О возможностях и ограничениях усредненного описания неупругого поведения хрупких пористых материалов в стесненных условиях

Бесплатный доступ

В работе с использованием компьютерного моделирования методом подвижных клеточных автоматов проведено исследование особенностей неупругого деформирования и разрушения микроскопических областей пористых хрупких материалов в условиях неравноосного сжатия. Акцент в исследовании сделан на анализе применимости классических макроскопических критериев пластичности и прочности для интегрального описания механического отклика представительных объемов микроскопического масштаба. Проанализирована связь параметров интегрального механического отклика микроскопических областей с объемным содержанием пор, характером их пространственного распределения в объеме материала и прочностными свойствами материала стенок каркаса. На примере осевого сжатия образцов в условиях постоянного бокового давления исследована стадийность процессов накопления и роста повреждений в стенках пористого каркаса и их связь с интегральным неупругим откликом. Показано, что с ростом величины бокового давления происходит смена характера разрушения пористого материала от упруго-хрупкого к неупругому, локализованному в форме полосы сдвига, и далее к объемному катакластическому. Значения характерных боковых давлений, при которых происходит смена механизма разрушения, существенным образом зависят от чувствительности прочности стенок каркаса к локальному давлению. Анализ результатов моделирования показал, что традиционные условия (критерии) пластичности, учитывающие вклад локального среднего напряжения в линейном приближении, адекватно описывают отклик микроскопических представительных объемов хрупких пористых материалов в стесненных условиях только от начала неупругого деформирования до стадии формирования системы относительно коротких невзаимодействующих трещин. Важно отметить, что разупрочнение представительных микрообъемов хрупких пористых материалов, деформируемых в стесненных условиях, связано не с потерей целостности, но с более поздними процессами формирования полос локализованного сдвига и коллапсом пор в уже фрагментированном материале. Это дает основания предполагать, что экспериментально измеряемые значения прочности стесненных образцов как максимума интегрального сопротивления могут быть существенно завышены по сравнению с истинными значениями (соответствующими фрагментации образцов). Установлено, что условия потери целостности хрупких пористых материалов в стесненных условиях адекватно описываются с использованием «линейных» критериев разрушения, параметры которых определены не из стандартных испытаний на одноосные сжатие/растяжение, но на основе тестирования образцов в стесненных условиях.

Еще

Хрупкий пористый материал, неупругая деформация, полоса локализованного сдвига, катакластическое течение, разрушение, функция текучести, прочность, компьютерное моделирование, метод подвижных клеточных автоматов

Короткий адрес: https://sciup.org/146211662

IDR: 146211662   |   УДК: 51-71:51-74:539.411:539.412:539.42   |   DOI: 10.15593/perm.mech/2017.1.12

The possibilities and limitations of the homogenized description of inelastic behavior of brittle porous materials under constrained conditions

The paper presents the results of studying inelastic deformation and fracture of microscopic regions of porous brittle materials under triaxial compression using the movable cellular automaton method. The study is focused on analyzing the applicability of the classical macroscopic criteria of plasticity and strength for the integral description of the mechanical response of microscopic representative volumes. We analyzed the dependence of the parameters of the integral mechanical response of the microscopic regions on the value of porosity, spatial distribution of pores and strength of the material in the skeleton walls. Main stages of the process of damage accumulation and growth in the skeleton walls and its manifestation in the integral inelastic response of the considered microscopic region are investigated by the example of the axial compression of the samples under constant lateral pressure. It is shown that the increase in the value of the lateral pressure leads to a change in the fracture type of the porous material from the elastic-brittle fracture to the formation of the shear localization zone (shear band) and then (at higher lateral pressures) to the spatially distributed cataclastic flow. The characteristic threshold values of the lateral pressure at which the failure mechanism starts to change, mostly depend on the sensitivity of the skeleton wall strength to the local pressure. The analysis of the simulation results showed that the conventional plasticity conditions (criteria) which take into account the contribution of the local average stress in the linear approximation, are able to adequately describe the response of the microscopic representative volumes of brittle porous materials under constrained conditions only from the beginning of inelastic deformation to the stage of the formation of the system of non-interacting relatively short cracks. It is important to note that the softening of the representative microvolumes of brittle porous materials under constrained conditions is concerned not with the loss of integrity of the sample, but with subsequent processes of forming the localized shear bands and pore collapse in the already fragmented material. This gives reason to believe that the experimentally determined strength of the constrained sample as the maximum resistance force may be significantly overestimated in comparison to the true value (corresponding to the fragmentation of the material). It is established that the conditions for the loss of integrity of brittle porous materials under constrained conditions are adequately described using the "linear" failure criteria with the parameters determined not by standard uniaxial compression/tension tests but by multiaxial compression tests.

