Внутренние механические потери в габбро при периодических воздействиях в низкочастотном диапазоне

Внутренние механические потери относятся к физическим свойствам горных пород, которые наряду с упругими, пластическими, прочностными свойствами должны учитываться в ряде расчетов и моделей, но не всегда оцениваются ввиду сложности их определения. Они имеют большое значение при оценке сейсмического воздействия землетрясений и горных ударов, промышленных взрывов, вибрационных источников на породные массивы вокруг выработок и на подземные сооружения. Описана лабораторная система и методика ее использования для испытания образцов горных пород при изгибе по трехточечной схеме с целью определения коэффициента потерь (обратной добротности Q–1) в зависимости от частоты воздействия. Приведены результаты циклических испытаний образцов – балок габбро с различными пиковыми амплитудами и частотами деформирования. Описана методика проведения таких испытаний. Получены центрированные петли гистерезиса для каждого отдельного цикла увеличения и уменьшения прогиба балки в двух сериях экспериментов. Рассчитаны усредненные коэффициенты потерь Q–1, а также коэффициенты рэлеевской модели, характеризующие обратно и прямо пропорциональные зависимости потерь от частоты периодического воздействия в диапазоне частот от 0,001 до 0,05 Гц. Установлены значения частот, при которых коэффициент потерь достигает минимума.

Салюков В. С., Вознесенский А. С., Куткин Я. О. Внутренние механические потери в габбро при периодических воздействиях в низкочастотном диапазоне // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2024. – № 11. – С. 64–74. DOI: 10.25018/0236_1493_2024_11_0_64.

Статья подготовлена при финансовой поддержке Российского научного фонда, грант № 24-27-00103.

Салюков Владислав Сергеевич¹ — аспирант, e-mail: m1605021@edu.misis.ru, ORCID ID: 0009-0003-0343-7056,
Вознесенский Александр Сергеевич¹ — д-р техн. наук, профессор, e-mail: asvoznesenskii@misis.ru, ORCID ID: 0000-0003-0926-1808,
Куткин Ярослав Олегович¹ — канд. техн. наук, доцент, e-mail: kutnew@mail.ru, ORCID ID: 0000-0003-2644-3371,
¹ Университет науки и технологий МИСИС.

Вознесенский А. С., e-mail: asvoznesenskii@misis.ru.

1. Liu Y., Dai F. A review of experimental and theoretical research on the deformation and failure behavior of rocks subjected to cyclic loading // Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2021, vol. 13, no 5, pp 1203—1230. DOI: 10.1016/j.jrmge.2021.03.012.

2. Zhang Q., Dai F., Liu Y. Experimental assessment on the dynamic mechanical response of rocks under cyclic coupled compression-shear loading // International Journal of Mechanical Sciences. 2022, vol. 216. DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2021.106970.

3. Zhang C., Wang Y., Ruan H., Ke B., Lin H. The strain characteristics and corresponding model of rock materials under uniaxial cyclic load/unload compression and their deformation and fatigue damage analysis // Archive of Applied Mechanics. 2021, vol. 91, no. 6, pp. 2481—2496. DOI: 10.1007/ s00419-021-01899-0.

4. Chunde M., Shan L., Xibing L., Zelin L., Weibin X. Research and microscopic analysis of seepage characteristics of sandstone under low-frequency cyclic loading // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2020, vol. 570, no. 5, article 052048. DOI: 10.1088/1755-1315/570/5/052048.

5. Zhou Z., Zhang J., Cai X., Wang S., Du X., Zang H., Chen L. Permeability evolution of fractured rock subjected to cyclic axial load conditions // Geofluids. 2020. DOI: 10.1155/2020/4342514.

6. Машинский Э. И. Амплитудно-зависимый гистерезис скорости волны в горных породах в широком диапазоне частот: экспериментальное исследование // Горные науки и технологии. — 2021. — Т. 6. — № 1. — С. 23—30. DOI: 10.17073/2500-0632-2021-1-23-30.

7. Tang J., Fang B., Lan Y. Analysis of rock nonlinear deformation behavior with loading and unloading hysteresis effect // Oil Geophysical Prospecting. 2014, vol. 49, no. 6, pp. 1131—1137.

8. Cao L., Zhang P., Zhang J., Lin G., Jiskani I. M., Chen Z., Wang Z., Li M. Experimental study of hysteresis characteristics of water-sediment mixture seepage in rock fractures // Geofluids. 2021. DOI: 10.1155/2021/6692388.

9. Chen L., Wang D., Jiang Y., Luan H., Zhang, G., Liang B. Experimental study on mechanical properties and acoustic emission characteristics of dry and water-saturated soft rocks under different dynamic loadings // Sustainability (Switzerland). 2023, vol. 15, no. 17, article 13201. DOI: 10.3390/ su151713201.

10. Han J., Zhao D., Zhang S., Zhou Y. Damage evolution of granite under ultrasonic vibration with different amplitudes // Shock and Vibration. 2022. DOI: 10.1155/2022/8975797.

11. Guo H., Ji M., Zhang Y., Zhang M. Study of mechanical property of rock under uniaxial cyclic loading and unloading // Advances in Civil Engineering. 2018. DOI: 10.1155/2018/1670180.

