Ученые показали, как разрушаются камни

Изображение смоделированной в рамках вычислительного эксперимента осадочной породы. (кликните картинку для увеличения)

Изображение смоделированной в рамках вычислительного эксперимента осадочной породы. (кликните картинку для увеличения)

27.02.2014 (7:34)
Просмотров: 2125
Рейтинг: 0.00
Голосов: 0

Теги:
камень, порода, землетрясение, модель,
Естественные науки >> Физика






Ваша оценка
-2 -1 0 1 2
Разрушение горных пород может привести к печальным последствиям, к примеру, разрушению зданий или целых районов города в результате землетрясений. В своей последней работе группа исследователей из Венгрии представила новую модель разрушения пористых материалов на микроуровне. Предложенная модель объясняет наблюдаемое сложное поведение многих осадочных пород. Как и реальный песчаник, виртуальный материал, использовавшийся для построения модели, был изготовлен из склеенных в трехмерную сеть частиц различного размера. Данные моделирования показали, что, прежде чем механическое воздействие вызовет катастрофический разрыв, в материале возникают микроскопические измерения, которые не всегда фиксируются экспериментальными наблюдениями.

Многие породы представляют собой конгломераты крошечных зерен, скрепленных или образующих поры между собой. Зерна могут иметь различные размеры, а также разную степень адгезии, поэтому механические свойства такой породы довольно сложно описать в легко моделируемой (и при этом хорошо соотносящейся с реальным миром) теоретической структуре. Созданные ранее модели сетей пружин или жестких конструкций слишком упрощены и идеализированы для сравнения результатов их расчетов с экспериментом.

Для более глубокого понимания процессов, проходящих в горных породах, группа ученых из University of Debrecen (Венгрия) предложила свою модель твердого пористого материала. В основу модели они заложили принципы, схожие с природными особенностями формирования осадочных пород. В частности, в рамках их модели порода состояла из микроскопических сфер разных размеров, составляющих проникающие друг в друга слои. Чтобы отразить адгезию, частицы в модели были соединены между собой сетью «лучей», имитирующих матрицу, образующуюся между зернами того же песчаника. Иными словами, в отличие от предлагавшихся ранее конструкций, новая модель была основана на микроструктуре, наблюдаемой в реальном мире.

В рамках своей работы ученые моделировали процесс разрушения камня, состоящего приблизительно из 20 тыс. частиц, медленно сжимая его по вертикальной оси. В ходе эксперимента они обнаружили, что распространение трещин через материал – это лавинообразный процесс. Причем, прежде чем целый фрагмент частиц «откалывается», в общей сложности в материале наблюдалось более 2000 «всплесков» образования трещин, отделенных друг от друга случайными периодами покоя (когда новые трещины не появляются).

Исследователи сравнили результаты проведенного моделирования с косвенными измерениями микротрещин, полученными из акустических исследований материалов в условиях деформации. Было обнаружено, что теоретические расчеты хорошо согласуются с данными реальных измерений.

Стоит отметить, что учеными была впервые представлена модель, которая выглядит достаточно реалистично и имеет микроструктуру, процессы в которой развиваются также как и в реальных материалах. Способность модели предсказать поведение внутренней «силовой» несущей сети соединений является важным шагом вперед. В частности, модель уже позволила доказать, что ущерб от механического воздействия на осадочные породы может «накапливаться» в материале (в форме микроскопических изменений, которые до поры до времени не отражаются на макроскопической структуре).

Подробные результаты работы опубликованы в журналах Physical Review Letters и Physical Review E.

Нравится


Екатерина Баранова

Также по теме:

Источники:



самое популярное


Rambler's Top100