Pruebas ultrasónicas y parámetros dinámicos de rocas.
La velocidad de onda elástica de las rocas se ve afectada por diversos factores como su composición mineral, estructura, porosidad, contenido de agua, presión y temperatura. La literatura [4] presenta en detalle los resultados de investigaciones relacionadas.
9.2.1.1 Efecto de la composición de la roca en la propagación de ondas ultrasónicas
Los minerales en las rocas ígneas están estrechamente combinados y el espacio poroso es muy pequeño. La velocidad de la onda elástica está determinada principalmente por la composición mineral. La velocidad de la onda longitudinal disminuye con el aumento del contenido de tensión. La densidad de la roca ígnea ácida es menor que la de la roca básica, por lo que la velocidad de la onda longitudinal de la roca ígnea tiene una correlación positiva obvia con la densidad, y se puede utilizar una relación lineal para la regresión. Sin embargo, diferentes investigadores prueban diferentes rocas y elaboran diferentes fórmulas empíricas. La relación [10] dada por Birch es
υP=2.76ρ-0.98
Y la relación [11] dada por Wolovich y Bayuk es
υP= 3,25ρ-3,46
La unidad de velocidad de la onda es kilómetros/segundo; la unidad de densidad es 103kg/m3. La velocidad de la onda de corte y la densidad de las rocas ígneas también son aproximadamente lineales.
Las rocas sedimentarias no sólo contienen más poros, sino que también tienen composiciones más ricas y complejas que las rocas ígneas. Por tanto, la relación entre la velocidad de las olas y la densidad en las rocas sedimentarias es mucho menos clara que en las rocas ígneas. La Figura 9-1 muestra el valor de onda elástica promedio y el rango de variación de varios tipos principales de rocas ígneas, rocas metamórficas y rocas sedimentarias. Se puede ver claramente que la velocidad de las olas de las rocas sedimentarias es menor que la de las rocas ígneas y la velocidad de las olas. La velocidad de rocas similares tiene un rango de variación mayor.
Figura 9-1 El valor de onda elástica promedio y el rango de variación de las principales rocas ígneas, rocas metamórficas y rocas sedimentarias [4]
9.2.1.2 La influencia de los poros en la propagación de ondas ultrasónicas
Hay muchos poros en las rocas sedimentarias, y el aire en los poros atenúa en gran medida las ondas longitudinales. Incluso con agua saturada, la velocidad de las ondas longitudinales en el agua es menor que en la matriz de la roca. Las ondas transversales sólo pueden propagarse en sólidos. Por lo tanto, se puede esperar que un aumento de la porosidad en una roca conduzca a una disminución de la velocidad de las olas. Lo mismo ocurre con las rocas ígneas. Los resultados de las pruebas de muestras de arenisca saturadas que figuran en la literatura [12] muestran que la velocidad de las ondas longitudinales y de corte disminuye aproximadamente de forma lineal con la porosidad.
9.2.1.3 Efecto de la temperatura y la presión en la propagación de las ondas ultrasónicas
Bajo la acción de la presión, las grietas en la roca se cierran y los poros disminuyen gradualmente a medida que aumenta la presión. Por lo tanto, en la etapa inicial de aumento de presión, la velocidad de la onda sonora aumenta rápidamente, mientras que a alta presión, la velocidad aumenta lentamente. A medida que aumenta la temperatura, la velocidad de las olas en las rocas tiende a disminuir. A medida que aumenta la profundidad, la presión y la temperatura de las rocas de la corteza terrestre aumentan simultáneamente, por lo que el cambio en la velocidad de las olas con la profundidad es más complejo. La parte poco profunda se ve muy afectada por la presión y la velocidad de las olas aumenta con la profundidad; la profundidad se ve muy afectada por la temperatura y la velocidad de las olas disminuye al aumentar la profundidad; también hay situaciones en las que la velocidad de las olas no cambia; . En el fondo de la corteza de China continental, la velocidad de la onda P está normalizada a unos 8 kilómetros/segundo para las rocas con mucho contenido de lodo y gran porosidad en las rocas sedimentarias, la velocidad de la onda se ve muy afectada por la temperatura y la presión; , es más pequeño.
