Експериментальне дослідження зсувного деформування середовища, утвореного масивом ребристих гранул
DOI:
https://doi.org/10.24028/gzh.v43i2.230197Анотація
Підхід до вивчення сейсмоактивної зони як відкритої системи, що перебуває в стані самоорганізованої критичності, набуває усе ширшого застосування у сучасних дослідженнях. Моделі, що використовують за такого підходу, мають відображати найхарактерніші риси подібних середовищ: дискретність, нерівноважність, неліній- ний та нелокальний характер взаємодій. Розглянуто середовище, яке змодельовано гранульованим масивом з гранулами ребристої форми. Досліджено три різні масиви. В межах одного масиву усі гранули однакові, тоді як гранули з різних масивів різняться за формою (кубічна або неправильна ребриста) та характерними розмірами. Виконано ряд експериментів зсувного деформування таких гранульованих масивів з метою вивчення впливу форми та розмірів гранул на статистичні характеристики процесу. Вивчено вплив напруженого стану на деформаційні властивості вказаних середовищ. Експериментально доведено якісну подібність поведінки різних гра- нульованих середовищ. Отримані експериментально стрибки сил, які є реакцією гранульованого середовища на деформацію зсуву, розподілені за степеневим законом. Однак величини сил, що виникають у масивах, залежать від форми, розмірів гранул і напруженого стану в масивах. Експерименти зі зсувним деформуванням гранульованих середовищ за зовнішньої дії малих імпульсних напружень показали, що така дія зумовлює більш плавне, позбавлене різких стрибків деформування. Зовнішні збурення зміщують розподіли стрибків сил у бік менших значень, залишаючи незмінними їх показники степеня.
Аналіз експериментальних результатів з використанням неадитивної статистичної механіки підтверджує наявність далекодійних кореляцій у масиві ребристих гранул у разі його зсувного деформування.
Посилання
Agioutantis, Z., Kaklis, K., Mavigiannakis, S., Verigakis, M., Vallianatos, F., & Saltas, V. (2016). Potential of acoustic emissions from three point bending tests as rock failure precursors. International Journal of Mining Science and Technology, 26(1), 155-160. https://doi.org/10.1016/j.ijmst.2015.11.024.
Alexeevskaya, M., Gabrielov, A., Gvishiani, A., Gel’fand, I., & Ya, E. (1977). Formal morphostructural zoning of mountain territories. Journal of Geophysics, 43(1), 227-233.
Behringer, R.P., Howell, D., Kondic, L., Tennakoon, S., & Veje, C. (1999). Predictability and granular materials. Physica D, 133, 1-17. https://doi.org/10.1016/S0167-2789(99)00094-9.
Ben-Zion, Y., & Sammis, G.S. (2003). Characterization of fault zones. Pure and Applied Geophysics, 160, 677-715. https://doi.org/10.1007/PL00012554.
Billi, A., & Storti, F. (2004). Fractal distribution of particle size in carbonate cataclastic rocks from the core of a regional strike-slip fault zone. Tectonophysics, 384, 115-128. https://doi.org/10.1016/j.tecto.2004.03.015.
Boghosian, B.M. (1996). Thermodynamic description of the relaxation of two-dimensional turbulence using Tsallis statistics. Physical Review E, 53(5), 4754-4763. https://doi.org/10.1103/physreve.53.4754.
Geller, D.A., Ecke, R.E., Dahmen, K.A., & Backhaus, S. (2015). Stick-slip behavior in a continuum-granular experiment. Physical Review E, 92, 060201(R). https://doi.org/10.1103/PhysRevE.92.060201.
Howell, D., Behringer, R.P., & Veje, C. (1999). Stress fluctuations in a 2D granular Couette experiment: A continuous transition. Physical Review Letters, 82(26), 5241-5244. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.82.5241.
Hayman, N.W., Duclouй, L., Foco, K.L., & Daniels, K.E. (2011). Granular controls on periodicity of stick-slip events: kinematics and for-ce-chains in an experimental fault. Pure and Applied Geophysics, 168, 2239-2257. https://doi.org/10.1007/s00024-011-0269-3.
