Физические условия деформаций горных пород

Различают два вида пределов прочности (табл. 3): один для отрыва, другой для  скалывания. Разрушение при возрастании  напряжений'происходит по тому типу, для которого в данных условиях предел прочности ниже и, следовательно, достигается раньше.

Рассмотрим хрупкое и  вязкое разрушение тел, возникающее  при растяжении, сжатии и сдвиге.

При растяжении тела и его  разрушении хрупким путем оно  ломается в направлении, поперечном к оси растяжении (рис. 31,а). При сжатии трещины отрыва возникают параллельно оси сжатия и нормально к оси поперечного удлинения. Возникновение трещин отрыва при сжатии связано с некоторой неодинаковой для разных материалов и условий критической величиной относительно поперечного удлинения (рис. 31,6). При сдвиге образования трещин отрыва произойдет нормально к диагонали растяжения, под углом 45° к активным силам (рис. 31, в).

При вязком разрушении распадению тела на части предшествует значительная пластическая деформация. Как уже  отмечалось, в процессе пластической деформации медной проволоки при  ее растяжении образуется шейка, т. е. участок, на котором происходит скольжение тонких пластинок по поверхностям, ориентированным  под углом, равным приблизительно 45°  к оси растяжения. При приближении  допустимого растяжения проволоки  к пределу ее прочности скольжение сосредоточивается на одной из плоскостей и, после того как будет превзойден предел прочности, проволока распадается  на части (рис. 32,а). При сжатии разрушение тела произойдет вдоль трещин скалывания, образующихся под углом примерно 45° к оси сжатия. В реальных условиях трещины скалывания возникают  под углом, меньшим 45° к оси  сжа-

тия и большим 45° к оси растяжения. Отклонение в расположении трещин скалывания от направления максимальных касательных напряжений объясняется внутренними силами трения, препятствующими разрыву пород (рис. 32,6).

Разрушение тела при сдвиге вызывается возникновением трещин скалывания, ориентированных под углом, несколько  меньшим 45° к оси наибольшего  сжатия. Обычно возникает одно направление, параллельное активной паре сил; но могут  появиться и два направления, одно из которых параллельно силам  активной пары, а другое — перпендикулярно (рис. 32,в).

Рис.

В. В. Белоусов указывает, что  реальные углы между трещинами скалывания и осью сжатия различны для разных материалов и колеблются от 20 до 40°, приближаясь к 45° для наиболее мягких сред. Если встречаются трещины  скалывания, которые располагаются  под большим углом к оси  сжатия, то это может быть только результатом последующей пластической деформации, в процессе которой трещины  поворачивались совершенно так же, как поворачивались бы любые включения  или любые поверхности в деформируемом  материале.

Из сказанного можно сделать  следующие выводы:

1) трещины скалывания  необязательно должны находиться  под углом 45° или меньшим  к оси сжатия и образовывать  между собой прямой или меньший  угол. Они могут располагаться  и под значительно большими  углами как к оси сжатия, так и к друг к другу, нО это будет результатом пластической деформации, следовавшей за образованием трещин;

2) наблюдая разные системы  трещин скалывания различных  направлений, не следует думать, что каждое из направлений  трещин образовалось при своем  особом расположении осей сжатия  и растяжения. Они могут возникать  при сохранении ориентировки  главных осей напряжений в  процессе непрерывной деформации.

Существенные особенности процесса разрушения материалоЕ были отмечены Гриффитсом, установившим большое значение при хрупком разрушении содержащихся в любом веществе дефектен

в виде рассеянных микроскопических трещин. В горных породах это явление  отражается в скольжении, вязком течении, смещениях зерен относительно друг друга. При достижении нагрузки, соответствующей  началу разрушения, в породах возникают  изменения макроскопического характера: порода становится светлей, зерна у  границ отделяются, а самые границы  становятся видимыми. Перед разрушением  появляется большое количество трещин различной длины и ориентировки, породы расширяются и разрушаются.

Особое значение в разрастании  трещин имеет концентрация растягивающих  напряжений на их концах даже тогда, когда  трещина находится в поле сжимающих  усилий. При этом между отдельными трещинами, нередко располагающимися кулисообразно или в виде полос, возникают соединительные поверхности разрыва

и в конечном счете может образоваться общая поверхность сдвига (рис. 33). Первоначально такая поверхность характеризуется неровной морфологией, и лишь при возможном последующем скольжении и трении стенок трещины неровности сглаживаются.

При анализе условий разрушения пород необходимо прежде всего оценить общую обстановку, в которой развивается деформация, и соотношение возникающих в породе нормальных и касательных напряжений. При растяжении пород всегда наиболее вероятно их хрупкое разрушение путем отрыва, при сжатии более- вероятным окажется скалывание.

