Пластические и реологические свойства пород

Приложение к породам нагрузок, превышающих их пределы упругости, приводит к возникновению необратимых пластических деформаций, в области которых исчезает пропорциональность между величиной деформации и нагрузкой. При этом наблюдается увеличение скорости роста деформаций с повышением нагрузки и даже при постоянных или уменьшающихся нагрузках.

Пластическая деформация в породах обусловлена внутризеренным и межзеренным скольжением (постепенное соскальзывание атомов в кристаллической решетке с одного на другой, сдвиг зерен по определенным плоскостям и направлениям под действием нагрузок). Значительную роль во внутреннем скольжении играют дислокации – сдвиги одной части кристалла относительно другой или линии искажения, проходящие вдоль края линий атомной плоскости. Для поддержания деформирования в породе необходимо увеличивать напряжение.

Пластическая деформация происходит без нарушения сплошности тела. Пластичность горных пород зависит от их минерального состава. Наличие жестких кварцевых зерен и полевого шпата в породе уменьшает ее пластичность.

В углях наблюдается зависимость пластичности от содержания в них углерода. При переходе от слабометаморфизированных углей к антрацитам их пластичность уменьшается в тридцать раз.

Характерно, что повышение пластичности в породах сопровождается, как правило, снижением их модуля упругости. В то же время коэффициент Пуассона с увеличением пластичности пород растет.

Длительное действие нагрузок на породы приводит к изменению их напряженно-деформированного состояния. Если при этом возможно свободное перемещение частиц породы, наблюдается непрерывное деформирование ее. При ограниченной величине деформации породы в ней происходит снижение напряжения, несмотря на постоянные внешние нагрузки. Явление изменения деформаций и напряжений в горных породах под действием нагрузки во времени описываются реологическими свойствами.

Постоянный рост деформаций во времени показывается ползучестью пород (крипом). Явление ползучести – это то же пластическое деформирование горной породы, только происходящее во времени. Ползучесть может проявляться даже при напряжениях, не превышающих предела упругости. Кривая ползучести состоит из 3 отрезков, соответствующим трем основным стадиям деформации:

I – неустановившаяся ползучесть;

II – установившееся состояние ползучести породы при постоянной нагрузке;

III – возрастание скорости деформации и наступление момента разрушения породы.

Деформация ползучести горных пород в любой момент времени (t) зависит от предыстории нагружения. Это свойство называется наследственностью.

Значительная ползучесть присуща глинам, аргиллитам, глинистым сланцам.

Ползучесть зависит от направления приложения нагрузки. Так, наибольшие деформации ползучести (ε _п) наблюдаются при нагрузках, приложенных перпендикулярно к слоистости, причем отношение ε п_┴ / ε п_║ = 1, 5. Как известно, упругие деформации также больше в этом направлении. Если зафиксированные деформации не изменяются во времени, то dσ /dt = − σ /t_о, т.е наблюдается постоянное снижение напряжений во времени.

Такое явление, обратное ползучести, называется релаксацией напряжений. Релаксация представляет собой ползучесть при напряжении, которое уменьшается пропорционально нарастающей пластической деформации. Таким образом, ползучесть и релаксация – два проявления одного и того же реологического процесса.

При релаксации возникшие в первый момент упругие деформации постепенно переходят в пластические. В результате после снятия нагрузки образец не восстанавливает своей первоначальной формы даже тогда, когда исходные напряжения не превышают предел упругости породы.

Установлено, что во многих случаях связь между нормальными (σ) и касательными (τ) носит экспоненциальный характер:

σ = σ _ое ^-t/τ , (2.7)

где σ _о – первоначальное напряжение;

t – момент времени;

τ _о – период релаксации.

Период релаксации большинства горных пород очень велик: у скальных пород – 100− 1000 лет, у стекла – 100 лет, а у воды - 10− 11 с.

На практике для характеристики реологических свойств пород при меньшей длительности нагружения часто используют относительный показатель падения напряжений в породе (R, %) за определенный период времени (неделю, месяц и т.д.):

R = [ (σ _о − σ _t) / σ _t ] · 100. (2.8)