книги / Экспериментальная физика и механика горных пород
..pdf2.8.Эффекты последействия
вгорных породах, вызванные предшествующей необратимой деформацией
Необратимые и пластические деформации всех твердых тел со провождаются тем, что после снятия внешних деформирующих на грузок в телах образуются внутренние остаточные напряжения, ко торые вызывают последующие деформации тел, именуемые дефор мациями последействия. Эти деформации по своей физической сущности являются деформациями ползучести при постепенно снижающемся уровне остаточных напряжений.
Явление последействия проявляется у большого круга различных материалов и металлов при деформировании их до уровня напряже ний ниже предела упругости. Эти явления принято относить к упру гим несовершенствам твердых тел, причиной которых является не однородность их строения. Горные породы не являются исключени ем и также проявляют последействие, величины которого зависят от уровня необратимых деформаций и гидростатических давлений.
Нами были исследованы [86] следующие горные породы: 1) бе лый уральский мрамор, 2) НВО песчаник Донбасса, 3) известняк из бассейна «Эстонсланец», 4) бурый уголь из Шурабского мес торождения.
Деформирование образцов проводилось в камерах высокого дав ления по методике, описанной ранее. Образцы в виде керна диа метром 30 мм и длиной 80 мм изолировались от проникновения в них гидростатической жидкости чехлом из полиэтиленовой плен ки. Величины гидростатического давления в опытах в зависимости от намеченной программы достигали величин от нескольких еди ниц до 600 МПа. Величины необратимых осевых деформаций Д е, в разных опытах изменялись от нескольких единиц до 25 %. При этом образцы никогда не доводились до разрушения.
Необратимо деформированные образцы после достижения за данной деформации при заданном значении гидростатического давления разгружались, извлекались из камеры и после этого ис следовались на последействие. Исследование проводилось в стек лянной вакуумной камере, куда помещался испытанный образец и где кроме вакуума могли создаваться другие газовые атмосферы.
В камере образец помещался в устройство для измерения дефор маций, изображенное на рис. 2.68, а. Измерения продольных и попе речных деформаций осуществлялись комплектом индикаторов ча сового типа 4 и 3 с точностью 0.01 и 0.001 мм. Поперечные деформа ции измерялись в двух взаимно перпендикулярных направлениях. На рис. 2.68, а указаны лишь два поперечных индикатора 3. После установки образца 1 в металлической раме 2 в камере создавался ва куум 10-2— 10-3 мм рт. ст. После этого вскрывался изолирующий
191
полиэтиленовый чехол. В этом случае опыт начинался сразу в вакуу ме. Наблюдения за показаниями индикаторов велись визуально че рез стеклянный колпак вакуумной камеры с регистрацией времени.
Рис. 2.68. Устройство для исследования деформаций последействия (а) и уси лий отпора последействия (б).
Кроме вакуума в камере создавалась атмосфера разной степени влажности путем испарения в вакууме определенного количества дистиллированной воды. Уровень влажности фиксировался разме щенным в камере прибором — измерителем влажности. За основу было принято два уровня относительной влажности: 30 и 100 %.
В камере создавалась атмосфера газов: азота, кислорода, водо рода, углекислого газа и смеси кислорода с водородом в отноше нии 2 : 1 . Предварительно камера вакуумировалась, затем в нее подавался газ в количестве, создававшем давление 300— 400 мм рт. ст. Вскрытие чехла в камере производилось после создания за данной атмосферы. Температура в камере всегда была постоянной и составляла 20— 22 °С.
На рис. 2.68, б изображено динамометрическое устройство, кото рое размещалось ввакуумной камере и служило для измерения меха нического отпора, создаваемого деформируемым образцом. Обра зец 4 размещался в жесткой раме 1, усилие отпора фиксировалось жестким упругим динамометром 2, показания которого регистриро вались индикатором часового типа 3 с ценой деления 0.001 мм.
