Применение тех или иных моделей разрушения и деформирования должно определяться задачей, которая рассматривается.
Например, когда исследуются закономерности распространения разлома, удобно, пренебрегая деталями взаимодействия, применять механику трещин. При этом мы пренебрегаем сложными взаимодействиями на низких масштабных уровнях.
Если мы рассматриваем трещинообразование на уровне образца (А), мы вновь можем применить механику трещин, пренебрегая взаимодействием шероховатых поверхностей (В). Наконец, если мы хотим исследовать детали взаимодействия берегов микротрещины, мы должны рассмотреть взаимодействие неоднородностей берегов.
Заштрихованный участок представляет природный масштаб – разлом или крупную трещину. Прямоугольник – образец лабораторного масштаба. Вставка А – показывает микротрещину в образце, а вставка В – детали контакта поверхности микротрещины.
Прочность пород обычно определяется в лабораторных испытаниях.
Трехосные испытания
Наибольшее главное напряжение σ1 прикладывается вдоль оси цилиндрического образца, а наименьшие напряжения σ2 = σ3 передаются на боковую поверхность путем гидростатического
давления внутри металлической или резиновой оболочки, которое обычно остается постоянным в течение эксперимента.
При хрупком разрушении обычно наблюдаются две основные моды разрушения:
Образование трещин растяжения ортогонально приложенному напряжению и трещин сдвига под определенным углом к нагрузке.
Расслаивание (рис.с) наблюдается только при малых сжимающих давлениях. Является ли это модой разрушения, либо это эффект влияния концов образца – вопрос открытый.
Влияние давления на прочность весьма сильно, как это и следует из критериев разрушения.
Некоторая кривизна этой зависимости типична (по Кулону – линейность).
0 n
Схематизированная кривая напряжение-деформация
Участок I Смыкание ранее существовавших трещин
Участок II Квазиупругость
Участок III Рост существующих трещин, проскальзывание и появление первых микротрещин
Участок IV Быстрое увеличение плотности микротрещин
Участок V Образование плоскости макротрещины за счет смыкания микротрещин ,
0; d
0; d
0; d
0; d
0; d
2 0 d 2
2 0 d 2
2 0 d 2
2 0 d 2
2 0 d 2
Схематизированная кривая напряжение-деформация
На стадии 1 кривая напряжение-деформация вогнутая и объемное сжатия несколько больше, чем следует из упругости. Эта особенность вызвана закрытием ранее существовавших трещин, главным образом тех, что были ориентировны под большими углами у приложенному напряжению.
После того как основные трещины закрылись, порода деформируется почти линейно (стадия 2) в соответствии со своими упругими константами.
При напряжениях свыше примерно половины прочности наблюдается более сильное расширение образца, чем это следует из упругости (стадии 3 и 4). Это сопровождается некоторым снижением осевого модуля, но главным образом благодаря неупругому боковому расширению, что хорошо видно из зависимости латеральной деформации.
Увеличение объема в результате приложенного девиаторного напряжения называется дилатансией.
Хотя само явление известно достаточно давно (Релей), до экспериментов Brace (1966) предполагалось, что оно присуще лишь гранулированным материалам. Brace (1966) интерпретировал это явление как развитие микротрещиноватости внутри породы с соответствующим увеличением пустотного пространства. Большинство микротрещин, определяющих дилатансию, почти параллельны максимальному главному напряжению.
Результаты измерения параметров акустической эмиссии, сопровождающей процесс нагружения, подтверждают эту интерпретацию. АЭ начинается одновременно с дилатансией и активность растет пропорционально скорости дилатансии.
На стадии 4 происходит сращивание микротрещин, локализация деформации и акустической эмиссии. Переход от стадии 3 к стадии 4 – переход от объемного трещинообразования к локализованному. Стадия 5 – формирование разрушения Стадия 6 – напряжения определяются остаточной прочностью – трением в сдвиговой зоне.
Дилатансия происходит из-за трещин, распространяющихся параллельно σ1, в то
время как критерии прочности требуют распространения трещины сдвига под углом среза к σ1.
Оказывается, что рост трещин происходит по схеме, показанной на рисунке. Энергетически выгоднее расти трещинам растяжения.
Кончики трещины сдвига находятся в состоянии моды разрушения II, генерируют трещины растяжения, т.н. «крылышки»,
а бока, которые в состоянии моды III – боковой ряд трещин растяжения..
Влияние масштаба на прочность.
Изменение прочности на одноосное сжатие |
|
с увеличением масштаба образца (I-III – |
|
различные породы) |
c md |
Экспериментальные зависимости обычно записывают в виде |
Для рис.1.17 ξ~0.5, что прекрасно согласуется с Гриффитсовской прочностью . Однако с ростом масштаба эта зависимость усложняется (например, на рис.1.17 явно видно «плато» около 1м. Далее “вступают в дело” неоднородности других
K
C
порядков. В ряде случаев отношение показателей прочности, полученных в лабораторных и полевых условиях достигает 10 и более.
Влияние жидкости.
Прочность некоторых, даже скальных, пород снижается в случае обводненности массива из-за химического изменения в воде связывающих элементов – цемента или глины. Так в водонасыщенном состоянии рыхлый песчаник теряет около 15% своей прочности, а прочные глинистые сланцы полностью разрушаются.
Однако вода оказывает воздействие на прочность и при отсутствии химических эффектов. В большинстве случаев на прочность породы наибольшее влияние оказывает поровое давление и давление воды в трещинах.