ГлавнаяДеформации 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.