Indraratna, B., Ngo, N., Rujikiatkamjorn, C., & Vinod, J. (2014). Behavior of fresh and fouled railway ballast subjected to direct shear testing: Discrete element simulation. International Journal of Geomechanics, 14(1), 34-44. https://doi.org/10.1061/(ASCE)GM.1943-5622.0000 264.
Keilis-Borok, V.I., & Soloviev, A.A. (2003). Non-linear dynamics of the lithosphere and earthquake prediction. Springer, Berlin. 337 p.
Kendzera, O.V., Mykulyak, S.V., Semenova, Yu.V., & Skurativskyi, S.I. (2020a). Modeling of seismic response of soil layer within the framework of nonlocal model of continuous medium. Geofizicheskiy Zhurnal, 42(3), 47-58 (in Ukrainian). https://doi.org/10.24028/gzh.0203-3100.v42i3.2020.204700.
Kendzera, O.V., Mykulyak, S.V., Semenova, Yu.V., Skurativska, I.A., & Skurativskyi, S.I. (2020b). Assessment of seismic response of a soil layer with the oscillating inclusions. Geofizicheskiy Zhurnal, 42(4), 3-17. https://doi.org/10.24028/gzh.0203-3100.v42i4.2020.210669.
Kocharyan, G.G., & Spivak, А.А. (2003). Deformation dynamics of block rock massifs. Moscow: IKC Akademkniga, 423 p. (in Russian).
Kumar, P., Korkolis, E., Benzi, R., Denisov, D., Niemeijer, A, Schall, P., Toschi, F., & Trampert, J. (2020). On interevent time distributions of avalanche dynamics. Scientific Reports, 10(1), 626. https://doi.org/10.1038/s41598-019-56764-6.
Lherminier, S., Planet, R., Levy dit Vehel, V., Simon, G., Vanel, L., Mеlшy, K.J., & Ramos. O. (2019). Continuously sheared granular matter reproduces in detail seismicity laws. Physical Review Letters, 122, 218501. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.218501.
Loveless, J.P., & Meade, B.J. (2011). Stress modulation on the San Andreas fault by interseismic fault system interactions. Geology, 39(11), 1035-1038. https://doi.org/10.1130/G32215.1.
McCaffrey, R. (2005). Block kinematics of the Pacific-North America plate boundary in the southwestern United States from inversion of GPS, seismological, and geologic data. Journal of Geophysical Research, 110, B07401. https://doi.org/10.1029/2004JB003307.
Meade, B.J., & Hager, B.H. (2005). Block models of crustal motion in southern California constrained by GPS measurements. Journal of Geophysical Research, 110, B03403. https://doi.org/10.1029/2004JB003209.
Meroz, Y., & Meade, B.J. (2017). Intermittent granular dynamics at a seismogenic plate boundary. Physical Review Letters, 119, 138501. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.119.138501.
Michas, G., Vallianatos, F., & Sammonds, P. (2013). Non-extensivity and long-range correlations in the earthquake activity at the West Corinth rift (Greece). Nonlinear Processes in Geophysics, 20, 713-724. https://doi.org/10.5194/npg-20-713-2013.
Mykulyak, S.V. (2019). The regularities of the dynamics of structured geomedia: theory, model, experiment. Extended abstract of Doctor′s thesis. Kyiv. 37 p. (in Ukrainian).
Mykulyak S., Kulich V., & Skurativskyi S. (2019a). Simulation of shear motion of angular grains massif via the discrete element method. In Z. Hu, S. Petoukhov, I. Dychka, M. He (Eds.), Advances in Computer Science for Engineering and Education. ICCSEEA 2018. Advances in Intelligent Systems and Computing (Vol. 754, pp. 74-81). Springer. https://doi.org/10.1007/978-3-319-91008-6_8.
Mykulyak, S.V., Polyakovskyi, V.O., & Skurativskyi, S.I. (2019b). Statistical properties of shear deformation of granular media and analogies with natural seismic processes. Pure and Applied Geophysics, 176, 4309-4319. https://doi.org/10.1007/s00024-019-02209-0.
Nikolaevskiy, V.N. (1996). Geomechanics and fluid dynamics. Moscow: Nedra, 447 p. (in Russian).
Pruessner, G. (2012). Self-organized criticality. Theory, Models and Characterization. Cambridge University Press, 493 p.
