда);
г) вычисляют скорости волн VP и VR по полученным значениям времен;
д) рассчитывают отношение скоростей выделенных волн VR/VP;
е) находим величину отношений длины волны LR к периметру скважины 2

ж) с помощью номограммы Кнопова-Коптева по отношению величин скоростей VR/VP с учетом величины LR/2



где

1. Значительное различие модулей упругости, полученных разными способами - статическими и динамическими. 2. Невозможность оценки модуля деформации. 3. Невозможность полной и достоверной оценки трещиноватости исследуемого тела из-за искажения искомых параметров напряженным состоянием и неучета направленности параметра - скорость величина векторная. Невозможность оценки объемной трещиноватости и ее параметров в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Целью изобретения являются масштабная оценка статического модуля упругости Eст и модуля деформации D, оценка трещиноватости, не искаженной присутствующим в сооружении, массиве напряженным состоянием, и ее изменение под действующей нагрузкой. Согласно изобретению способ определения состояния и деформационных параметров тела, сооружения, массива, включающий проведение наблюдений с помощью ультразвукового каротажа скважины на многоканальным встречным осциллограммам упругих волн двух типов P и R т отношения их скоростей VR/VP, оценку отношения длины волны LR к периметру скважины 2




где

Vт - скорость продольной волны в скелете материала. Затем решают уравнение третьей степени вида A3н + pA2н + qAн+ t = 0 относительно Aн, где Aн - начальный параметр формы порового пространства для разгруженного состояния, коэффициенты которого рассчитываются по выражениям

после чего рассчитывают величины скоростей продольной волны для напряженного состояния в рассматриваемой точке тела перпендикулярно оси скважины


для разгруженного состояния вдоль оси скважины



Затем по величинам скоростей продольной волны вдоль и перпендикулярно оси скважины для разгруженного состояния и по величинам Aн и Aк, характеризующим отношение интегральной длины трещиноватости к величине интегрального раскрытия трещиноватости для соответствующего разгруженного или нагруженного состояния судят о зонах повышенной трещиноватости тела - сооружения в исследуемой скважине, кроме того, рассчитывают модуль упругости по величине равный статическому модулю упругости Eстдин в рассматриваемой точке скважины и динамической модуль упругости для нагрузки испытываемой телом по выражениям

где

а модуль деформации находим с помощью выражения

где D - модуль деформации, а Eдин - динамический модуль упругости для нагрузки испытываемой телом. Техническая суть изобретения сводится к следующему. Многие авторы основными факторами, определяющими различия между динамическим и статическим модулями упругости считают разный уровень действующих напряжений и существенно разную длительность силового воздействия. В работе (Савич А.И., и Куюджич В.Д. Комплексные инженерногеофизические исследования при строительстве гидротехнических сооружений. - М.: Недра, 1990, с. 348-349) доказывается, что влияние длительности силового воздействия на различие между Eст и Eдин определяется термодинамическими особенностями процесса деформации и для горных пород не превышает 0,1%. Величина силового воздействия не должна влиять на величины модулей упругости, так как модуль упругости характеризуется линейной частью диаграммы напряжение - деформация. По мнению ряда авторов различие между статическим и динамическим модулями упругости определяется не столько термодинамикой процессов деформирования, сколько особенностями проявления упругого последействия. Указывается, что для получения сопоставимых значений модулей упругости, полученных разными способами Eст и Eдин необходимо отделить идеально-упругую деформацию












где
dн и dк - интегральная величина раскрытия трещиноватости для разгруженного и нагруженного состояний. Aн и Aк - параметры формы порового пространства для разгруженного и нагруженного состояний.

где
a - шаг применяемого ультразвукового зонда.


где
Vзап - скорость продольной волны в заполнителе.

соответственно

где


Запишем выражение (1) в виде

преобразуем

где


Параметр начальной формы порового пространства по прозвучиванию образцов описывается выражением (материалы заявки N 94022538/28)

Коэффициент анизотропии определяется

По материалам УЗК коэффициент анизотропия на момент проведения УЗК

При УЗК параметр Aк является начальным для ультразвукового воздействия, поэтому Aк определяется выражением

а коэффициент анизотропии равен

а скорость продольной волны перпендикулярно оси скважины для нагрузки испытываемой рассматриваемым участком тела в момент проведения УЗК

Интегральная длина трещиноватости на исследуемом участке для нагрузки в момент исследования - lк;
lk= b


где
b - зона ультразвукового воздействия,
n


Интегральная длина трещиноватости на исследуемом участке для разгруженного состояния lн

n


Значения скоростей продольной волны



а динамический модуль упругости по величине равный статическому и динамический модуль упругости по выражениям

