Эволюция микротрещин в процессе деформирования горных пород: рентгеновская микротомография и метод дискретных элементов

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

В работе выполнено прямое наблюдение микротрещин, образующихся в образце горной породы под действием одноосной сжимающей нагрузки. Детектирование дефектов в объеме осуществлялось с помощью рентгеновской компьютерной микротомографии. Особенность проводимых экспериментов состоит в том, что выполнялась томографическая съемка образца, находящегося под действием нагрузки. На основе анализа томографических сечений вычислены фрактальная размерность и относительный объем микротрещин на трех этапах нагружения. Построены трехмерные модели дефектной структуры, которые иллюстрируют изменение морфологии магистральной трещины. С помощью модели дискретных элементов проведены численные эксперименты по разрушению образцов гетерогенных материалов. Исследовано изменение фрактальной размерности магистральных трещин в процессе их роста. Установлено хорошее согласие результатов компьютерного моделирования и лабораторных экспериментов, что указывает на адекватность предложенной модели и позволяет в дальнейших исследованиях использовать ее для изучения поведения локальных параметров, которые не могут быть измерены экспериментально.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Е. Е. Дамаскинская

Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе

Автор, ответственный за переписку.
Email: Kat.Dama@mail.ioffe.ru
Россия, Санкт-Петербург

В. Л. Гиляров

Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе

Email: Kat.Dama@mail.ioffe.ru
Россия, Санкт-Петербург

Ю. С. Кривоносов

Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”

Email: Kat.Dama@mail.ioffe.ru
Россия, Москва

А. В. Бузмаков

Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”

Email: Kat.Dama@mail.ioffe.ru
Россия, Москва

В. Е. Асадчиков

Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”