На характер разрушения влияют не только свойства материала, но и внешние  условия, от которых зависят эти  свойства: температура, всестороннее давление, внутрипоровое давление, скорость деформаций, схема напряженного состояния. Эти факторы определяют тип разрушения в зависимости от влияния, оказываемого на пределы прочности на отрыв и скалывание в разных условиях. Как уже отмечалось выше, для горных пород пределы прочности на отрыв и скалывание различаются между собой. Но в зависимости от условии, в которых происходит деформация, эти

пределы прочности по-разному  поднимаются .или снижаются в шкале напряжений, причем они даже могут меняться местами.

В с е с т о р о н н е е д а в л е н и е . Опыты показывают, что при повышении всестороннего давления сопротивление разрыву в большинстве горных пород растет и резко увеличивается их способность к пластической деформации (рис. 34). В образцах с увеличением всестороннего давления появляются поверхности скола, позволяющие веществу течь без появления трещин, которые при нормальном давлении вызывают их разрушение.

При давлении 0,1 и 3,5 МПа образец  мрамора разрушается почти сразу  после упругой деформации, тогда  как при давлении

30 и 100 МПа мрамор может  до разрушения испытать значительную  пластическую деформацию.

Следует отметить еще одно важное следствие, связанное с возрастанием всестороннего давления. Так как  тела при этом становятся более пластичными, двугранный угол между двумя системами  трещин скалывания будет изменяться, увеличиваясь около оси максимального  сжатия. Изменение угла особенно сильно проявляется в известняках и  мраморах (рис. 35), в меньшей степени  в песчаниках и сланцах, но песчаники и кварциты не обнаруживают изменения угла скалывания при всестороннем давлении, достигающем сотен мегапаскалей. Как показывают испытания, угол •скалывания никогда не достигает 90°, а в опытах с горными породами при обычных температурах не превышает 60°

Т е м п е р а т у р а . Как показывают многочисленные опыты, соответствующие по значениям давления и температуры глубинам в земной коре от 15 до 30 км, увеличение температуры при постоянном высоком всестороннем давлении приводит к понижению предела текучести, препятствует образованию трещин и расширяет интервал текучего п о в е д е н и я п о р о д (рис. 36).

Следует иметь в виду, что д а л е к о не в с е м и н е р а л ы ведут с е бя п о д о б н ы м образом. Например, п о с л е д е г и д р а т а ц и и серпентенита, к о т о р а я происходит п р и температуре 500°С, этот минерал пере-- ходит в хрупкое.состояние и при температурах 650°С в з н а ч и т е л ь ной с т е п е н и т е р я е т с в о ю п л а с т и ч н о с т ь , п е р е х о д я в ф о р с т е р и т и ли тальк. Следует также иметь в виду, что повышение т е м п е р а т у ры с п о с о б с т в у е т росту м и н е р а л о в с б о л е е в ы с о к о й свободной э н е р г и ей з а счет ранее д е ф о р м и р о в а н н ы х и р а з р у ш е н н ы х д е ф о р м а ц и е й к л о в , наприм е р к в а р ц а по р а з д р о б л е н н о м у р а н е е к в а р ц у или з е р е н кальцита, что приводит к зал е ч и в а н и ю п р е ж н и х п о в р е ж д е н и й в зернах и о б р а з о в а н и ю н е д е ф о р м и р о в а н н ы х з е р е н, л и ш е н н ы х трещин.

П о р о в ые ж и д к о с т и . Многие п о р о ды с о д е р ж а т г р а в и т а ц и о н н у ю или пленочную в о д у , к о т о р а я з а п о л н я е т поры. При повышении т е м п е р а т у р ы вода может появиться 1,5 гре,% в р е з у л ь т а т е д е г и д р а т а ц и и м и н е р а л о в . Если п р о н и ц а е м о с т ь породы высока, то д а в л е - Рис. 37. Кривые дефор- ниё в п о р о в о й ж и д к о с т и м о ж е т быть р а в на мации алебастра, по г и д р о с т а т и ч е с к о м у . При н о р м а л ь н ы х усло-

?1с'ухого.^{Г Г}б^У1погруженно- В И Я Х 0 Н 0 Н е ДОЛЖНО ПреВЫШЗТЬ ВеЛИЧИН_У

го в л5оду  при 0=20,5 мпа давления в основании столба ЖИДКОСТИ

( в о д ы ) , э к в и в а л е н т н у ю г л у б и н е ее з а л е г а н и я . Однако в р е а л ь н ы х у с л о в и я х д а в л е н и е поровых ж и д к о с т ей может п р е в о с х о д и т ь г и д р о с т а т и ч е с к о е . Разность между г и д р о с т а т и ч е с к и м ( о к р у ж а ю щ и м ) и п о р о в ы м д а в л е н и я м и н а з ы в а е т с я э ф ф е к т и в н ы м д а в л е н и е м . Если э т а р а з н о с т ь будет п р и б л и ж а т ь с я к н у л ю , в о з н и к н у т у с л о в и я , б л а г о п р и я т н ы е д л я х р у п к о й д е ф о р м а ц ии и у м е н ь ш е н и я п л а с т и ч н о с т и . При с н и ж е н и и порового д а в л е н и я д е ф о р м а ц и и все в б о л ь ш е й степени будут п р и н и м а т ь пластический! . х а р а к т е р . Именно э т о о б с т о я т е л ь с т в о в ы з ы в а е т п о я в л е н и е на б о л ь ших г л у б и н а х х р у п к и х р а з р ы в о в в в и д е т р е щ и н сбросов и н а д в и г о в.

