Механические свойства твердых горных пород

Механические свойства характеризуют способность горной породы так или иначе реагировать на внешние силовые (механические) воздействия. В определенных пределах эта способность проявляется в объемных деформациях, носящих упруго-обратимый характер. С ростом напряжений и увеличением длительности действия деформирующей силы они перерастают в необратимые деформации — пластические и вязкопластические. Последние могут привести к нарушению сплошности, т. е. к разрушению породы при ползучести и вязко-пластическом течении. Разрушение может произойти и в упругой области (хрупкое температурное разрушение). Как показывают микроструктурные исследования, зарождение очагов разрушения и в этом случае связано с пластическими деформациями, точнее — с локализацией очагов микроскольжений в относительно небольшой зоне. Этому способствуют дефекты внутреннего строения горной породы (главным образом трещиноватость), которые являются носителями собственных напряжений. По этой причине все механические процессы в горной породе протекают при минимальной затрате энергии.
В силу указанных причин необратимые пластические деформации в твердых горных породах появляются уже на начальных стадиях нагружения и возрастают с ростом напряжений и длительностью действия деформирующей силы. По этой же причине зависимость между действующими напряжениями и деформациями не линейная и горные породы не имеют четко выраженного предела прочности. Соответственно, диаграмма «напряжение — деформация» для горных пород сходна с таковой для упруго-пластических тел (рис. 3). Вообще горным породам присущи:
1. Упруго-линейные деформации, следующие почти мгновенно за приложением нагрузки и носящие обратимый характер.
2. Нелинейно-упругие деформации, особенностью которых является криволинейная зависимость между напряжением и деформацией. Кривая медленной разгрузки следует за кривой нагрузки в обратной последовательности и возвращается в точку О. Это называется последействием (прямым — при загрузке и обратным — при разгрузке). Особенностью упругого последействия является его зависимость не только от величины нагрузки, но и от длительности их действия.
3. Пластические деформации, происходящие длительное время за приложением нагрузки и носящие необратимый характер (остаточные деформации). Пластические деформации зависят от продолжительности действия, величины и скорости возрастания напряжений.

Упругая часть деформаций связана с объемными деформациями (сжатием, растяжением) кристаллических решеток минералов. Природа неупругих деформаций значительно сложнее. Они связаны с так называемой девиаторной частью напряжений, т. е. напряжениями, изменяющими форму тела.
Неупругие (пластические) деформации поликристаллических тел в основном являются результатом следующих процессов: 1) сдвиговых деформаций минеральных зерен — явлений трансляции (внутрикристаллического скольжения), двойникования, изгиба, пластинообразования и некоторых других; 2) диффузионных процессов, имеющих место при наличии «вакантных» (т. е. не занятых атомами) мест в узлах кристаллических решеток минералов п других дефектов и происходящих в форме переноса вещества (атомов, ионов) путем последовательного замещения «вакантных» мест в направлении деформирующей силы; 3) пограничных процессов — явлений относительного перемещения зерен и блоков по плоскостям спайности, полигонизации (дробление зерен), рекристаллизации и некоторых других.
Если напряжение, вызывающее пластические деформации, по своей величине не превышает предельного значения (предела прочности) и остается постоянным, скорость пластического течения во времени падает, т. е. наблюдается упрочнение породы в процессе пластической деформации. Оно происходит вследствие роста удельной площади истинных контактов минеральных зерен в процессе полигонизации и уплотнения.
По мере упорядочения структуры при пластическом течении, развитии микротрещин и т. д. сопротивление породы к сдвигу постепенно ослабевает. Данное явление, имеющее место при напряжениях, превышающих предел прочности, называется разупрочнением в процессе пластической деформации. Развитие деформаций во времени в этом случае приводит в конечном счете к разрушению породы.
Таким образом, неупругие деформации в отличие от упругих всегда сопровождаются изменениями внутреннего строения, а при известных условиях (как, например, при процессах метаморфизма) — и минерального состава горной породы.
При явлениях необратимых пластических деформаций может иметь место непрерывный рост деформаций при постоянной нагрузке, т. е. ползучесть, или крип.
Разумеется, что ползучесть может быть вызвана и таким напряжением, которое изменяется по произвольному закону.
В обобщенном («классическом») виде кривая ползучести состоит из трех отрезков, соответствующих трем основным стадиям пластической деформации (рис. 4). Начальный отрезок кривой ползучести аb характеризует обычный процесс деформации от мгновенно приложенной нагрузки. Здесь наблюдается постепенное уменьшение скорости возрастания деформации. Второй отрезок кривой ползучести bс соответствует установившемуся состоянию пластического течения (ползучести) с постоянной скоростью ползучести. Третий отрезок кривой ползучести се характеризует возрастание скорости деформации и наступление момента разрушения материала (точка d).