Наиболее полные исследования были проведены на образцах уральского мрамора. Мрамор исследовался кроме вакуума и влаж ности также в атмосфере всех вышеперечисленных газов. На рис. 2.69 в координатах Де1п (продольные деформации последей ствия)— Де2п (поперечные деформации последействия)— время t представлены кривые последействия образцов мрамора, предвари-
192
Рис. 2.69. Деформации последействия образцов мрамора в вакууме и при двух уровнях влажности.
1 — вакуум, 2 — влажность 30 %, 3 — влажность 100 %. Уровни давлений а 2 (в МПа), при которых осуществлялась предварительная деформация образцов, указаны возле кри-
тельно необратимо деформированных на 18 % при уровнях гидро статического давления а 2 = 100, 200 и 400 МПа. Исследования проведены в вакууме и при уровнях относительной влажности 30 и 100 %. Как видно из графика, при одинаковом времени наблю дения наименьшая величина деформации последействия получи лась в вакууме, а наибольшая — в атмосфере 100 %-ной влажно сти. Результаты, относящиеся к атмосфере 30 %-ной влажности, оказались промежуточными.
При этом установлена зависимость величины деформации по следействия от уровня гидростатического давления а 2. С возраста нием а 2 от 100 до 400 МПа величина деформации последействия возрастает соответственно в 2— 3 раза при одинаковой во всех слу чаях (18 %) предшествующей необратимой деформации. Влаж-
7 А. Н. Ставропш, Б. Г. Тарасов |
193 |
ность сильно влияет на скорость деформации последействия в на чальной стадии эксперимента. Так, при 30 %-ной влажности ско рость деформации примерно на порядок выше, чем в вакууме, а при 100 %-ной влажности эта разница превышает два порядка. По мере протяженности эксперимента во времени скорость деформа ции резко падает в опытах при влажности 100 % по сравнению со скоростями, полученными при 30 %-ной влажности. Знаки дефор маций последействия Д е1п и Де^ одинаковые и соответствуют процессу расширения тела образца как в продольном, так и в по перечном направлениях. Такие же знаки деформации последейст вия имеют и остальные испытанные горные породы.
На рис. 2.70 изображены кривые последействия образцов ураль ского мрамора в средах азота, кислорода, водорода, углекислого газа и смеси кислорода с водородом. Здесь же нанесена соответст вующая кривая последействия в вакууме, взятая из рис. 2.69. Об разцы во всех случаях предварительно деформировались на 18 % под гидростатическим давлением а 2 = 100 МПа.
/, мин
А
О 1
• 2
а 3
X 4
А 5
□ 6
Де2п 1(Г3 2.5 |
0 |
2.5 Ае,п • 10-3 |
Рис. 2.70. Деформации последействия образцов мрамора в вакууме
ив различных газовых средах.
1— вакуум, 2 — кислород, 3 — углекислый газ, 4 — азот, 5 — водород,
б— смесь водорода с кислородом.
194
Как видно из графиков, минимальная величина деформации по следействия получена в вакууме. В средах кислорода, азота, угле кислого газа и водорода величина деформации примерно в два раза больше, чем в вакууме. В среде смеси кислорода с водородом де формации последействия примерно в три раза больше, чем в ваку уме, и примерно одинаковы с деформацией, полученной при 30 %-ной влажности (рис. 2.69). Здесь, как и прежде, поперечные деформации Д е^ и продольные Aeln имеют знаки расширения.
На рис. 2.71 представлены кривые последействия НВО песчани ка из Донбасса, предварительно деформированного на 15 % при с 2 = 600 МПа. Исследования велись при 100 %-ной влажности. Величина деформации последействия Де1п составила более 1 %. Знаки деформаций Де1в и Де^ соответствуют расширению.
Рис. 2.71. Деформации последействия НВО песчаника из Донбасса при 100 %-ной влажности.
Результат, аналогичный предыдущему, получен на образцах из вестняков из бассейна «Эстонсланец». Образец был предваритель но деформирован на 18 % при <т2 = 200 МПа. Исследования на по следействие велись при 100 %-ной влажности. На рис. 2.72 изоб ражен экспериментальный график.
