Читайте также:
|
Теперь рассмотрим другие два сечения общей поверхности деформирования, а именно сечения в плоскостях «s - t» и «e- t», т.е. с учётом координаты «время».
Вообще при уменьшении скорости деформирования или скорости нагружения начинает проявляться реономность (зависимость от времени) механических свойств горных пород: проявляются так называемые реологические свойства горных пород.
Реологические свойства характеризуют изменение (рост) во времени деформаций в горных породах при постоянном напряжении (явление ползучести ), либо ослабление (уменьшение) напряжений при постоянной деформации (явление релаксации). Ползучесть и релаксация также как и пластические деформации, являются необратимыми, остаточными, но если пластичность пород характеризует их поведение при напряжениях, превышающих предел упругости, то ползучесть, представляющая собой медленное нарастание необратимых деформаций, проявляется и при напряжениях, меньших предела упругости, но при достаточно длительном воздействии нагрузок. Явление, обратное ползучести, называют релаксацией напряжений. При релаксации упругие деформации в породе с течением времени постепенно переходят в необратимые, но общая деформация во времени не изменяется. При этом происходит падение напряжений.
Подобные процессы вообще характерны для реальных твердых материалов, они являются предметом изучения специальной научной дисциплины—реологии (от греческого «рео»— течь) и имеют глубокую физико-химическую природу. Весьма существенную роль в проявлении необратимых деформаций играют дефекты структуры материалов. Поэтому реологические процессы в принципе можно рассматривать как перемещение дефектов под воздействием внешних нагрузок. Однако исключительная сложность определения молекулярных констант и разнообразие микроструктур реальных твердых тел не позволяют в настоящее время применять уравнение связи между напряжениями и деформациями тел на микроскопическом уровне. Вследствие этого изучение деформируемости твердых тел во времени, в том числе и горных пород, проводят на макроскопическом (феноменологическом) уровне, выражая взаимосвязи напряжений и деформаций в формализованных (т. е. не учитывающих реального механизма протекающих явлений) уравнениях механики сплошных сред.
Весьма характерной чертой реологических процессов, в частности ползучести, является зависимость деформации, наблюдаемой в данный момент времени, от характера всего процесса нагружения материала, или, другими словами, от всей предыдущей истории его деформирования. Это свойство реальных материалов называют наследственностью.
Особенностью большинства горных пород, как показывают эксперименты, является практически линейная зависимость между приращениями деформаций и приращениями напряжений в любой момент времени, т. е. проявление линейной ползучести. Это позволяет применять для описания деформирования горных пород во времени теорию деформирования линейных наследственных сред. При этом полная деформация в любой момент времени слагается из двух составляющих: упругой деформации в момент приложения нагрузки и собственно деформации ползучести.
В качестве характеристики реологических свойств пород используют также период релаксации — время, в течение которого напряжение убывает в е раз (е = 2,72 — основание натуральных логарифмов). Период релаксации зависит от начального уровня напряжений и степени вязкости пород. Для прочных горных пород значения периода релаксации очень велики, оцениваются в сотни тысяч лет и даже более.
Особенности длительного деформирования на допредельной и предельной стадиях изучены достаточно полно (рис. 3.2).
Рис.3.2. Графики экспериментального исследования реологических свойств горных пород.
На рис. 3.2 а показаны соответствующие участки диаграмм деформирования, построенные при быстром (график 1) и медленном (график 2) деформировании горных пород в условиях одноосного сжатия.
Если испытания, осуществляемые по диаграмме 1, остановить в точке а с координатами σ1а и ε1а и обеспечить режим заданной нагрузки σ1а на длительное время, не ограничивая деформаций, будет наблюдаться явление ползучести горных пород ε1(t), которое приведет к увеличению деформаций до уровня ε1b, соответствующего точке b на диаграмме длительных испытаний 2.
Если испытания остановить в той же точке а и обеспечить на длительное время режим заданных деформаций ε1а, будет наблюдаться явление релаксации напряжений σ1(t) в горных породах, которое приведет к уменьшению напряжений до уровня σ1c, соответствующего точке с на диаграмме 2.