При явлениях пластической деформации может иметь место непрерывное падение напряжений при сохранении величины деформации, т. е. явление релаксации.
В основе явлений релаксации лежит процесс рассеивания упругой энергии сдвига, запасенной в деформируемом теле. Релаксация неразрывно связана с тепловым движением частиц вещества, она повышается с повышением температуры; как и тепловое движение, релаксация протекает без внешнего воздействия, самопроизвольно и носит энтропийный характер.
Явление пластической деформации возникает при определенной длительности действия силы по отношению к так называемому периоду релаксации 0, т. е. времени, в течение которого упругое напряжение сдвига спадает на значительную величину. Если период релаксации очень велик пo сравнению с общим временем наблюдения (опыта), тело является упругим или хрупким. При иных соотношениях длительности опыта по отношению к периоду релаксации твердое тело переходит в одно из состояний течения — упруго-вязкое, вязко-пластическое или жидкое. Релаксации напряжений по существу и есть процесс трансформации упругой энергии деформирования в энергию пластического или вязкого течения. Иными словами, процесс релаксации представляет собой ползучесть при напряжениях, которые падают во времени пропорционально нарастающим необратимым деформациям. Процессы, сопровождающиеся релаксацией напряжений, называются релаксационными.
Граница между упругим и пластическим состояниями соответствует пределу текучести, одновременно являющемуся пределом упругости. Предел текучести определяется как предельное напряжение сдвига тki.
Описанная выше картина деформационных процессов позволяет составить представление о природе прочности твердых горных пород. Как известно, последние состоят из минеральных зерен и их агрегатов, скрепленных между собой структурными связями высокой прочности и стойкости. При внешнем силовом воздействии в первую очередь деформируются минеральные зерна, плоскости внутрикристаллизационного скольжения (трансляции) которых ориентированы наиболее удобно по отношению к девиаторной части напряжений. Однако деформации таких зерен стеснены соседними зернами, с которыми они скреплены структурными связями и плоскости внутрикристаллизационного скольжения которых ориентированы иначе. Рассматриваемое зерно, стремясь деформироваться под действием внешних сил, будет оказывать давление на соседние зерна и заставлять их вращаться, а в случае возможности (наличии пустот) перемещаться в направлении деформирующей силы. Этому препятствуют структурные связи и силы трения и статическое сопротивление этих зерен изменению первоначального положения. В случае преодоления этих сил наиболее прочные и мелкие зерна могут сохраниться, а более крупные и хрупкие дробятся. В дальнейшем раздробленные зерна стремятся образовать более крупные плоскости, трансляции которых ориентированы в направлении действия деформирующей силы. При этом могут происходить процессы пластинообразования, двойникования и др.
Следовательно, каждое минеральное зерно в начале описываемого процесса оказывается в весьма сложном напряженном состоянии, причем в таком, которое препятствует развитию сдвигов. В этом заключается причина высокой начальной прочности твердых горных пород.
Переориентация и упорядочение расположения минеральных зерен, а также нарушения структурных связей должны облегчить деформацию породы. Такова природа разупрочнения породы в процессе пластических деформаций.
Прочность обычно оценивается максимальной нагрузкой, воспринимаемой образцом горной породы до разрушения. Эта нагрузка называется пределом прочности. Такое представление о прочности связано с критическим характером процесса разрушения породы: потеря сплошности (т. е. разрушение) наступает, когда один из параметров, определяющих состояние деформационного процесса, например нормальное или касательное (тангенциальное) напряжение, достигает предельного, критического значения.
К основным показателям прочности относятся временное сопротивление сжатию осж, растяжению ор и сдвигу осдв, т. е. пределы прочности при указанных напряженных состояниях. Как показывают экспериментальные данные, параметры прочности твердых горных пород зависят от рода напряжений. Наибольшее значение по величине имеет временное сопротивление на сжатие, наименьшее на растяжение.
Прочность горных пород при двухосном сжатии значительно больше прочности при одноосном сжатии. При всестороннем сжатии их прочность возрастает в еще большей мере. Плотные твердые горные породы в условиях всестороннего сжатия не разрушаются даже при очень высоких давлениях.
Прочность магматических пород на снятие осж варьирует в очень широких пределах: от 1000—1200 до (2000—2800)*10в5 Н/м2 и более и главным образом в зависимости от степени кристаллизации и состава минерального вещества. Так, прочность гранита мелкозернистого строения выше крупнозернистых его разностей на (300—350)*10в5 Н/м2 (табл. 5), нераскристаллизованное минеральное вещество (вулканическое стекло) при его содержании свыше 20% снижает прочность породы в 1,5 раза.

