Главная
Новости
Строительство
Ремонт
Дизайн и интерьер




09.07.2019


09.07.2019


08.07.2019


08.07.2019


04.07.2019


02.07.2019


29.05.2019


29.04.2019


25.04.2019


22.04.2019





Яндекс.Метрика
         » » Реологические свойства скальных и полускальных пород

Реологические свойства скальных и полускальных пород

13.12.2017

Механические свойства горных пород, проявляющиеся при изменении напряженно-деформируемого их состояния во времени, называются реологическими. Они проявляются при развитии процессов течения — пластических деформаций. Такими свойствами обладают полускальные породы в отличие от скальных. Скальные хрупкие горные породы могут деформироваться пластически только в том случае, если внешние усилия, вызывающие их напряженное состояние, действуют продолжительное геологическое время — эпохи, века или если эти породы находятся в особом напряженном состоянии, например на большой глубине в земной коре под воздействием высоких температуры, давления и т. д. В обычных условиях скальные породы деформируются быстро, главным образом необратимо, и разрушаются хрупко.

Деформации полускальных пород в нормальных условиях протекают медленно, занимая сравнительно с обычным сроком испытания пород или сроком службы сооружений значительные отрезки времени. Упругость, прочность и хрупкость полускальных пород увеличиваются при быстром приложении нагрузки, при большой скорости деформации. Наоборот, при медленном приложении нагрузки упругость и прочность их снижаются, для них характерно развитие упруговязких и пластических деформаций при постепенно возрастающих или даже постоянных нагрузках, меньших разрушающей.

Способность полускальных пород изменять свои механические свойства и деформироваться во времени определяет развитие различных процессов: осадку сооружений, их подвижки, развитие оползневых явлений, деформаций природных склонов, откосов выемок, бортов карьеров, проявление горного давления в подземных выработках, осадку поверхности земли на подрабатываемых участках и др.

Все это показывает, что при исследовании механических свойств горных пород, в частности полускальных, и их деформаций большое значение имеет учет не только сил, действующих на породу, но и продолжительности их воздействия. Учет фактора времени для скальных пород имеет общегеологическое значение, а для полускальных — непосредственно практическое при оценке их прочности, устойчивости местности, которую они слагают, устойчивости сооружений, возводимых на них, и т. д.

Таким образом, для полускальных пород в обычных условиях важное значение имеют реологические свойства. Они проявляются в виде: а) ползучести (криппа), т. е. медленного нарастания во времени пластической деформации при неизменном напряженном состоянии, часто меньшим разрушающего; б) релаксации, т. е. убывания (расслабления) напряжения, необходимого для поддержания постоянной деформации породы, и в) снижения прочности, т. е. уменьшения напряжения, вызывающего разрушение породы, с увеличением времени воздействия нагрузки.
Динамика развития деформаций горных пород во времени под влиянием постоянной нагрузки в соответствии с существующими классическими представлениями о ползучести характеризуется несколькими стадиями.

1. Начальная, протекающая быстро, условно мгновенно, возникающая сразу после приложения нагрузки, соответствующей образованию упругих или одновременно упругих и пластических деформаций (рис. III-24, участок 0—1).

2. Неустановившаяся, затухающая ползучесть (первая стадия ползучести, по С.С. Вялову), проявляющаяся в нарастании деформации с уменьшающейся скоростью (рис. III-24, участок 1—2).

3. Установившаяся ползучесть — пластически-вязкое течение (вторая стадия ползучести, по С.С. Вялову), когда скорость нарастания деформаций достигает минимального значения и становится постоянной (рис. III-24, участок 2—3).

4. Прогрессирующая, или разрушающая, ползучесть (третья стадия ползучести, по С. С. Вялову), когда нарастание деформации приобретает характер прогрессирующего течения со все возрастающей скоростью и характеризует разрушение породы (рис. III-24, участок 3—4).

Таким образом, общая деформация полускальных горных пород (в отличие от скальных) слагается из условно-мгновенных и пластически-вязких, т. е.

Л = Лм + Л(t).