Тангенс угла наклона начального участка диаграммы tg
































разделим числитель и знаменатель на


модуль деформации по выражению

Заявленное техническое решение является новым, так как характеризуется новой совокупностью существенных признаков, отсутствующей во всех аналогах. Заявленные отличия при реализации сообщают объекту изобретения ряд полезных свойств, заключающихся в обеспечении возможности достаточно просто и достоверно оценивать по материалам ультразвукового каротажа упругие свойства тела и его состояние как по величине скоростей продольной волны в двух взаимноперпендикулярных направлениях, так и с помощью величин статических модулей упругости и модулей деформации, производить достоверную оценку трещиноватости тела, не искаженную и не маскирующуюся напряженным состоянием тела. Это свойство отсутствует у всех известных нам аналогов, является свойством заявленной совокупности признаков, что позволяет сделать вывод о соответствии заявленного решения критерию "изобретательский уровень". Способ реализуется следующим образом:
1. Проводят ультразвуковой каротаж с получением встречных многоканальных осциллограмм. 2. Осуществляют обработку осциллограмм с составлением таблицы, в которую заносятся искомые величины







6. Находят величину параметра формы порового пространства для разгруженного состояния, решая уравнение A3H + pA2H + qAH + t = 0
p = 0,5+2Aк/y; q=Aк

t=Aн/2y2


7. Зная величины Aк и Aн рассчитывают величины скоростей продольной волны для нагруженного и разгруженного состояний в двух взаимно перпендикулярных направлениях - параллельно и перпендикулярно оси скважины для каждого рассматриваемого участка скважины по выражениям


8. Сопоставляя изменения параметра формы порового пространства и скоростей продольной волны для разгруженного состояния с глубиной скважины производят оценку трещиноватости исследуемого тела по скважине. 9. Рассчитывают величины корреляционных значений скорости продольной волны для нагруженного и разгруженного состояния по выражениям

10. Рассчитывают модуль упругости по величине равный статическому модулю упругости

11. Рассчитывают динамический модуль упругости в рассматриваемой точке для нагрузки соответствующей моменту проведения УЗК

12. Находят модуль деформации в точке исследования для нагрузки испытываемой телом (сооружением) в момент проведения УЗК по выражениям

Пример применения предлагаемой методики представлен в таблице, в которую сведены результаты обработки встречных многоканальных осциллограмм для одной стоянки зонда, шаг зонда 0,1 м. Обработка многоканальных осциллограмм производилась по величине разности прихода волн в каждой соседней паре приемников. В таблицу сведены последовательно полученные по следующим выражениям параметры:
1. Столбец 2 и 3 - величины скоростей VR и







y = 0,19
3. Величина Aк (столбец 10)

4. Коэффициенты уравнения третьей степени вида A3H + pA2H + qAH + t = 0 относительно Aн - текущее по скважине значение (столбец 11). p = 0,5 + 2Aк/y = 0,5 + 2

q = Aк



5. Величины скоростей продольной волны вдоль оси скважины


6. Скорость продольной волны перпендикулярно оси скважины для нагруженного состояния (столбец 4):

7. Величина скорости продольной волны перпендикулярно оси скважины для разгруженного состояния (столбец 7).

8. Корреляционные значения скорости продольной волны для разгруженного состояния - (столбец 8) и нагруженного - (столбец 5)

9. Величина модуля упругости равная соответствующей величине статического модуля упругости - (столбец 14)

10. Величины динамического модуля упругости по корреляционному значению скорости и по величине скорости вдоль оси керна 0 (столбец 12, 13)

11. Модуль деформации - (столбец 15).

Использование заявляемого технического решения обеспечивает следующие технико-экономические преимущества:
1. Расширяет функциональные возможности ультразвуковых методов исследования. 2. Обеспечивает возможность масштабной, детальной оценки статического модуля упругости и модуля деформации по длине скважины. 3. Дает возможность оценки состояния тела, сооружения, массива - его трещиноватости на момент исследования по величинам скоростей в двух взаимно перпендикулярных направлениях для разгруженного состояния, оценки формы порового пространства и его изменение под действием нагрузки, испытываемой рассматриваемой точкой на момент исследования. 4. Данный вид исследования экономически выгоден относительно используемых геотехнических методов нахождения искомых деформационных параметров.
Формула изобретения




где

Vт - скорость продольной волны в скелете материала,
затем решают уравнение третьей степени вида
Ан3 + рАн2 + gАн + t = 0 относительно Ан,
где Ан - начальный параметр формы порового пространства для разгруженного состояния, коэффициенты которого рассчитывают по выражениям
p = 0,5+2Aк/

g = Aк



t = A2к/2




после чего рассчитывают величины скоростей продольной волны для напряженного состояния в рассматриваемой точке тела перпендикулярно к оси скважины


для разгруженного состояния вдоль оси скважины




затем по величинам скоростей продольных волн вдоль и перпендикулярно к оси скважины для нагруженного и разгруженного состояний и по величинам Ан и Ак судят о зонах повышенной трещиноватости тела, сооружения, массива в исследуемой скважине, кроме того, рассчитывают модуль упругости, по величине равный статическому модулю упругости Ecmдин рассматриваемой точке скважины, и динамический модуль упругости для нагрузки, испытываемой телом, по выражениям


где

а модуль деформации D определяют по выражению

РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2