Снижение прочности магматических пород наблюдается также при повышении в их составе содержания минералов слоистой структуры (слюд) и соответствующем снижении содержания кварца — типичного минерала каркасной структуры. По данным Г. С. Сенатской, увеличение содержания биотита в гранитах с 4—5 до 15—17% и понижение содержания кварца с 38 до 28% приводит к снижению временного сопротивления сжатию с 2200 до 800*10в5 Н/м2.
Размягчасмость магматических пород. По величине размягчаемости магматические породы относятся к слаборазмягчающимся Kр>0,9. С повышением содержания минералов слоистой структуры (слюд) и понижением содержания кварца связано некоторое повышение размягчаемости магматических пород.
Паспорт прочности горных пород. В горнотехнической практике прочность горных пород обычно характеризуется паспортом прочности, построенным исходя из теории прочности О. Мора. Согласно данной теории разрушение (хрупкое или пластический сдвиг) материала происходит, когда касательное напряжение в плоскости скольжения возрастает до некоторой предельной величины или когда предельное нормальное растягивающее напряжение достигает определенной величины. При этом допускается, что касательное напряжение т в плоскости скольжения зависит только от величины нормального напряжения оn, действующего в той же плоскости. Эта зависимость выражается уравнением огибающей главных кругов напряжений Мора в системе координат on — нормального их — касательного напряжения. По нему устанавливаются объемные показатели прочности: коэффициент внутреннего трения tg ф, связывающий приращение нормальных и касательных напряжений по поверхностям сдвига и сцепление с, выражающее наибольшее касательное напряжение при нормальном напряжении тn = 0 (рис. 5).
Условия разрушения анизотропных пород, очевидно, будут неодинаковыми вдоль площадок, различно ориентированных по отношению к направлению текстурной или трещинной анизотропности (рис. 6). Разрушение породы, по-видимому, произойдет но гой системе ослабления, для которой предельное значение напряжений будет достигнуто раньше всего.
Предложено несколько вариантов аппроксимации огибающей больших кругов напряжений: прямолинейная, параболическая, циклоидальная и др. (рис. 7).

Прямолинейная огибающая (рис. 7, а) описывает предельное состояние катаклазированных (интенсивно трещиноватых) твердых и сыпучих пород. Она выражается известными уравнениями Кулона:

Параболическая огибающая (рис. 7, б) описывается уравнением вида

где H — предел прочности породы при двухосном напряжении; л — коэффициент бокового распора, и 1