Динамика развития деформаций ползучести пород существенно зависит от действующей нагрузки. Поэтому, если подвергнуть испытаниям несколько образцов пород различной нагрузкой и провести наблюдения за их деформациями, можно получить серию кривых ползучести. На рис. III-25 видно, что при малых нагрузках o1 вторая стадия ползучести практически отсутствует, а первая сразу же переходит в стадию затухающей ползучести. При увеличении нагрузки до o2, o3, o4 и т. д. нарастание деформации характеризуется развитием всех стадий ползучести. При нагрузках значительных — o6, o7, приближающихся к предельным, разрушающим, нарастание деформаций во времени не успевает получить развитие и они становятся условно-мгновенными.
Как показывают многочисленные испытания, полускальные горные породы обнаруживают явные признаки ползучести при нагрузках, не превышающих 85—90 % от разрушающих (рис. III-26). Если в любой момент времени развития деформаций ползучести произвести разгрузку породы, произойдет частичное восстановление деформации (рис. III-27). Начальная условно-мгновенная деформация восстанавливается быстро после снятия нагрузки. Если она только упругая, то восстанавливается полностью, и на графике (рис. III-27, а) участок 0—1 равен участку 3—4. Если начальная деформация состоит из упругой и пластической, то она восстановится только частично, и на графике (рис. III-27, б) участок 0—1 будет больше участка 3—4, так как восстановится только упругая часть.
Деформации ползучести полностью необратимы, восстанавливаются во времени лишь частично. Они состоят из деформаций упругого последействия Луп(t) и пластического последействия Лпл(t).

Полная деформация ползучести Лпз в любой момент времени t складывается из восстанавливающейся — упруговязкой Луп(t) остаточной — вязкопластической Лпл(t):

Лпз = Луп(t) + Лпл(t).

Так как на деформируемость полускальных пород влияет время действия нагрузки, то естественно, что для каждого значения времени t деформация при постоянной нагрузке будет различной. На рис. III-28 показано семейство кривых, каждая из которых характеризует зависимость деформации от нагрузки в заданный момент t. Кривая соответствует начальной условно-мгновенной деформации, а кривая t00 — конечной деформации после ее стабилизации от заданной нагрузки. Все промежуточные кривые соответствуют различным моментам времени воздействия нагрузки, и с увеличением его общая деформация возрастает. Поэтому при изучении зависимости деформаций от нагрузки необходимо учитывать время ее действия так же, как и при оценке прочности пород.

В условиях незатухающей прогрессирующей ползучести, когда приращение деформации приобретает характер прогрессирующего течения со все возрастающей скоростью, характеризующей разрушение породы, выявляется несколько критических состояний. Первое состояние наступает в момент времени tА (рис. III-24), когда общая деформация предшествует моменту заметного прогрессирующего течения, при котором она может достигнуть предельно допустимого значения. Второе состояние наступает в момент времени tБ, непосредственно предшествующий разрушению породы.
При хрупкопластическом разрушении пород появление трещин и нарушение сплошности четко фиксируют их разрушение. При пластическом характере разрушения сплошность породы не нарушается, наблюдается расплющивание образца, образуются значительные остаточные деформации, искажающие его форму. В этом случае, как было отмечено выше, за предельное состояние принимается такое, когда остаточные деформации составляют 10—15% первоначальной высоты образца. На кривых ползучести могут быть выделены и другие характерные состояния, например появление и развитие первой и второй стадий ползучести.

Из рассмотрения всех этих моментов следует, что разрушение породы при длительном воздействии нагрузки может происходить при напряжениях, меньших, чем при кратковременных нагрузках. Поэтому важно от обычной прочности пород — условно-мгновенной — отличать длительную прочность. Обычная прочность — условно-мгновенная — характеризуется напряжением, вызывающим разрушение породы при сравнительно быстрой ее загрузке. Длительная же прочность характеризуется напряжением, которое вызывает разрушение породы через какой-то промежуток времени t в процессе развития деформации ползучести или когда деформация достигает предельного значения. На рис. III-29 показана кривая длительной прочности полускальной породы. Эта кривая характеризует зависимость изменения прочности породы во времени.