Физические условия деформаций горных пород

e="text-align:justify">На кривой деформаций (см. рис. 25) за пределами упругости кривая некоторое время поднимается, т. е. для роста деформации требуется увеличение нагрузки. Однако это увеличение напряжения

значительно меньше, чем  в упругой области, и кривая в  соответствии с этим в пластической области гораздо положе, чем в  упругой. Отрезок кривой БВ на рис. 25 соответствует деформации при ослаблении тела перед разрывом.

Механизм пластической деформации состоит в том, что упругая  деформация, вызванная той или  иной нагрузкой, закрепляется путем  перераспределения частиц и принятия ими нового устойчивого положения. При этом напряжения падают до величины, отвечающей пределу упругости.

Пластическая деформация в твердом теле связана со сдвиговыми перемещениями частиц в направлении  максимальных касательных напряжений. Последние могут быть заменены полуразностью максимального и минимального нормальных напряжений (Omax—Omin) / 2 . На гранях деформированных образцов горных пород эти поверхности скольжения, совпадающие с плоскостями максимальных касательных напряжений, представлены так называемыми линиями Чернова—Людерса.

При растяжении тела, например медной проволоки,- последняя вначале упруго вытягивается, а за пределами упругости  начинает течь с образованием на том  или ином отрезке так называемой

шейки. Изучение проволоки "в  состоянии течения под электронным  микроскопом показывает, что пластическая деформация в шейке происходит вследствие относительного скольжения внутри нее - очень тонких пластинок в направлении  максимальных касательных напряжений по плоскостям, наклоненным под углом 45° к оси растяжения. Толщина  пластинок оказывается неодинаковой у различных материалов и зависит  от строения кристаллической решетки.

При сжатии плоскости максимальных касательных напряжений располагаются  под углом 45° к оси сжатия и  в этом же направлении развиваются  поверхности скольжения. Последние  разделяют тело на множество мельчайших призм, из которых одни выжимаются в  стороны, а другие вклиниваются между  ними (рис. 28,а). При сдвиге скольжение происходит в большинстве случаев  под углом 45° к оси растяжения, в направлении действия активной пары сил (рис. 28,6). При отсутствии касательных  напряжений пластическая деформация невозможна. Например, равномерное всестороннее сжатие или растяжение не может привести к пластической деформации, так как  при этом отсутствуют касательные  напряжения.

В. В. Белоусов указывает, что  кристаллическое и в особенности  зернистое строение горных пород  вносит в механизм их пластической деформации ряд особенностей.

При деформации породы, состоящей  из зерен, поверхности скольжения, как  правило, приспосабливаются к уже  готовым разделам, возникающим на границах между зернами пород. При  этом цемент породы должен быть менее  прочен, чем сами зерна. Поверхности  скольжения, находя более легкие пути, могут отклоняться от плоскостей максимальных касательных напряжений, а сами зерна нередко повертываются  и перекатываются. Межзерновое скольжение использует также поверхности наслоения и контакты различных геологических тел там, где эти контакты по залеганию близки к направлениям максимальных сдвигов. Оно развивается в рыхлых породах, в приповерхностных зонах земной коры, где гидростатическое давление низкое. Внутризерновое скольжение происходит в породах, в которых прочность цемента не меньше, чем прочность зерен, или в породах, представляющих собой плотные агрегаты более или менее одинаковых по свойствам кристаллов. В процессе деформации кристаллы могут поворачиваться до тех пор, пока поверхности наиболее легкого скольжения не займут положения, совпадающего с плоскостями максимальных касательных напряжений.

В некоторых случаях внутризерновое скольжение заменяется раздроблением зерен (катаклаз), после чего происходит перераспределение возникших мелких зерен, как при межзерновых скольжениях.