12. Pan Y., Wang C., Wang Y. Mechanical degradation mechanism of rock under seismic disturbance stress // Quarterly Journal of Engineering Geology and Hydrogeology. 2022, vol. 55, no. 4. DOI: 10.1144/qjegh2022-007.

13. Леонов М. Г., Кочарян Г. Г., Ревуженко А. Ф., Лавриков С. В. Тектоника разрыхления геологические данные и физика процесса // Геодинамика и тектонофизика. — 2020. — Т. 11. — № 3. — С. 491—521. DOI: 10.5800/GT-2020-11-3-0488.

14. Taheri A., Faradonbeh R. S., Munoz H. Experimental study on progressive damage evolution in rocks subjected to post-peak cyclic loading history // Geotechnical Testing Journal. 2022, vol. 45, no. 3, pp 606—626. DOI: 10.1520/GTJ20210109.

15. Кулагина М. А., Рычков Б. А., Степанова Ю. Ю. Определение упругих констант горных пород // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия «Физико-математические науки». — 2019. — Т. 23. — № 2. — С. 284—303. DOI: 10.14498/vsgtu1595.

16. Lou P., Li C., Liang S., Feng M., Pan B. Hysteresis characteristics of brittle rock deformation under constant load cyclic loading and unloading // Tehnicki Vjesnik. 2020, vol. 27, no. 3, pp. 906— 911. DOI: 10.17559/TV-20180705053718.

17. Chen Y., Wang S., Wang E. Quantitative study on stress-strain hysteretic behaviors in rocks // Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering. 2007, vol. 26, no. 2, pp. 4066—4073.

18. Fu H., Li J., Li G., Li D. Hysteresis Behavior Modeling of Hard Rock Based on the Mechanism and Relevant Characteristics // Sustainability (Switzerland). 2022, vol. 14, no. 16. DOI: 10.3390/ su141610412.

19. Chen Y. P., Xi D. Y., Xue Y. W. Hysteresis and attenuation of saturated rocks under cyclic loading // Acta Geophysica Sinica. 2004, vol. 47, no. 4, pp. 672—679. DOI: 10.1002/cjg2.3547.

20. Liu H. P., Peselnick L. Mechanical hysteresis loops of an anelastic solid and the determination of rock attenuation properties // Geophysical Research Letters. 1979, vol. 6, no. 7, pp. 545—548. DOI: 10.1029/GL006i007p00545.

21. Головин И. С. Внутреннее трение и механическая спектроскопия металлических материалов. — М.: Издательский Дом МИСиС, 2012. — 247 с.

22. Mochugovskiy A. G., Mikhaylovskaya A. V., Zadorognyy M. Y., Golovin I. S. Effect of heat treatment on the grain size control, superplasticity, internal friction, and mechanical properties of zirconium-bearing aluminum-based alloy // Journal of Alloys and Compounds. 2021, vol. 856. DOI: 10.1016/j.jallcom.2020.157455.

23. Лебедев А. В., Островский Л. А., Сутин A. M., Соустова И. А., Джонсон П. А. Резонансная акустическая спектроскопия при низких добротностях // Акустический журнал. — 2003. — Т. 49. — № 1. — С. 81—87. DOI: 10.1134/1.1537392.

24. Voznesensky A. S., Kutkin Y. O., Krasilov M. N. Interrelation of the acoustic q-factor and strength in limestone // Journal of Mining Science. 2015, vol. 51, no. 1, pp. 23—30. DOI: 10.1134/ S1062739115010044.

25. Morozov I. B., Deng W., Cao D. Mechanical analysis of viscoelastic models for Earth media // Geophysical Journal International. 2020, vol. 220, no. 3, pp. 1762—1773. DOI: 10.1093/gji/ggz445.

26. Петрушин Г. Д., Петрушина А. Г. Определение площади петли механического гистерезиса с использованием математических моделей // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. — 2020. — Т. 86. — № 5. — С. 59—64. DOI: 10.26896/1028-6861-2020-86-5-59-64.

27. Rayleigh B. The theory of sound. Vol. 2. New York, 1945, 504 p.

28. Galvez F., Sorrentino L., Dizhur, D., Ingham J. M. Damping considerations for rocking block dynamics using the discrete element method // Earthquake Engineering and Structural Dynamics. 2022, vol. 51, no. 4, pp. 935—957. DOI: 10.1002/eqe.3598.

29. Вознесенский А. С. Моделирование физических процессов горного производства. — М.: Издательский Дом МИСиС, 2023. — 291 с.

30. Салюков В. С. Внутренние механические потери в горных породах в низкочастотном диапазоне / Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых. Материалы 16-й международной научной школы молодых ученых и специалистов. — М.: Издательский Дом ИПКОН РАН, 2023. — С. 140—142.

31. Ouchterlony F., Franklin J. A., Zongqi Sun, Atkinson B. K., Meredith P. G., Rummel F., Mfiller W., Nishimatsu Y., Takahashi H., Costin L. S., Ingraffea A. R. Suggested methods for determining the fracture toughness of rock // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts. 1988, vol. 25, no. 2, pp. 71—96.