9.2.2 Selección del tamaño de la muestra de roca y parámetros ultrasónicos
La velocidad de onda υ es un parámetro característico de la roca y la longitud de onda λ es la relación entre la velocidad de onda υ y la frecuencia f, λ = υ/f Por lo tanto, en pruebas ultrasónicas de muestras de roca, para calcular la velocidad de las ondas elásticas usando las ecuaciones (9.1) y (9.2), es necesario seleccionar el tamaño de muestra y la frecuencia del transductor apropiados. Específicamente, la longitud de onda debe ser lo suficientemente grande como para que se puedan ignorar los efectos de las interfaces de partículas, etc. y la roca pueda tratarse como un medio elástico uniforme; al mismo tiempo, la longitud de onda debe ser lo suficientemente pequeña como para que la muestra pueda tratarse; como medio infinito; el diámetro de la muestra es grande en comparación con la longitud, se puede ignorar la influencia de los límites de la muestra. Sin embargo, la selección específica del tamaño de la muestra y la longitud de onda requiere que no todos los requisitos sean exactamente iguales.
El Comité de Normalización de la Sociedad Internacional de Mecánica de Rocas (ISRM) estipula: D≥10λ, λ > d, L≥10d. La Sociedad Estadounidense de Pruebas y Materiales (ASTM) estipula: D≥5λ, λ>3D, 5D≥L≥10d. d es el tamaño lateral mínimo de la muestra; l es la longitud de la muestra; d es el tamaño promedio de las partículas de roca [2].
De acuerdo con los requisitos de los "Procedimientos de prueba de rocas para la conservación del agua y la ingeniería hidroeléctrica", la frecuencia del transductor utilizado en la prueba debe seleccionarse en el rango de 50k Hz ~ 1 MHz según el diámetro. y propiedades materiales de la muestra, d ≥ 2λ [9]. Los requisitos para el tamaño de la muestra son que el diámetro del cilindro o la longitud lateral del cilindro cuadrado debe ser de 48 a 54 mm, y el diámetro o la longitud lateral debe ser mayor que 10 veces el diámetro máximo de partícula; La altura de la muestra hasta el diámetro o la longitud lateral debe ser de 2,0 a 2,5.
9.2.3 La diferencia entre los parámetros dinámicos y estáticos de la roca
El módulo de Young y el coeficiente de relación de Poisson son parámetros importantes de la roca, y sus métodos de medición se describen en detalle en los procedimientos de prueba y libros de texto. En términos generales, las muestras cilíndricas requieren pruebas de compresión uniaxial. Por otro lado, debido a que las pruebas ultrasónicas son muy convenientes y no dañan los materiales rocosos, las pruebas ultrasónicas generalmente se realizan en muestras de roca antes de las pruebas de compresión. Con base en la teoría de las ondas elásticas, midiendo la velocidad υP de la onda P y la velocidad υS de la onda S en la roca, se pueden determinar el módulo elástico dinámico y el coeficiente dinámico de Poisson de la roca.
Supongamos R=υP/υS, y obtenga el coeficiente de Poisson a partir de las fórmulas (9.1) y (9.2).
νd=(R2-2)/2(R2-1) (9.4)
Está determinado únicamente por la relación de velocidad de onda r y aumenta con ella luego el módulo de elasticidad; se obtiene cantidad.
Propiedades mecánicas de la roca
También se obtiene de la fórmula (9.1)
Propiedades mecánicas de la roca
Normalmente, la velocidad ultrasónica Los parámetros determinados se denominan parámetros dinámicos, mientras que los parámetros obtenidos de la prueba de compresión se denominan parámetros estáticos. Una gran cantidad de experimentos han demostrado que los parámetros dinámicos y estáticos de los materiales rocosos no son los mismos [3, 4], por lo que buscar la relación de conversión entre ellos se ha convertido en un objetivo de investigación. Sin embargo, existen muchos tipos de rocas con diferentes microestructuras, como poros y grietas en su interior, y no existe necesariamente una relación unificada entre los parámetros dinámicos y estáticos. Sin embargo, cuando las ondas ultrasónicas atraviesan la muestra, la deformación de la roca es muy pequeña, lo que es completamente diferente de la deformación del macizo rocoso en la ingeniería real.
Si hay un plano débil con una gran inclinación que tiene cierta cohesión y recorre toda la probeta, la resistencia a la compresión uniaxial y el módulo de Young serán muy bajos, pero la velocidad ultrasónica aún puede ser muy alta. Durante la medición ultrasónica, el acoplamiento entre la sonda y la superficie final de la muestra, es decir, grasa (onda longitudinal) o papel de aluminio (onda transversal), es una superficie débil obvia, pero no afecta la propagación de las ondas ultrasónicas. Por otro lado, grietas abiertas similares pueden evitar la propagación de ondas ultrasónicas, mientras que las grietas pueden cerrar la carga durante la compresión axial sin efectos significativos sobre el módulo promedio y la resistencia.
