Особ напр сост - На главную страницу сайта LAVA.RU

Особенности напряженного состояния рыхлой среды, подвергаемой
пульсирующей нагрузке
Геза Н.И., Егоров Г.В., Юшин В.И.
Институт геофизики СО РАН, 630090, просп. акад.Коптюга,3, Россия
Основным методом экспериментального исследования нелинейных свойств упругих сред
считается метод бигармонических воздействий – одновременное зондирование среды
двумя различными фиксированными частотами. Нарушение принципа суперпозиции при
прохождении таких колебаний через изучаемую среду приводит к появлению в
регистрируемом отклике комбинационных частот, свидетельствующих об отклонении
диаграммы "напряжение-деформация" от закона Гука. Эффект иногда называют
"модуляцией звука звуком". Однако этот метод носит интегральный характер. Он не
позволяет определить, за счет каких именно свойств среды, а именно, вариации
поглощения или вариации скорости, происходит взаимная модуляция сейсмических
колебаний. Нами разработан и успешно испытан более совершенный метод, позволяющий
ответить на этот вопрос.
Новый метод, названный корреляционно-стробоскопическим, основан на возмущении
среды мощным низкочастотным колебанием постоянной частоты (т.н. "накачка") и
одновременном просвечивании ее зондирующим высокочастотным свип-сигналом
("зонд"). При этом обычная процедура обработки виброграммы, необходимая для
получения импульсной сейсмограммы, корреляция, выполняется лишь после
дополнительной операции стробирования, синхронизованной с накачкой. Стробирование
привязывается к различным фазам накачки и тем самым позволяет получить из одного
сеанса зондирования целый ансамбль импульсных сейсмограмм, характеризующих
поведение среды в разных фазах динамического воздействия.
На Рис.1 и 2 проиллюстрирован КСМ-метод и натурный эксперимент по изучению
динамической нелинейности среды в "подбрюшье" сейсмического вибратора.
(Слайды 1 и 4 из старой презентации)
Следует, однако, подчеркнуть, что для реализации метода необходима регистрирующая
аппаратура более высокого класса, чем обычная цифровая сейсмостанция. Основное
требование – возможность длительной непрерывной записи с высокой частотой
дискретизации. В качестве такой аппаратуры мы первоначально использовали
разработанную в ИГФ сейсмостанцию ТРАЛ, а в настоящее время проходит испытания и
отладку более совершенная сейсмостанция ЛАВА (рис. 3). Ее характеристики …
(Рис 3 это бывший Слайд 5 – презентация ЛАВЫ)
Остановимся теперь подробнее на результатах корреляционно-стробоскопического
зондирования рыхлой среды при пульсирующем динамическом воздействии.
Серия экспериментов проводилась на вибросейсмическом полигоне СО РАН.
Высокочастотному (70-300 Гц) виброакустическому просвечиванию подвергался блок грунта,
находящийся под платформой 30-тонного сейсмического вибратора (рис 1 и 2), в процессе его
работы на постоянной частоте в диапазоне 6-7 Гц. В качестве источника зондирующих
колебаний был применен специально разработанный пьезокерамический излучатель.
Регистрация выполнялась поверхностными датчиками-акселерометрами и датчиками
давления, расположенными в скважинах, заполненных водой.
Было установлено, что под воздействием интенсивных сейсмических вибраций изменяется как
средняя за период низкочастотного воздействия, так и мгновенная, связанная с текущей фазой
динамического нагружения, скорость акустической волны. Изменение средней скорости
происходит всегда в сторону ее снижения и в упомянутых экспериментах достигало 5%.
Рис 4 –fig 4 (слайда нет)
Значительно (до 3-5 раз) увеличивается среднее за период вибрации затухание
(соответственно, поглощение) акустической волны и одновременно имеют место мгновенные
вариации поглощения, когерентные колебаниям вибратора. Экстремальные значения
мгновенных вариаций скорости и поглощения несинфазны между собой и не совпадают с
фазой максимального сжатия грунта вибратором. После остановки вибратора в течение
длительного времени происходит релаксация (восстановление "невозмущенных" значений)
скорости и поглощения, но с разными постоянными времени: скорость восстанавливается
быстрее.
На рис.5а показан результат расщепления еще одной такой сейсмограммы по 16 фазам
нагрузки, а на рис. 56 – результат амплитудно-скоростного анализа расщепленных
сейсмограмм по наиболее интенсивному волновому импульсу на 40-й мс. Амплитуда А
акустической волны представлена в абсолютных условных единицах, время пробега –
как отклонение t от абсолютного номинального времени в мс. Кроме того, на графике
показана функция В вибросмещения платформы, которая в данном случае заметно
отличается от синусоиды. На этом графике хорошо видно, что амплитуда и скорость,
достигают максимума хотя и вблизи фазы максимального сжатия грунта, но не
одновременно. Амплитуда отстает от скорости как в фазе сжатия, так при достижении
локального экстремума в фазе разгрузки. Этот факт еще раз подтверждает различие
постоянных времени релаксации скорости и поглощения, которое наблюдалось в статике
после остановки вибратора: скорость состояния покоя восстанавливалась значительно
быстрее, чем прозрачность среды.
Форма вариаций времени пробега и амплитуды характеризуются наличием интенсивной
2-й гармоники. Это наводит на мысль о значительном понижающем влиянии модуля
скорости деформации на скорость упругих волн в рыхлой среде.
На основе полученных экспериментальных данных возможная упрощенная
феноменологическая модель динамической (во времени) зависимости скорости v волны от
мгновенной динамической деформации  может иметь вид