Еще

Список литературы О возможностях и ограничениях усредненного описания неупругого поведения хрупких пористых материалов в стесненных условиях

  • Brace W.F. Volume changes during fracture and frictional sliding: a review//Pure Appl. Geophys. -1978. -Vol. 116. -P. 603-614.
  • Wong T.-F., David C., Zhu W. The transition from brittle faulting to cataclastic flow in porous sandstones//J. Geophys. Res. -1997. -Vol. 102. -P. 3009-3025.
  • Baud P., Vajdova V., Wong T.-F. Shear-enhanced compaction and strain localization: mechanical data and constitutive parameters for porous sandstones//J. Geophys. Res. -2006. -Vol. 111. -P. B12401-1-B12401-17.
  • Influence of grain size and geothermal gradient on the ductile-to-brittle transition in arenaceous sedimentary rocks: implications for fault structure and fluid flow/Q.J. Fisher, S.D. Harris, M. Casey, R.J. Knipe//Geological Society, London, Special Publications. -2007. -Vol. 289. -P. 105-121.
  • Стефанов Ю.П. Численное моделирование деформирования и разрушения горных пород на примере расчета поведения образцов песчаника//ФТПРПИ. -2008. -№ 1. -С. 73-83.
  • Гольдштейн Р.В., Осипенко Н.М. Модель хрупкого разрушения пористых материалов при сжатии//Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. -2009. -№ 17. -С. 47-57.
  • Deformation bands in porous carbonate grainstones: field and laboratory observations/A. Cilona, P. Baud, E. Tondi, F. Agosta, S. Vinciguerra, A. Rustichelli, C.J. Spiers//J. Struct. Geol. -2012. -Vol. 45. -P. 137-157.
  • Wong T.-F., Baud P. The brittle-ductile transition in porous rock: A review//J. Struct. Geol. -2012. -Vol. 44. -P. 25-53.
  • Rutter E.H., Glover C.T. The deformation of porous sandstones; are Byerlee friction and the critical state line equivalent?//J. Struct. Geol. -2012. -Vol. 44. -P. 129-140.
  • Стефанов Ю.П. Моделирование поведения консолидированных и высокопористых геологических сред в условиях сжатия//Вестник Перм. гос. техн. ун-та. -2007. -№ 15. -С. 156-169.
  • Jaeger C. Rock Mechanics and Engineering. -Cambridge University Press, 2009. -523 p.
  • Николаевский В.Н. Собрание трудов. Геомеханика. Т. 3. Землетрясения и эволюция коры. Скважины и деформации пласта. Газоконденсат/НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», Институт компьютерных исследований. -М.-Ижевск, 2012. -644 с.
  • Paterson M.S., Wong T.-F. Experimental rock deformation -the brittle field. -Springer-Verlag, New York, 2005. -347 p.
  • Frank F.C. On dilatancy in relation to seismic sources//Rev. Geophys. -1965. -Vol. 3. -P. 485-503.
  • Brace W.F., Paulding B.W. Jr., Scholz C. Dilatancy in the fracture of crystalline rocks//J. Geophys. Res. -1966. -Vol. 71. -P. 3939-3956.
  • Nur A. A note on the constitutive law of dilatancy//Pure Appl. Geophys. -1975. -Vol. 113. -P. 197-206.
  • Baud P., Schubnel A., Wong T.-F. Dilatancy, compaction and failure mode in Solnhofen limestone//J. Geophys. Res. -2000. -Vol. 105. -P. 19289-19303.
  • Vajdova V., Baud P., Wong T.-F. Compaction, dilatancy and failure in porous carbonate rocks//J. Geophys. Res. -2004. -Vol. 109. -P. B05204-1-B05204-16.