Изменение формы зерен возможно также путем перекристаллизации. При неравностороннем давлении перекристаллизация происходит в соответствии с принципом  Рикке, согласно которому грани кристаллов, находящихся под относительно большим сдав-

ливанием, растворяются в имеющихся, в породе растворах, а на гранях кристаллов, находящихся под меньшим давлением, этот же материал из растворов кристаллизуется. В результате размеры кристалла в направлении наибольшего сжатия уменьшаются, а в направлении меньшего сжатия или растяжения увеличиваются. В процессе перекристаллизации длинные оси минералов ориентируются не параллельно плоскостям максимальных касательных напряжений, а перпендикулярно к оси максимального сжатия. Внутризерновое скольжение и перекристаллизация свойственны относительно крепким породам и глубоким областям земной коры, в которых гидростатическое давление велико. Оно типично для метаморфических толщ, подвергающихся деформации в обстановке высоких давлений и температур.

Наряду с упругостью и  пластичностью важное значение имеет вязкость горных пород. Последняя представляет собой свойство тела оказывать сопротивление при перемещении одной части тела относительно другой, вызываемое внутренним трением. Чем больше вязкость, тем большее сопротивление оказывает тело пластической деформации. Так, например, вязкость воды 0,001 Па-с, глицерина 0,85 Па-с, влажной глины 100 Па-с, а горных пород до 10^{2 3} Па-с.

Вещество называется вязким, если скорость необратимых деформаций растет с ростом напряжений, вызывающих деформацию. В идеально пластичных телах напряжения в состоянии текучести зависят лишь от скорости деформации, но не от самой деформации. Существуют также материалы с промежуточными упруго-вязкими свойствами, в которых упругая и пластическая деформации развиваются одновременно, начинаясь совместно при минимальных напряжениях.

Скорость пластической деформации (е°) определяется вязкостью тела е°=т/г), где т — касательное напряжение; г]— вязкость.

Жидкость начинает течь при  очень малых напряжениях. В твердых  телах пластические деформации начинаются за пределами упругости. Так как в дальнейшем скорость пластической деформации определяется вязкостью, о твердых телах говорят как о вязко-пластичных.

Свойство вязкости используется при моделировании тектонических  процессов. Так как скорость деформации обратно пропорциональна вязкости, подбирая в опытах материалы с  низкой вязкостью, можно соответственно ускорить деформацию.

Пластичные материалы  и породы способны выдерживать значительную пластическую деформацию без разрушения. В хрупких телах непосредственно  вслед за упругой деформацией  или после очень незначительной пластической деформации наступает  разрушение. Таким образом, для пластических тел между пределом упругости  и пределом прочности имеется  широкий интервал, тогда как для  хрупких тел оба эти предела  совсем или почти совсем совпадают.

 

Ползучесть и  релаксация

Ползучестью называют способность  твердых тел (всех без исключения горных пород) пластично деформироваться  при напряжениях ниже предела  упругости в течение определенного  времени. Если приложить к телу нагрузку, вызывающую в нем напряжения ниже предела упругости, и сохранить  эту нагрузку в течение определенного  времени, то деформация в телах станет

непрерывно возрастать, причем нарастающая часть деформации будет  остаточной (рис. 29).

Ползучесть отражает зависимость  предела упругости от времени. С  другой стороны, основные положения  теории упругости и пластичности в механике рассматриваются в  условиях, при которых время исключается  из уравнений. Механизм пластической деформации при ползучести в основном остаётся тем же, что и при обычной  пластической деформации: ползучесть происходит в результате сдвигов, вызываемых касательными напряжениями. С увеличением нагрузки деформация, обусловленная ползучестью, развивается быстрее и разрушение происходит раньше. При ма

лых нагрузках деформация нарастает медленно, но может развиваться чрезвычайно долго без каких-либо признаков (рис. 30).

Ползучесть имеет огромное значение в процессах деформаций, с нею связано образование  многих складок в горных породах.

Релаксация выражается в  самопроизвольном ослаблении напряжений в теле, находящемся под нагрузкой (см. рис. 29). Это явление объясняется развитием в теле ползучести, вследствие чего снижается величина упругой деформации. Процесс релаксации можно представить как ползучесть, протекающую при уменьшении напряжений. Релаксация приводит к тому, что концентрация напряжений со временем ослабевает, распределение напряжений в теле становится более равномерным и максимум напряжений снижается.

