Главная
В реологии для наглядного представления об особенностях деформации реальных тел их идеализируют и представляют в виде моделей. В таких реологических моделях упругость, свойственную телам, изображают пружиной, трение — параллельными пластинами, а вязкость — поршнем. Комбинируя различным образом эти элементы, получают модели упругих, упруговязких, вязкопластичных, пластичных, вязкожидких и других сред (рис. VIII-47). Зависимости, которые связывают напряжения, деформации и их производные во времени, показывают в виде реологических кривых и реологических уравнений состояния.В настоящее время предложено более двух десятков моделей различных тел ft реологических уравнений состояния. Наиболее характерными из них, часто используемыми при изучении закономерностей деформаций горных пород, являются следующие.
1. Уравнение, выражающее закон упругих тел — закон Гука,
о = ЕЛ.
Относительная деформация Л прямо пропорциональна напряжению о (рис. VIII-48, а). Модуль упругости E является коэффициентом пропорциональности между напряжением и деформацией.
2. Уравнение, выражающее закон вязких жидкостей — закон Ньютона,
Скорость деформации dX/dt (производная по времени) прямо пропорциональна напряжению а (рис. VIII-48, б). Коэффициент вязкости — коэффициент внутреннего сопротивления перемещению частиц в породе. В вязких средах их деформация — вязкое течение — возникает при любых нагрузках, отличных от нуля.3. Уравнение, выражающее закон вязкопластичных тел, каковыми являются большинство различных глинистых пород, — закон Бингама—Шведова,
Скорость деформации dЛ/dt прямо пропорциона льна напряжению выше предельного о>j0 для данного тела (рис. VIII-48 в).Горные породы, особенно различные глинистые, кроме упругости и вязкости обладают свойством пластичности, т.е. свойством пластического течения при напряжениях, превышающих определенный предел о0. называемый предельным напряжением сдвига (при испытаниях на сдвиг) или пределом текучести (при испытаниях на сжатие). Этот предел характеризует изменение (перепад) сил внутреннего сопротивления породы деформациям. В глинистых породах он определяется прочностью структурных связей и по существу является пределом их структурной прочности. При разрушении структурных связен в глинистой породе развиваются пластические деформации. Так как они протекают во времени, их следует называть вязкопластическими.
Реологические кривые пинистых пород четвертичного и дочетвертичного возраста (рис. VIII-49 и VIII-50) показывают, что предел структурной прочности у первых составляет малые доли мегапаскаля, а у вторых — десятые доли мегапаскаля Соответственно переход их из твердого, а пород четвертичного возраста как бы твердого состояния в пластичное происходит при различных напряжениях. Такое различие в структур ной прочности пород объясняется различной степенью их литификации и соответственно различным физическим состоянием.
При нагрузках, превышающих предел структурной прочности, у всех глинистых пород развиваются пластические деформации, протекающие с постоянной скоростью, но у каждой глинистой породы до определенного значения действующего давления, выше которого скорость пластических деформаций заметно или резко возрастает и приобретает прогрессирующий характер. Такой характер развития деформации указывает на изменение внутренних сопротивлений породы деформациям. При нагрузках, вызывающих деформации, протекающие с постоянной скоростью, процесс разрушения и восстановления структурных связей в породе имеет равновесный характер, при больших нагрузках начинает превалировать нарушение связей и скорость деформации возрастает.Как известно, развитие деформаций горных пород при постоянно действующем давлении характеризуется следующими стадиями; 1) начальной, условно-мгновенной, 2) неустановившейся, затухающей ползучести, 3) установившейся ползучести и 4) прогрессирующей (разрушающей) ползучести
Все эти стадии характерны и для глинистых пород, причем в зависимости от их петрографических особенностей, физического состояния и действующего давления процесс ползучести может иметь затухающий или прогрессирующий характер. На рис. VIII-53 приведены кривые ползучести позднеледниковых глии района Ленинграда (W = 37%) и послеледниковых глин из долины р. Кемь (Карелия, W = 80%). Кривые ползучести позднеледниковых глин имеют затухающий характер даже при давлении, составляющем 0,9 от разрушающего, тогда как у послеледниковых глин они имеют явно незатухающий характер и завершаются стадией прогрессирующей (разрушающей) ползучести.Способность глинистых пород противостоять давлению существенно зависит от достигнутой скорости деформации ползучести. Поэтому основной характеристикой при оценке возможного влияния ползучести глинистых пород на устойчивость сооружений служит предел допустимой ползучести, или просто предел ползучести (по Я.Л. Когану), определяемый либо по равномерной скорости ползучести, либо по суммарной деформации.
Пределом ползучести по равномерной скорости ползучести называется максимальное касательное напряжение при заданном нормальном напряжении, вызывающее определенную допустимую для данного сооружения скорость деформации на стадии установившейся ползучести. Пределом ползучести по суммарной деформации называется максимальное касательное напряжение при заданном нормальном напряжении, вызывающее пластическую деформацию определенного допустимого значения за срок службы сооружения.
Изучение и учет реологических свойств глинистых пород необходимы также в связи с возможностью понижения их прочности во времени. Как показывают исследования, снижение прочности различных глинистых пород во времени может достигать 70% от условно-мгновенной (быстрый сдвиг) и до 10— 50% от стандартной (медленный сдвиг). Такое снижение прочности глинистых пород во времени в условиях незатухающей ползучести связано с расслаблением (релаксацией) сил сцепления в породе вследствие разрушения структурных связей, разуплотнения породы, появления микротрещин и т. п. Потери прочности породы во времени на стадии неустановившейся затухающей ползучести, как считает большинство исследователей, не происходит.
Напряжения, соответствующие переходу деформации от стадии установившейся незатухающей ползучести к стадии прогрессирующей ползучести, отвечает пределу длительной прочности, или просто длительной прочности породы. Поэтому для глинистых пород, так же как и для полускальных, важно различать обычную прочность — условно-мгновенную, или «стандартную», и длительную. Условно-мгновенная прочность характеризуется напряжением, вызывающим разрушение породы при сравнительно быстром ее загружении (испытания по схеме быстрого сдвига). Стандартная прочность соответствует напряжению при сравнительно медленном ее загружении (испытания по схеме медленного сдвига). Длительная же прочность обусловливается напряжением, которое вызывает разрушение породы через какой-то промежуток времени t в процессе развития деформации ползучести или когда деформация достигнет предельного значения.
На рис. VIII-52 показаны кривые длительной прочности глинистых пород. Первая кривая получена для позднеледниковых глин района Ленинграда, а вторая — для послеледниковых глин из долины р. Кемь. Как видно, послеледниковые глины в процессе развития деформаций ползучести, как и большинство других глинистых пород, снижают прочность примерно на 30%. тогда как у позднеледниковых глин она вначале снижается, а затем постепенно восстанавливается. Следовательно, у некоторых разностей глинистых пород наряду со снижением прочности во времени при деформации имеет место восстановление прочности — упрочнение. Природа таких явлений в настоящее время еще не выяснена. Поэтому одной из важнейших задач исследований реологических свойств глинистых пород является изучение их длительной прочности и ее природы.