  • 3D simulation of dependence of mechanical properties of porous ceramics on porosity/A.Yu. Smolin, N.V. Roman, Ig.S. Konovalenko, G.M. Eremina, S.P. Buyakova, S.G. Psakhie//Eng. Fract. Mech. -2014. -Vol. 130. -P. 53-64.
  • Давыдова М.М., Уваров С.В., Наймарк О.Б. Пространственно-временная масштабная инвариантность при динамической фрагментации квазихрупких материалов//Физическая мезомеханика. -2015. -Т. 18, № 1. -С. 100-107.
  • Sammis C.G., Ashby M.F. The failure of brittle porous solids under compressive stress states//Acta. Metall. -1986. -Vol. 34. -P. 511-526.
  • Ashby M.F., Sammis C.G. The damage mechanics of brittle solids in compression//Pure Appl. Geophys. -1990. -Vol. 133. -P. 489-521.
  • Tsukrov I, Kachanov M. Stress concentrations and microfracturing patterns in a brittle elastic solid with interacting pores of diverse shapes//Int. J. Solids Struct. -1997. -Vol. 34. -P. 2887-2904.
  • Романова В.А., Балохонов Р.Р. 3D-анализ напряженного состояния пористой керамики на основе диоксида циркония на начальной стадии сжатия//Физическая мезомеханика. -2007. -Т. 10, № 2. -С. 63-67.
  • Shipton Z.K., Cowie P.A. Damage zone and slip-surface evolution over mkm to km scales in high-porosity Navajo sandstone, Utah//J. Struct. Geol. -2001. -Vol. 23. -P. 1825-1844.
  • Makowitz A., Milliken K.L. Quantification of brittle deformation in burial compaction. Frio and Mount Simon Formation sandstones//J. Sediment. Res. -2003. -Vol. 73. -P. 1007-1021.
  • The impact of constitutive modeling of porous rocks on 2-D wellbore stability analysis/L. Coelho, A.C. Soares, N.F.F. Ebecken, J.L. Drummond Alves, L. Landau//J. Petrol. Sci. Eng. -2005. -Vol. 46. -P. 81-100.
  • Sheldon H.A., Barnicoat A.C., Ord A. Numerical modelling of faulting and fluid flow in porous rocks: an approach based on critical state soil mechanics//J. Struct. Geol. -2006. -Vol. 28. -P. 1468-1482.
  • Yarushina V., Podladchikov Y. Low-frequency attenuation due to pore-scale inelasticity//Geophysics. -2010. -Vol. 75. -P. 51-63.
  • Стефанов Ю.П. Некоторые особенности численного моделирования поведения упруго-хрупкопластических материалов//Физическая мезомеханика. -2005. -Т. 8, № 3. -С. 129-142.
  • Нелинейная механика геоматериалов и геосред/П.В. Макаров /отв. ред. Л.Б. Зуев. -Новосибирск: Гео, 2007. -235 с.
  • DiMaggio F.L., Sandler I.S. Material model for granular soils//J. Eng. Mech. ASCE. -1971. -Vol. 97. -P. 935-950.
  • Carroll M.M. A critical state plasticity theory for porous reservoir rock. In: M. Massoudi, K.R. Rajagopal (Eds.), Recent Advances in Mechanics of Structured Continua. -ASME AMD, 1993. -Vol. 117. -P. 1-5.
  • Стефанов Ю.П. Методы численного моделирования деформации и разрушения в геомеханике//Современная тектонофизика. Методы и результаты. Школа-2015: материалы четвертой молодежной тектонофизической школы-семинара. -2015. -Т. 2. -С. 77-103.
  • Rudnicki J.W., Rice J.R. Condition for localization of plastic deformation in pressure sensitive dilatant materials//J. Mech. Phys. Solids. -1975. -Vol. 23. -P. 371-390.
  • Замышляев Б.В., Евтерев Л.С. Модели динамического деформирования и разрушения грунтовых сред. -М.: Наука, 1990. -215 с.
  • Hazzard J.F., Young R.P., Maxwell S.C. Micromechanical modeling of cracking and failure in brittle rocks//J. Geophys. Res. -2000. -Vol. 105. -P. 16683-16697.