Ramirez-Reyes, A., Raul, Hernandez-Montoya A., Herrera-Corral, G., & Dominguez-Jimenez, I. (2016). Determining the entropic index q of Tsallis entropy in images through redundancy. Entropy, 18(14), 299. https://doi.org/10.3390/e18080299.
Sadovskiy, M.A. (1989). On the meaning and sense of discreteness in geophysics: In Discrete properties of the geophysical medium (pp. 5-14). Moscow: Nauka (in Russian).
Sadovskiy, M.A., Bolkhovitinov, L.G., & Pisarenko, V.F. (1982). On the property of discreteness of rocks, Izvestiya Akademii Nauk SSSR. Fizika Zemli, 12, 3-18 (in Russian).
Sadovskiy, M.A., Bolkhovitinov, L.G., & Pisarenko, V.F. (1987). Deformation of the medium and seismic process. Moscow: Nauka, 100 p. (in Russian).
Saltas, V., Vallianatos, F., Triantis, D., & Stavrakas, I. (2018). Complexity in laboratory seismology: From electrical and acoustic emissions to fracture. In T. Chelidze, L. Telesca, & F. Vallianatos (Eds.), Complexity of seismic time series; measurement and Application (pp. 239-273). Amsterdam: Elsevier. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-813138-1.00008-0.
Tsallis, C. (2004). Nonextensive statistical mechanics: Construction and physical interpreta-tion. In M. Gell-Mann, & C. Tsallis (Eds.), Non-extensive Entropy: Interdisciplinary Applications (Santa Fe Institute Studies on the Sciences of Complexity) (pp. 1-53). Oxford: Oxford University Press.
Vallianatos, F., Benson, P., Meredith, P., & Sammonds, P. (2012). Experimental evidence of a non-extensive statistical physics behavior of fracture in triaxially deformed Etna basalt using acoustic emissions. Europhysics Letters, 97(5), 58002. https://doi.org/10.1209/0295-5075/97/58002.
Vallianatos, F., Karakostas, V., & Papadimitriou, E. (2014). A nonextensive statistical physics view in the spatiotemporal properties of the 2003 (Mw 6.2) Lefkada, Ionian Island Greece, aftershock sequence. Pure and Applied Geophysics, 171(7), 1343-1534. https://doi.org/10.1007/s00024-013-0706-6.
Vallianatos, F., Michas, G., & Papadakis, G. (2016a). A description of seismicity based on non-extensive statistical physics: A review. In Earthquakes and their impact on society (pp.1-41). Springer. https://doi.org/10.1007/978-3-319-21 753-6.
Vallianatos, F., Papadakis, G., & Michas, G. (2016b). Generalized statistical mechanics approaches to earthquakes and tectonics. Proceedings of the Royal Society A, 472, 2196. https://doi.org/10.1098/rspa.2016.0497.
Vallianatos, F., Michas, G., & Papadakis, G. (2018). Non-extensive statistical seismology: An overview. In T. Chelidze, L. Telesca, & F. Vallianatos (Eds.), Complexity of seismic time series; measurement and application (pp. 25-59). Amsterdam: Elsevier.
Zhao, D., Nezami, E.G., Hashash, Y.M.A., & Ghaboussi, J. (2006). Three-dimensional discrete element simulation for granular materials. Engineering Computations, 23, 749-770. https://doi.org/10.1108/02644400610689884.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
1. Автори зберігають за собою авторські права на роботу і передають журналу право першої публікації разом з роботою, одночасно ліцензуючи її на умовах Creative Commons Attribution License, яка дозволяє іншим поширювати дану роботу з обов'язковим зазначенням авторства даної роботи і посиланням на оригінальну публікацію в цьому журналі .
2. Автори зберігають право укладати окремі, додаткові контрактні угоди на не ексклюзивне поширення версії роботи, опублікованої цим журналом (наприклад, розмістити її в університетському сховищі або опублікувати її в книзі), з посиланням на оригінальну публікацію в цьому журналі.
3. Авторам дозволяється розміщувати їх роботу в мережі Інтернет (наприклад, в університетському сховище або на їх персональному веб-сайті) до і під час процесу розгляду її даними журналом, так як це може привести до продуктивної обговоренню, а також до більшої кількості посилань на дану опубліковану роботу (Дивись The Effect of Open Access).