Следует р а з л и ч а т ь в л и я н и е п о р о в о г о д а в л е н и я на л е г к о р а с т в о римые и у с т о й ч и в ы е породы.

Если с о с т а  в п о р о в о й ж и д к о с т и б л и з о к к с о с т а в у л е г к о р а с т в о р и м о й п о р о д ы ( и з в е с т н я к и , соли и д р . ) , то п р о и с х о д и т з н а ч и т е л ь н ое п о в ы ш е н и е п л а с т и ч н о с т и пород (рис. 37). При этом происходят я в л е н и я р а с т в о р е н и я и п е р е к р и с т а л л и з а ц и и о т д е л ь н ы х минералов,, о с о б е н н о и н т е н с и в н ы е в м е с т а х с о п р и к о с н о в е н и я о т д е л ь н ы х з е р е н, с л а г а ю щ и х породу. Именно э т и м п р о ц е с с о м о б ъ я с н я е т с я в д а в л и в а н и е о д н и х з е р е н в д р у г и е и п о я в л е н и е с т и л о л и т о в ы х швов.

При у с т о й ч и в ы х з е р н а х , н а п р и м е р , к в а р ц а присутствие даже н е б о л ь ш и х к о л и ч е с т в в о д ы с и л ь н о п о в ы ш а е т п л а с т и ч н о с т ь п о р о д. Так, н а п р и м е р , п о р о д а , с о с т о я щ а я из з е р е н и л и к р и с т а л л о в к в а р –

ца, остающаяся хрупкой при гидростатическом давлении 100 МПа и температуре 800 °С, при соприкосновении с жидкостью приобретает пластичность уже при давлениях 140 МПа и температурах 200—235 °С.

Следует отметить, что все  явления, связанные с влиянием воды, заключенной в порах, трещинах и  в самих минералах, на деформацию горных пород, изучено пока еще далеко не достаточно.

С к о р о с т ь д е ф о р м а ц и и . Уже давно установлено, что кривые деформации и прочностные свойства горных пород зависят от скорости наращивания нагрузки: медленное возрастание нагрузки вызывает снижение прочности и более резко выраженный пластический характер деформации. При этом во многих материалах медленные деформации происходят при длительном воздействии постоянной нагрузки, величина которой может быть намного ниже предела упругости и предела пластичности. Это свойство , ползучести имеет огромное значение в тектонике. Температура и гидростатическое давление влияют на ползучесть: возрастание температуры ускоряет процесс ползучести, а увеличение давления замедляет его на участке упругой текучести, но ускоряет в после- . дующих стадиях деформации; фактором, способствующим ползучести, является присутствие жидкости.

Рассматривая фактор времени  и ползучести при деформациях  горных пород, следует учитывать, что  существует некоторая предельная величина напряжения, ниже которой даже длительное действие нагрузки не может вызвать  никаких других деформаций кроме упругой. Эта предельная величина называется длительной прочностью. Другими словами, длительная прочность — это предельная величина напряжения, выше которого ползучесть завершается разрушением.

Как указывает В. Ярошевский, во многих породах, например, кварцевого или полевошпатового состава ни вид нагрузки, ни температура порядка нескольких сот градусов не оказывают существенного влияния на длительную прочность. В карбонатных же породах длительная прочность понижается уже при температурах 300—500 °С. Очень высокие температуры, близкие к точке плавления пород, значительно снижают их длительную прочность, что и является главным механизмом деформаций течения в кристаллических породах в нижних частях гранитно-метаморфического слоя земной коры. Так, например, на глубинах 10—15 км и более прочность настолько ослаблена, что даже незначительный стресс может вызвать ползучесть. Вместе с тем если бы горные породы в природных условиях не обладали длительной прочностью, то в древних породах не сохранялось бы ни деформированных структур, ни идиоморфных зерен, ни окаменелостей.

Нередко для объяснения напряженного состояния горных пород и решения  вопросов, связанных с их прочностью, привлекается теория Мора, основанная на анализе максимальных касательных  напряжений.

Так как T_max=(oi—а з ) / 2 , плоскость разрушения независимо от напряженного состояния составляет угол 45° с максимальным нормальным напряжением, причем свойства материала при растяжении и сжатии принимаются одинаковыми. Горные породы этим условиям не удовлетворяют, так как прочность пород на растяжение много меньше, чем прочность на сжатие, и плоскость разрушения образует с направлением наибольшего сжатия угол, меньший 45°, причем он увеличивается с повышением бокового давления.