  • Grueschow E., Rudnicki J.W. Elliptic yield cap constitutive modeling for high porosity sandstone//Int. J. Solids Struct. -2005. -Vol. 42. -P. 4574-4587.
  • Dynamics of inelastic deformation of porous rocks and formation of localized compaction zones studied by numerical modeling/Y.P. Stefanov, M.A. Chertov, G.R. Aidagulov, A.V. Myasnikov//J. Mech. Phys. Solids. -2011. -Vol. 59. -P. 2323-2340.
  • Развитие подхода к моделированию деформирования и разрушения иерархически организованных гетерогенных, в том числе контрастных, сред/С.Г. Псахье //Физическая мезомеханика. -2011. -Т. 14, № 3. -С. 27-54.
  • A mathematical model of particle-particle interaction for discrete element based modeling of deformation and fracture of heterogeneous elastic-plastic materials/S.G. Psakhie, E.V. Shilko, A.S. Grigoriev, S.V. Astafurov, A.V. Dimaki, A.Yu. Smolin//Eng. Fract. Mech. -2014. -Vol. 130. -P. 96-115.
  • Overcoming the limitations of distinct element method for multiscale modeling of materials with multimodal internal structure/E.V. Shilko, S.G. Psakhie, S. Schmauder, V.L. Popov, S.V. Astafurov, A.Yu. Smolin//Comp. Mater. Sci. -2015. -Vol. 102. -P. 267-285.
  • Mustoe G.G.W. A generalized formulation of the discrete element method//Eng. Computation. -1992. -Vol. 9. -P. 181-190.
  • Potyondy D.O., Cundall P.A. A bonded-particle model for rock//Int. J. Rock Mech. Min. Sci. -2004. -Vol. 41. -P. 1329-1364.
  • Jing L., Stephansson O. Fundamentals of discrete element method for rock engineering: theory and applications. -Elsevier, 2007. -562 p.
  • Micromechanics of inelastic compaction in two allochemical limestones/V. Vajdova, P. Baud, L. Wu, T.-f. Wong//J. Struct. Geol. -2012. -Vol. 43. -P. 100-117.
  • Detournay E., Cheng A.H.-D. Fundamentals of poroelasticity. Chapter 5 in Comprehensive Rock Engineering: Principles, Practice and Projects. Vol. II. Analysis and Design Method/ed. C. Fairhurst. -Pergamon Press, 1993. -P. 113-171.
  • Labuz J.F., Dai S.-T., Papamichos E. Plane-strain compression of rock-like materials//Int. J. Rock Mech. Min. Sci. Geomech. Abstr. -1996. -Vol. 33. -P. 573-584.
  • Друккер Д., Прагер В. Механика грунтов и пластический анализ или предельное проектирование//Механика. Новое в зарубежной науке. Вып. 2. Определяющие законы механики грунтов. -М.: Мир, 1975. -С. 166-177.
  • Alejano L.R., Bobet A. Dricker-Prager criterion//Rock. Mech. Rock Engrg. -2012. -Vol. 45. -P. 995-999.
  • Sevostianov I., Kushch V. Effect of pore distribution on the statistics of peak stress and overall properties of porous material//Int. J. Solids Struct. -2009. -Vol. 46. -P. 4419-4429.
  • Zhang L., Cao P., Radha K.C. Evaluation of rock strength criteria for wellbore stability analysis//Int. J. Rock. Mech. Min. Sci. -2010. -Vol. 47. -P. 1304-1316.
  • Al-Ajmi A.M., Zimmerman R.W. Stability analysis of vertical boreholes using the Mogi-Coulomb failure criterion//Int. J. Rock. Mech. Min. Sci. -2006. -Vol. 43. -P. 1200-1211.
  • Colmenares L.B., Zoback M.D. A statistical evaluation of intact rock failure criteria constrained by polyaxial test data for five different rocks//Int. J. Rock. Mech. Min. Sci. -2002. -Vol. 39. -P. 695-729.
Еще