5 Деформационные свойства пород

5.1 Деформации в горных породах

Горные породы под действием внешних сил меняют свою форму и размеры, т.е. деформируются.

Изменение относительного положения частичек породы, вызывающее изменение объема и формы пород, называется деформацией.

Деформации могут быть неразрушающими и разрушающими.

Неразрушающие деформации изменяют размеры, форму и объем породы без нарушения ее сплошности; разрушающие – приводят к разделению породы на отдельные части.

Если после всестороннего длительного сжатия образец горной породы в некоторый момент времени разгрузить, то часть деформаций, приобретенных под нагрузкой, с течением времени может восстановится. Такие деформации носят название деформаций генетического возврата (от слова «генезис» – происхождение осадочного массива).

Деформацию, появляющуюся в момент приложения нагрузки, называют упруго-мгновенной, а деформацию, которая развивается с течением времени – деформацией ползучести.

При увеличении нагрузок можно наблюдать три области деформации породы: упругую, пластическую и разрушающую. В зависимости от соотношения вида деформаций при сжатии, горные породы подразделяются на упругие или хрупкие (пластическая зона практически не наблюдается), упруго-пластичные (разрушающей деформации предшествует зона пластической деформации) и пластичные (упругая деформация незначительна).

На рисунке 5.1 представлены типичные графики деформаций пород.

Нормальные напряжения в образцах горных пород вызывают изменение их линейных размеров. Деформации в этом случае называются линейными.

Относительное изменение линейных размеров составляет

, (5.1)

где l – длина ребра деформированного образца, мм;

l_o– длина ребра образца горной породы до деформирования, мм.

Рисунок 5.1 – Типичные графики деформаций пород: 1 – упругой (кварцит); 2 – упругопластической (осадочные породы); 3 – пластичной (мрамор): ОВ и ОВ´ – зона упругих деформаций; В´С и ОС´ — зона пластических деформаций; точки В, С, С´ — моменты разрушения пород.

Касательные напряжения вызывают сдвиговые деформации, определяемые величиной угла сдвига грани образца.

Деформационные характеристики горных пород определяют обычно в лабораторных условиях при приложении к образцам нагрузок. Для этих целей используют «мягкие» и «жесткие» испытательные машины, на которых выполняются механические испытания горных пород.

В «мягких» испытательных машинах, в процессе деформирования накапливается большое количество упругой энергии, которая превращается в кинетическую в момент разрушения образца и поэтому разрушение приобретает взрывной характер (например: внезапный выброс породы, горный удар). В «жестких» испытательных машинах, наоборот, это количество энергии невелико и имеется возможность изучать характер деформирования породы за пределом максимальной сопротивляемости (например: процессы деформирования, растянутые во времени).

Для более полного представления о деформационных свойствах горных пород, в качестве примера рассмотрим полную диаграмму деформирования образца горной породы при сжатии (рисунок 5.2).

На диаграмме следует различать:

о-а – участок, характеризующий закрытие пор, трещин (т.е. дефектов породы);

а-в – участок, характеризующий область упругих деформаций (наблюдается линейная зависимость);

в-с – участок, характеризующий область начала возникновения трещин и пластической деформации. Если в точке сснять нагрузку, то процесс остановится и микротрещины закроются;

Рисунок 5.2 – Полная диаграмма деформирования образца горной породы.

с-d – участок, характеризующий процесс развития образовавшихся трещин. Процесс неустойчивый, лавинообразный характер. Точка dсоответствует максимальной сопротивляемости образца разрушению.

d-е – участок, характеризующий уменьшение несущей способности образца. На этом участке наблюдают процесс дилатансии, т.е. увеличение объема образца.

е-k – участок, характеризующий разрушение испытываемого образца.

Таким образом, горные породы не являются идеально упругими или идеально пластическими телами, в результате при их нагружении всегда наблюдается наряду с упругой деформацией, в той или иной степени, пластическая деформация.