Relación dinámica de Poisson
Se puede ver en la fórmula (9.4) que cuando la relación r entre la velocidad de la onda longitudinal y la velocidad de la onda cortante es pequeña, no solo νd es pequeña, pero también su cambio tiene un impacto en νd. El impacto también es grande (Figura 9-2). Cuando r es menor que 2, el índice de Poisson dinámico se vuelve negativo. Debido a que la roca no es un material elástico completamente lineal, es completamente posible una relación de Poisson negativa. Sin embargo, esto no significa que cuando las rocas se comprimen longitudinalmente, también se comprimen lateralmente.
La referencia [13] compara una gran cantidad de datos experimentales y concluye que no existe relación entre los coeficientes de relación de Poisson dinámicos y estáticos. Sin duda, es necesario investigar la aplicabilidad del índice dinámico de Poisson debido a la heterogeneidad de las rocas y las desviaciones de medición en las velocidades de las ondas de corte.
La literatura [2] realizó pruebas de compresión uniaxial en 7 núcleos, incluidos esquistos y limolitas. La relación r entre la velocidad de la onda longitudinal y la velocidad de la onda de corte fue inferior a 2, y la deformación lateral se redujo al principio. etapa de compresión axial. Según la relación entre el índice de Poisson, el módulo de volumen K y el módulo de corte G,
ν=(3K-2G)/(6K+2G)(9.7)
Por lo tanto, es Se cree que el rango del índice de Poisson es -1≤ν≤0.5, y es comprensible que tenga valores negativos.
Figura 9-2 Relación de velocidad de onda longitudinal y transversal y relación de Poisson dinámica
Sin embargo, las rocas no son elásticas uniformes, isotrópicas y lineales, y no pueden describirse completamente mediante las fórmulas anteriores. , la deformación lateral medida es muy pequeña. Por tanto, es cuestionable si un coeficiente de Poisson negativo representa el verdadero comportamiento de la roca. A continuación se describen sólo unos pocos casos de índice de Poisson negativo obtenidos por el autor.
9.2.4.1 El coeficiente dinámico de Poisson es negativo.
El coeficiente dinámico de Poisson está completamente determinado por la relación de velocidad de las ondas longitudinales y las ondas transversales. Hay muchos factores que afectan la velocidad de las ondas ultrasónicas. La deformación no lineal inicial de la muestra de roca indica la presencia de grietas que reducen la velocidad de la onda longitudinal. Cuando se ensayan ondas de corte, es necesario aplicar cargas de contacto considerables, que en ocasiones pueden reducir los efectos de las grietas. Esta es también la razón fundamental por la cual el módulo dinámico de algunas muestras de roca es menor que su módulo estático [5].
9.2.4.2 Utilizar galgas extensométricas para medir la deformación.
Es un método tradicional para pegar galgas extensométricas en el costado de las muestras de roca para medir la deformación axial y lateral. Debido a la heterogeneidad de la estructura de la roca y la localización del fallo de fluencia, las mediciones de las galgas extensométricas a menudo varían según la ubicación de la pasta. Especialmente cuando el penetrador esférico no es consistente con el eje de la muestra de roca, la deformación interna de la muestra de roca cambiará significativamente con la posición en la etapa inicial de carga. Es decir, cuando la muestra de roca se somete a una tensión de compresión y a un cierto momento flector, es muy posible que una determinada parte sufra un estiramiento axial y una deformación por contracción lateral, lo que se denomina gran compresión excéntrica en mecánica estructural. Por lo tanto, es mejor colocar tres juegos de galgas extensométricas cada 120 grados en el exterior de la muestra de roca en lugar de dos juegos [9] para comprobar si la carga es uniforme.
9.2.4.3 Utilizar un medidor de desplazamiento para medir.
El autor utilizó la máquina de ensayo RMT-150 B y dos medidores de desplazamiento para medir la deformación lateral de la muestra de roca. Debido a la calidad del procesamiento de la cara del extremo de la muestra de roca y la instalación del sensor, la posición de la muestra de roca puede sufrir movimientos macroscópicos bajo la acción de una carga axial. Sin embargo, el medidor de desplazamiento no está fijado a la muestra de roca y su lectura no es enteramente la deformación lateral de la muestra de roca. Esto se ha discutido en el capítulo anterior 1 1.7.1.
Evidentemente, el coeficiente dinámico de Poisson no puede utilizarse como parámetro mecánico para expresar las características de deformación de los materiales rocosos.