При релаксации частицы тела, смещаясь в процессе пластической деформации, будут находить новые устойчивые положения и напряжения, вызывающие перемещения частиц, при достижении ими устойчивого положения будут  исчезать.

Таким образом, релаксация приводит к закреплению деформации, к постепенному превращению упругой деформации в остаточную, пластическую.

Механические свойства твердых  тел зависят как от их строения, так и от внешних условий. Среди  последних большое значение имеют температура, растворители и адсорбирующиеся жидкости, всестороннее давление, скорость деформации, характер напряженного состояния тела.

Так, повышение температуры  ведет к возрастанию пластичности твердых тел. Соприкосновение тела с растворителем или с жидкостью, адсорбируемой телом, также повышает способность тела пластично деформироваться.

Влияние всестороннего давления на пластические деформации двоякое. С  одной стороны, давление повышает сопротивление  тела пластической деформации, а с  другой — тот же фактор сильно повышает пределы упругости и прочности. В связи с этим тела, являющиеся хрупкими при нормальных условиях, могут стать пластичными при  высоком всестороннем давлении.

Скорость деформации является, по-видимому, одним из основных факторов, влияющих на пластические свойства горных пород. Это влияние заключается  в том, что повышение скорости деформации приводит к увеличению сопротивления  тела деформации и понижению его  пластичности. Наоборот, относительно медленная деформация повышает пластичность тела. Поэтому тело, ведущее себя при быстром механическом воздействии  как хрупкое, при медленном воздействии малых напряжений медленно, но значительно деформируется.

Зависимость пластичности и пластических деформаций от напряженного состояния  твердых тел выражается таким  образом, что наиболее благоприятным  для повышения пластичности оказывается  сжатие, а наименее благоприятным  — растяжение. Объясняется это  тем, что сжатие уменьшает объем  тела и повышает его

пластичность, а растяжение, наоборот, увеличивает хрупкость тела и  ослабляет его способность к  необратимой деформации без разрыва.

Разрушение горных пород

Если напряжения в деформируемых  горных породах достигают предела  прочности, породы начинают разрушаться. Предел прочности колеблется в широких  рамках для различных горных пород. Для многих из них предел прочности может быть достигнут еще в процессе упругой деформации, а разрушение последует непосредственно за упругой деформацией и может рассматриваться как хрупкое. Разрушение может наступить и в процессе пластической деформации, т. е. когда уже достигнут предел упругости. Такое разрушение, следующее за пластической деформацией, называется вязким.

М. В. Гзовский указывает, что горные породы могут быть разделены на четыре категории. В первую из них входят породы с малой вязкостью: глины, соли, гипсы, тонкослоистые алеврито-гли- нистые толщи. Их вязкость при увеличении напряжений от малой величины до 15 МПа изменяется от 10^{1 7} до 10^{1 4} Па-с. Вторая ка-

Кратковременная прочность (МПа) сухих образцов горных пород  при атмосферном давлении и комнатной  температуре, по М. В. Гзовскому

ТАБЛИЦА 3 Порода	Прочность на ютрыв	Прочность на скалывание
		минимальная	максимальная	средняя статистическая
Гранит	3	60	180	75
Диабаз	от	65	230	90
Кварцит	8	13	160	100
Мрамор	5	12	130	50
Песчаник	2—6	20	75
Глинистый сла	3 - 4	18	26
нец
Каменная соль	1 -5	9	—

 

Различают два вида разрушения в зависимости от положения разрыва  в поле напряжений: отрыв и скалывание. Отрыв вызывается нормальными растягивающими напряжениями, и поэтому тело распадается  в плоскости максимальных растягивающих  нормальных напряжений. Скалывание вызывается касательными напряжениями, и распад тела в этом случае образуется в  плоскости максимальных касательных  напряжений. Отрыв обычно бывает хрупким, а скалывание — вязким.