 
v  v0 1  a0   a1
 a2
,
t
t 

где v0 – скорость волны в невозмущенной среде,

– мгновенная скорость динамической
t

средний по времени модуль скорости деформации, а 0 , а1, а2 –
t
положительные постоянные.
деформации,
Здесь а0 определяется нелинейностью статической характеристики "деформация напряжение" и имеет физический смысл общепринятого параметра нелинейности /4 - 6/.
Коэффициент а1 определяет относительный уровень мгновенных вариаций скорости, а2
определяет снижение средней скорости. Разумеется, надо иметь в виду, что отрицательному
значению  соответствует сжатие среды. Поэтому при максимальном сжатии мгновенная
скорость упругих волн согласно этой формуле будет максимальна. В действительности,
наблюдается некоторое смещение максимума, обусловленное релаксацией. Предполагается
также, что максимальное значение суммы всех переменных слагаемых, зависящих от
динамической деформации, много меньше 1. В экспериментах наибольший вес (около 0,05)
имело слагаемое с коэффициентом а2, зависящее от среднего значения модуля скорости
деформации, и определяющее изменение средней скорости упругих волн.
Обнаружение неустойчивых акустических (сейсмических) границ.
На сборке расщепленных сейсмограмм на рис. 4 мы можно обратить внимание на
периодическое раздвоение и слияние одного из волновых импульсов. На рис. 5а помимо
достаточно устойчивых волновых импульсов, по которым проводился анализ вариаций,
можно заметить более сильно изменяющуюся от одной фазы нагрузки к другой волну в
районе 60-й мс. Мы намеренно игнорировали ее при анализе, так как полагали, что не
она определяет важнейшие нелинейные свойства среды. Вместе с тем, в самых
различных расстановках, при смене типа датчика (датчик давления, велосиметр,
акселерометр), а также при смене поляризации излучения, подобные волны почти всегда
проявлялась своей повышенной чувствительностью к фазе нагрузки. Так, на рис. 6
приведена расщепленная по фазам нагрузки сейсмограмма, полученная при
горизонтальной ориентации акустического излучателя и приемника-акселеромера,
расположенного (также горизонтально) с противоположной стороны вибратора. В
интервале 65-й – 75-й мс наблюдается слабая, но четкая волна, поведение которой резко
отличается от волны первого вступления. Она значительно сильнее варьирует по
времени пробега, причем только один раз за период, и, главное, полностью исчезает на
верхней трассе, соответствующей разгрузке среды. Возможно, это обменная волна на
сравнительно глубокой слабо дифференцированной границе, которая ярче проявляется
при динамическом возмущении среды. Это предположение позволяет нам условно
назвать обнаруженное явление "эффектом наведенной границы" (ЭНГ). Природа этого
явления требует целенаправленных исследований.
Таким образом, с помощью корреляционно-стробоскопического метода экспериментально
показано, что
- состояние среды при пульсирующей динамической нагрузке (по крайней мере, для
рыхлой среды типа суглинка) не является усреднением мгновенных статических
состояний, из которых складывается переменная деформация. Это особое, качественно и
количественно иное состояние, характеризующееся общим понижением скоростей
продольных волн и возросшим их поглощением. Любое мгновенное значение скорости в
динамически возмущенной среде всегда ниже ее значения при отсутствии возмущения.
Аналогично, любое мгновенное значение поглощения в присутствии возмущения всегда
выше, чем в отсутствие последнего.
- В процессе периодической динамической деформации среды скорости и поглощение
меняются по величине хотя и синхронно с внешней нагрузкой (причиной деформации),
но несинфазно относительно друг друга, что свидетельствует о разных постоянных
времени релаксации этих двух параметров. Как правило, скорость волны реагирует на
изменение напряженного состояния быстрее, чем поглощение. Вместе с тем, поглощение
значительно (на порядок) более чувствительно к динамической нагрузке, чем скорость.
- На мгновенные вариации скорости упругих волн и их поглощения в рыхлой среде,
подвергаемой пульсирующей деформации, помимо самой деформации, существенное
понижающее влияние оказывает абсолютная величина скорости этой деформации,
независимо от знака, что, в частности, и вызывает появление интенсивных высших
гармоник в вариациях указанных параметров.
- Обнаружено явление повышенной чувствительности некоторых слабых сейсмических
границ к присутствию динамического возмущения среды. Физическая природа этого
явления пока не ясна и требует проведения целенаправленных исследований.