Teoretyczne badania efektu kaisera w skałach poddanych rzeczywistemu trójosiowemu obciążeniu wstępnemu

Autor: A. Lavrov 

Efekt Kaisera występuje w skałach obciążonych cyklicznie z wielkością maksymalnego naprężenia rosnącego z każdym cyklem. Efekt ten polega na braku odtwarzalności działania emisji akustycznej przy wartości naprężenia mniejszej od maksymalnej wartości uprzednio przyłożonego ("zapamiętanego") naprężenia.

Skoro tylko ten "zapamiętany" poziom naprężenia zostaje osiągnięty, działanie emisji akustycznej dramatycznie wzrasta. Pozwala to stosunkowo łatwo ocenić poziom wcześniej występującego naprężenia. Dla celów praktycznego zastosowania efektu Kaisera w pomiarach geo-naprężeń konieczna jest znajomość tego zjawiska w próbkach skał poddanych trójosiowemu naprężeniu in situ.

Dotychczasowe eksperymentalne i teoretyczne badania efektu Kaisera ograniczone były do przypadków jednoosiowego lub osiowo-symetrycznego trójosiowego obciążenia wstępnego (a1 a2 = ff3). W artykule podjęto próbę zbadania efektu Kaisera w próbkach skał w stanie rzeczywistego trójosiowego naprężenia { J1 J2 a3). Symulowano zachowanie się próbki skalnej zawierającej 1000 dowolnie ukierunkowanych pęknięć o kształcie eliptycznym.

Próbkę skalną obciążano w dwóch cyklach. Pierwszy cykl stanowiło rzeczywiste trójosowe ściskanie przy maksymalnych głównych naprężeniach różnych od siebie: a\ a\ u\. Drugi cykl stanowiła jednoosiowa próba ściskania, taka jak zwykle przeprowadzana jest na próbkach skał pobranych z górotworu. W trakcie testu próbka była obciążana w kierunku osi a\ pierwszego cyklu. Jako wynik otrzymano zależność emisji akustycznej AE w funkcji naprężenia dla drugiego cyklu obciążenia w różnych kombinacjach naprężeń głównych z pierwszego cyklu. Przebieg krzywych emisji akustycznej AE wskazuje, że występowanie efektu Kaisera w próbkach skalnych poddanych uprzednio rzeczywistemu trójosiowemu naprężeniu jest daleko bardziej złożone niż w próbkach po osio-symetrycznym trójosiowym wstępnym obciążeniu.

W pierwszym przypadku efekt Kaisera jest mniej wyraźny, krzywa emisji akustycznej AE zaczyna wzrastać od początku jednoosiowego obciążenia i wzrasta do wartości ox = a\ -(k+ l)ff'3 przy czym nie występuje gwałtowny wzrost emisji akustycznej.

Na podstawie tylko kształtu krzywej AE nie można wnioskować o stanie naprężenia in situ i oszacować bezwzględne wartości głównych naprężeń in situ. Pośrednie i najmniejsze naprężenia głównie in situ mają zdecydowany wpływ na kształt krzywej AE i na wartość naprężenia przy którym występuje efekt Kaisera.

Powyższe jak również i inne wyniki symulacji powinny być zawsze brane pod uwagę przy wykorzystaniu efektu Kaisera w pomiarach naprężeń w skałach.