Результаты по деформациям последействия, полученные на об разцах бурого у тя из Шурабского бассейна в Таджикистане, пока заны на рис. 2.73. Поперечная деформация регистрировалась толь ко на образцах, деформированных при а 2 = 100 МПа.
Все рассмотренные результаты в качественном отношении ока зались одинаковыми, хотя и получены на горных породах разного состава и происхождения.
195
Рис. 2.72. Деформации последействия*известняка при 100 %-ной влажности.
На рис. 2.74 изображены зависимости деформации последейст вия Де1п от величины предшествующей необратимой деформации Де1 образцов мрамора, которая задавалась в опытах в пределах от 5 до 25 % при давлении с 2 = 100 МПа. Опыты на последействие велись при 30 %-ной влажности, продолжительность опытов во всех случаях была одинаковой и составляла 2000 мин, что соответ ствовало времени, после которого деформации последействия во всех случаях в данных условиях опыта практически прекращались.
Как видно из графика, при изменении Д£, в пять раз величина де формации последействия Де увеличилась более чем на порядок.
Величина деформации последействия Д е1п зависит также от уровня гидростатического давления с 2, при котором происходило предшествующее необратимое деформирование.
Рис. 2.73. Деформации последействия образцов бурого |
угля в атмосфере |
30 %-ной влажности, предварительно деформированных на |
18 % при о 2 = 5, |
25, 50 и 100 МПа. |
|
196
Д е,п 10-3
Рис. 2.74. Зависимости деформации последействия образцов |
мрамора при |
30 %-ной влажности от величины предшествующей необратимой |
деформации |
Де,. Время наблюдения 2000 мин. |
|
На рис. 2.75 изображены зависимости деформаций последейст вия от уровня бокового давления с 2, при котором все образцы предварительно деформировались на 18 %. Полное время испыта ния на последействие образцов мрамора составило 400 мин, образ цов бурого угля — 250 мин. Как видно, при 100 %-ной влажности деформации последействия мрамора значительно превосходят его деформации при 30 %-ной влажности. Величина бокового давле ния с 2 способствует увеличению, при прочих равных условиях, деформаций последействия.
Опыты с образцами мрамора, аналогичные представленным на рис. 2.69, были повторены и продолжены по времени до 1500 мин. Образцы также предварительно деформировались на 18 % при дав лениях а 2 = 100, 200 и 400 МПа. Исследования на последействие проводились при 30 и 100 %-ной влажностях. На рис. 2.76 последей ствие в атмосфере 30 %-ной влажности изображено кривыми 0— А ,,
Дс1 п Ю-3
Рис. 2.75. Зависимости деформаций последействия образцов мрамора и бурого угля от величины бокового давления о 2. Все образцы деформировались на оди наковую величину необратимой деформации, равную 18 %.
Мрамор: 1 — при влажности 30 %, 2 — при влажности 100 %; 3 — бурый уголь при влажности 30 %.
197
t, мин
Рис. 2.76. Зависимость деформаций последействия образцов мрамора от време ни при изменении влажности в процессе опыта с 30 % (7) на 100 % (2).
0— А 2, 0— А з для разных уровней с 2 как для продольных деформа ций, так и для поперечных. Последействие в атмосфере 100 %-ной влажности для разных уровней давления с 2 представлено кривыми 0—С1( 0— С2,0 — С3 также для продольных и поперечных деформа ций. Описанные кривые, за исключением продолжительности экс перимента, аналогичны кривым, изображенным на рис. 2.69. В силу большей длительности здесь удалось зарегистрировать несколько большие величины деформаций последействия.
Новое в этой серии опытов заключалось в том, что в опытах при 30 %-ной влажности по достижении времени наблюдения, соот ветствующего точкам AitA2, А3, в вакуумных камерах скачком по вышалась влажность с 30 на 100 % и опыт далее продолжался вплоть до времени, соответствующего точкам Вх,Вг, В3.