Email: Kat.Dama@mail.ioffe.ru
Россия, Москва

Д. И. Фролов

Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе

Email: Kat.Dama@mail.ioffe.ru
Россия, Санкт-Петербург

Список литературы

  1. Божокин С.В., Паршин Д.А. Фракталы и мультифракталы. Ижевск: НИЦ “Регулярная и хаотическая динамика”. 2001. 128 с.
  2. Гиляров В.Л., Дамаскинская Е.Е. Моделирование акустической эмиссии и разрушения поликристаллических гетерогенных материалов методом дискретных элементов // ФТТ. 2022. Т. 64. № 6. С. 676–683.
  3. Дамаскинская Е.Е., Гиляров В.Л. Особенности эволюции дефектной структуры в модели дискретных элементов // ФТТ. 2024. Т. 66. № 1. С. 142–148.
  4. Кривоносов Ю.С., Бузмаков А.В., Григорьев М.Ю., Русаков А.А., Дымшиц Ю.М., Асадчиков В.Е. Лабораторный конусно-лучевой рентгеновский микротомограф // Кристаллография. 2023. Т. 68. № 1. С. 160–165.
  5. Шустер Г. Маломерный хаос. М.: Мир. 1988. 240 с.
  6. Dosta M., Skorych V. MUSEN: An open-source framework for GPU-accelerated DEM simulations // SoftwareX. 2020. V. 12. P. 100618.
  7. Ester M., Kriegel H.-P., Sander J., Xu X. A density-based algorithm for discovering clusters in large spatial databases with noise. Proceedings of the Second International Conference on Knowledge Discovery and Data Mining (KDD-96) / Evangelos Simoudis, Jiawei Han, Usama M. Fayyad (eds.). AAAI Press. 1996. P. 226.
  8. Feldkamp L.A., Davis L.C., Kress J.W. Practical Con-Beam Algorithm // Journal of the Optical Society of America A. 1984. V. 1. P. 612–619.
  9. Ghurcher P.L., French P.R., Shaw J.G., and Schramm L.L. Rock Properties of Berea Sandstone, Baker Dolomite, and Indiana Limestone. SPE International Symposium on Oil field Chemistry. 1991. SPE21044 P. 431–446.
  10. Grassberger P., Procaccia I. Characterization of Strange Attractors // Phys. Rev. Lett. 1983. V. 50. P. 346-348.
  11. Hamiel Y., Katz O., Lyakhovsky V., Reches Z., Fialko Yu. Stable and unstable damage evolution in rocks with implications to fracturing of granite // Geophys. J. Int. 2006. V. 167. P. 1005–1016.
  12. Hilarov V.L., Damaskinskaya E.E. Fractal features of fracture centers in heterogeneous materials revealed by discrete element method // Mater. Sci. Engin. Technol. 2023. V. 54. № 12. P. 1554–1559.
  13. Ingacheva A.S., Chukalina M.V. Polychromatic CT Data Improvement with One-Parameter Power Correction // Mathematical Problems in Engineering. 2019. Article ID 1405365.
  14. Ju Y., Zheng J.T., Epstein M., Sudak L., Wang J.B., Zhao X. 3D numerical reconstruction of well-connected porous structure of rock using fractal algorithms // Comput. Methods Appl. Mech. Eng. 2014. V. 279. № 7. P. 212–226.
  15. Kuksenko V., Tomilin N., Damaskinskaya E., and Lockner D. A two-stage model of fracture of rocks // Pure Appl. Geophys. 1996. V. 146. № 2. P. 253–263.
  16. Liu P., Ju Y., Gao F., Ranjith P. G., Zhang Q. CT identification and fractal characterization of 3-D propagation and distribution of hydrofracturing cracks in low-permeability heterogeneous rocks // Journal of Geophysical Research: Solid Earth. 2018. V. 123. P. 2156–2173.
  17. 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. 350. P. 39–42.
  18. Peng R.D., Yang Y.C., Ju Y., LingTao Mao, YongMing Yang. Computation of fractal dimension of rock pores based on gray CT images // Chinese Sci Bull. 2011.V. 56. P. 3346–3357.
  19. Petružálek M., Vilhelm J., Rudajev V., Lokajíček T., Svitek T. Determination of the anisotropy of elastic waves monitored by a sparse sensor network // Int. J. Rock Mech. Min. Sci. 2013. V. 60. P. 208–216.
  20. Potyondy D.O., Cundall P.A. A bonded-particle model for rock // Int. J. Rock Mech. Min. Sci. 2004. V. 41. P. 1329–1364.
  21. Re J.X. Computerized Tomography Examination of Damage Tests on Rocks under Triaxial Compression // Soil and Rock Behavior and Modeling. 2012. https://doi.org/10.1061/40862(194)34
  22. Sheng-Qi Yang, P.G. Ranjith, Yi-Lin Gui. Experimental Study of Mechanical Behavior and X-Ray Micro CT Observations of Sandstone Under Conventional Triaxial Compression // Geotech. Test. J. 2015. V. 38. № 2. P. 179–197.
  23. Smirnov V.B., Ponomarev A.V., Benard P., Patonin A.V. Regularities in transient modes in the seismic process according to the laboratory and natural modeling // Izv. Phys. Solid Earth. 2010. V. 46. P. 104–135.
  24. Tal Y., Goebel T., J-P Avouac Experimental and modeling study of the effect of fault roughness on dynamic frictional sliding // Earth and Planetary Science Letters. 2020. V. 536. P. 116133.
  25. Xie H.P. Fractals in Rock Mechanics. CRC PRESS, Boca Raton. 1993. — 464 p.
  26. Xinglin Lei, Shengli Ma Laboratory acoustic emission study for earthquake generation Process // Earthq Sci. 2014. V. 27. № 6. P. 627–646.
  27. Yongming Yang, Yang Ju, Fengxia Li, Feng Gao, Huafei Sun. The fractal characteristics and energy mechanism of crack propagation in tight reservoir sandstone subjected to triaxial stresses // Journal of Natural Gas Science and Engineering. 2016. V. 32. P. 415e422.
  28. Yujun Zuo, Zhibin Hao, Hao Liu, Chao Pan, Jianyun Lin, Zehua Zhu, Wenjibin Sun, Ziqi Liu. Mesoscopic damage evolution characteristics of sandstone with original defects based on micro-ct image and fractal theory //Arabian Journal of Geosciences. 2022. V. 15. P. 1673.
  29. Zabler S., Rack A., Manke I., Thermann K., Tiedemann J., Harthill N., Riesemeier H. High-resolution tomography of cracks, voids and micro-structure in greywacke and limestone // Journal of Structural Geology. 2008. V. 30. P. 876–887.
  30. Zhou X.P., Zhang Y.X., Ha Q.L. Real-time computerized tomography (CT) experiments on limestone damage evolution during unloading // Theoretical and Applied Fracture Mechanics. 2008. V. 50. P. 49–56.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Экспериментальная установка. Рентгенооптическая часть рентгеновского микротомографа “МИКРОТОМ”: 1 — источник, 2 — нагружательная ячейка с образцом, 3 — детектор.

Скачать (268KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Распределение рентгенооптической плотности в сечениях образца, расположенных в верхней, центральной и нижней частях, после первого (a), второго (б) и третьего (в) этапов нагружения.

Скачать (218KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Трехмерная визуализация системы микротрещин после трех этапов нагружения. Темно-серые объекты сложной геометрической формы внутри образца — образовавшаяся трещина.

Скачать (92KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Значения фрактальной размерности системы трещин в различных частях образца после 1-го (черная линия), 2-го (синяя линия) и 3-го (красная линия) этапов нагружения.

Скачать (70KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Значения относительного объема системы трещин в различных частях образца после 1-го (черная линия), 2-го (синяя линия) и 3-го (красная линия) этапов нагружения.

Скачать (79KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Изменение напряжения на образце в компьютерном эксперименте. Ось абсцисс — нормированное время эксперимента. (Tfailure — момент времени, в который образец разделился на части).

Скачать (57KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Изменение фрактальной размерности магистральной трещины в компьютерном эксперименте.

Скачать (54KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025