Наконец, если в испытаниях по диаграмме 1 в точке а значительно уменьшить скорость деформирования, будут наблюдаться одновременно явления ползучести и релаксации напряжений, которые увеличат деформации до уровня ε1d и уменьшат напряжения до уровня σ1d, соответствующих точке d на диаграмме 2.
Экспериментальное исследование реологических свойств горных пород обычно сводится к построению графиков ползучести горных пород ε1(t) при фиксированных напряжениях σ1.
В качестве иллюстрации на рис. 3.2б показано семейство графиков ползучести ε1(t) для замороженного песка. На графике ε1(t) при σ1 = 7,0 МПа разграничены характерные участки деформирования, соответствующие определенным стадиям деформирования. Участок О а соответствует начальной условно-мгновенной деформации. В зависимости от уровня напряжений σ1 деформация ε1 может быть как упругой, связанной с упругим сжатием минерального скелета, так и частично необратимой, обусловленной микроразрушениями.
На участке аb наблюдается неустановившаяся или затухающая ползучесть (ε1‘→ 0), для которой также характерны как упругие, так и необратимые деформации. Участок bс соответствует стадии установившейся ползучести (ε1‘ = соnst), характеризующейся разрушением структурных связей, что при снятии нагрузки приводит лишь к частичному восстановлению деформаций. Заключительный участок cd соответствует стадии прогрессирующей ползучести (ε1‘→ ∞), на которой наблюдаются интенсификация процесса разрушения, появление трещин и, наконец, разрушение образца породы.
Рассмотренный график ε1(t) описывает наиболее общий случай ползучести горных пород. В зависимости от уровня действующих напряжений σ1 и типа конкретных горных пород некоторые стадии деформирования могут наблюдаться в течение ограниченных промежутков времени или вообще отсутствовать.
Если установить уровень действующих напряжений σ1, не приводящий к прогрессирующей ползучести и разрушению, и построить соответствующие графики ползучести ε1(t) для различных горных пород, то можно выделить два основных типа пород по реологическим свойствам (рис. 3.3).
Рис.3.3. Графики ползучести горных пород.
К первому типу относятся породы, ползучесть которых имеет ограниченный характер (график 1). Это в основном твердые горные породы: слабые и крепкие глинистые сланцы, песчаники, песчанистые сланцы, аргиллиты, алевролиты, известняки, кварциты, граниты и др.
Ко второму типу относятся горные породы, при ползучести которых не прослеживается предельный уровень деформаций (график 2). Это связные или глинистые породы.
На рис. 3.2в приведены графики деформирования при различном времени нагружения. Если время нагружения t → 0, то график деформирования (на рис. 3.2в не показан) будет соответствовать практически мгновенному нагружению образца и характеризоваться значениями мгновенного или динамического модуля деформации Е0. При реальных значениях времени нагружения (на рис. 3.2в – 1,2,3,4 и 5 ч) наблюдается постепенное увеличение деформаций при соответственных значениях напряжений, что характеризуется более низкими значениями модулей деформации по сравнению с режимом мгновенного нагружения (Е5<Е4<Е3<Е2<Е1<Е0). При t → ∞ диаграмма деформирования соответствует условиям длительного нагружения и характеризуется статическим модулем деформации или предельным модулем длительной упругостиЕ∞. Статический модуль деформации Е∞ для широкого класса горных пород в 1.1-1.6 раза меньше динамического Е0.
На рис. 3.2г приведена зависимость прочности образца от времени приложения нагрузок. Начальная ордината графика соответствует пределу мгновенной прочности [sсж], а асимптота – пределу длительной прочности [s]¥.
Реологические испытания, выполненные во ВНИМИ позволили установить, что величина отношения [s]¥/[sсж] для мёрзлых грунтов составляет 0.08-0.35, для слабых и пластичных пород – 0.3-0.7, для пород средней прочности и крепких – 0.7-0.95.
На запредельной стадии деформирования реологические параметры характеризуют деформирование уже фактически разрушенных пород. При этом характерной особенностью является высокая скорость снижения прочностных параметров до уровня остаточной прочности. Практически полное снижение прочности происходит за время t = 100-1000 c.
Дата добавления: 2015-07-15; просмотров: 341 | Нарушение авторских прав
| <== предыдущая страница | | | следующая страница ==> |
| Отношение модуля спада М к модулю деформации Е | | | Горнотехнологические свойства горных пород. |