В точках А,, А2,А3 после повышения влажности с 30 на 100 % ско рость последействия резко возрастает и достигает величин, харак терных для атмосферы 100 %, после чего скорость быстро затухает. Ход кривых на этом участке в принципе ничем не отличается от кри вых деформаций последействия, полученных только при 100 %-ной влажности. Суммарная деформация, полученная на одном и том же образце при 30 и 100 %-ной влажности, соответствующая точкам Вх, В2,ВЪ оказалась практически одинаковой или очень близкой с де формацией, соответствующей точкам Ср С2, С3, полученной на об разцах, исследованных только при 100 %-ной влажности. Данный
198
а , М П а
Рис. 2.77. Зависимость от времени величины отпора о, создаваемого образцами мрамора, необратимо деформированными на 18 % при а 2 = 100 МПа.
Условия опытов на последействие: 1 — влажность 100 %, 2 — влажность 30 %. 3 — результаты опытов на последействие при 100 %-ной влажности после предварительной деформации на 18 % при а 2 = 200 МПа.
результат указывает на то, что величины предельных деформаций последействия Де1п и Де2п (при времени регистрации t —> °°), отве чающие конкретным условиям эксперимента (Де1ост и с 2) предше ствующего необратимого деформирования, есть величины вполне определенные, зависящие от свойств конкретной горной породы. Кривые последействия, независимо от атмосферы, асимптотически приближаются к этим значениям,достигая их взависимости от окру жающей атмосферы за разные промежутки времени.
Серия опытов по исследованию последействия в жестком дина мометрическом силоизмерителе показала, что предварительно не обратимо деформированные образцы способны с течением време ни создавать силовой отпор, регистрируемый динамометром, и
а, МПа
Рис. 2.78. Зависимости напряжения последействия от времени в образцах НВО песчаника Донбасса, деформированных при о 2 = 600 МПа на 15 % при 100 %-ной влажности (7) и 30 %-ной влажности (2).
199
способны совершать работу против внешних сил. При этом вели чина отпора зависит от условий предшествующего необратимого деформирования образца: от величины гидростатического давле ния а 2 и от величины необратимой деформации A s,. Отпор тем больше, чем выше о 2>а при постоянном С2 тем выше, чем боль ше А е,. Скорость нарастания отпора, так же как и скорость де формации последействия, сильно зависит от состава окружающей атмосферы, в которой ведется наблюдение.
На рис. 2.77 представлены зависимости величин напряжений от пора а вдоль оси образца от времени при разных уровнях влажно сти образцов мрамора, деформированных под давлениями а 2 = 100 и 200 МПа. Регистрируемые напряжения отпора вызываются оста точными напряжениями в образце, но не равны им. Наиболее вы сокая скорость нарастания отпора получена на образцах, дефор мированных при давлении 0 2 = 200 МПа и исследованных на по следействие в атмосфере 100 %-ной влажности. У образцов, деформированных при а 2 = 100 МПа и исследованных также в ат мосфере 100 %-ной влажности, скорость нарастания отпора более чем на порядок ниже, чем в предыдущем случае. Самую низкую скорость нарастания отпора показали образцы, необратимо дефор мированные при а 2 = 100 МПа и исследованные на последействие в атмосфере 30 %-ной влажности.
На рис. 2.78 изображены кривые нарастания отпора в зависимо сти от времени, полученные на образцах НВО песчаника Донбас са. Скорость нарастания отпора и окончательная величина отпора у одинаково предварительно деформированных образцов выше в опытах, проведенных при 100 %-ной влажности.
Рассматривая графики на рис. 2.77 и 2.78, можно говорить о су ществовании предельного значения величины отпора, к которому кривые асимптотически приближаются с разными скоростями. При этом сама величина отпора в своем пределе (при подходе к асимптоте) зависит от параметров предшествующей необратимой деформации а 2 и A s,.
Данное утверждение аналогично утверждению о постоянстве (при подходе к асимптоте) деформации последействия A s,n для данных значений с 2 и A s,.
Явление последействия имеет прямое отношение к проблеме из влекаемого из скважины керна, свойства которого существенно меняются после прохождения в материале керна процессов после действия.