Физические условия деформаций горных пород

°

На рис. 38 показана типичная кривая, иллюстрирующая прочность горной породы в условиях трехосного напряженного состояния при условии i o i > o ' 2 > o ' 3 - Линия под углом 45° изображает гидростатическое давление. По оси ординат отложено сГз/Со*, по оси абсцисс — cfi/Co, где С₀ — прочность на одноосное сжатие. Стрелки у образцов показывают в масштабе величину' и направление напряжений при разрушении одной и той же породы. Жирная линия внутри каждого из образцов показывает угол наклона плоскости разрушения. Из рис. 38 видно, что прочность горных пород зависит от напряженного состояния и увеличивается с повышением бокового давления (стресса).

Как указывает Л. С. Бурштейн, критерием прочности не может  быть только нормальное и только касательное  напряжение, а лишь их определенные соотношения, и поэтому теория наибольшего  касательного напряжения не может быть использована для горных пород, испытывающих разрушение.

Особо следует остановиться на применении для объяснения деформаций представлений  об эллипсоиде деформаций, введенном  Г. Беккером в 1893 г. Сущность построений Беккера заключается в следующем. Представим себе шар, изображающий первичное, недеформированное состояние тела (рис. 39,а). Если к шару будут приложены  силы сжатия или растяжения разной величины по трем взаимно перпендикулярным направлениям, то шар превратит

ся в трехосный эллипсоид (рис. 39,6). Отклонения размеров осей эллипсоида от размеров первоначального шара будут соответствовать величине деформации вдоль ее главных осей. В направлении максимального сжатия расположится наименьшая ось эллипсоида, а в направлении максимального растяжения — наибольшая. Изо-

бражение эллипсоида деформации позволяет в наглядной форме представить относительное значение деформации по каждой из осей и показать ориентировку осей в пространстве.

На рис. 40 приведены такого рода построения на примере изгибающегося  слоя. Во внешней (выпуклой) части слоя при изгибе возникают растягивающие  условия (аз), а во внутренней (вогнутой)—сжимающие (oi). Соответствующим образом окажется ориентирован и эллипсоид деформации. Так как в однородном, изотропном теле направления осей деформаций и напряжений совпадают, а конечные значения напряжений и деформаций вдоль этих осей взаимно противоположны, можно построить также эллипсоид напряжений, оси которого по своим размерам будут противоположны осям эллипсоида деформации

Если допустить, что средняя  ось эллипсоида деформации постоянно  остается равной радиусу первоначального  шара, то деформацию можно рассматривать  как плоскую (рис. 41). В плоском  эллипсоиде деформации будут присутствовать два больших круговых сечения, которые  в процессе деформации тела постоянно  бу

дут сохранять площадь кругового сечения первоначального шара.

Угол между круговыми сечениями  и осью сжатия в эллипсоиде деформации всегда оказывается больше 45° и  увеличивается по мере усиления деформации. По круговым сечениям, согласно построениям  Беккера, будут развиваться максимальные смещения. В деформированном теле круговые сечения разграничивают участки  с различным направлением смещения и поэтому вдоль них происходят скольжения, разрыв и появление трещин скалывания. С усилением деформации угол между трещинами скалывания увеличивается, а направления, по которым  развиваются трещины, изменяются

Все рассуждения Беккера  относительно значения круговых сечений  не соответствуют современному уровню науки о деформациях твердых  тел, так как они полностью  исключают из рассмотрения возникновение  в теле напряжения. Совпадение положения  трещин скалывания с круговыми сечениями  эллипсоида не действительное, а кажущееся, ибо, как уже отмечалось выше, трещины  скалывания в деформируемых телах  всегда располагаются под углом  меньшим 45° к оси сжатия, а в  эллипсоиде деформации круговые сечения  всегда образуют угол больше 45° к  той же оси.

В последние три десятилетия  для объяснения наблюдающихся в  природных условиях деформаций горных пород широко используется экспериментальная  тектоника, хотя первые опыты в этом направлении ставились уже с  начала XIX в.

Наиболее сложным в  эксперименте является воспроизведение  времени, всестороннего давления и  динамической обстановки. Все эти  параметры учитываются условиями  подобия, но только до определенных пределов. Для каждого из опытов модель должна соответствовать теории подобия. Пользуясь  формулой, определяющей зависимость  между скоростью деформации и  вязкостью (см. с. 68), можно подобрать такие материалы, которые, естественно, по своим свойствам в соответствии с уменьшением масштаба времени будут несущественно отличаться от горных пород.

Вместе с тем создаваемые  в моделях складки, трещины и  разрывы поразительно, до деталей, похожи на природные, что свидетельствует  об отсутствии влияния уменьшения модели на форму или ориентировку складчатых или разрывных структур, пропорционально (безразмерно) уменьшающихся по мере сокращения объема модели.

Неосуществимо пока моделирование  динамических условий, существующих в  земной коре, так как в природных  условиях деформирующие усилия в  большинстве случаев либо ниже пределов прочности, либо очень незначительно  превышают прочность, вследствие чего деформация развивается крайне медленно.

В экспериментальной тектонике  достигнуты успехи при моделировании  разрывных нарушений, трещиноватости, складчатых структур, дисгармоничных и диапировых складок. Наиболее удачные из них имеют большое познавательное значение, особенно в стадийности и последовательности различных видов деформаций и как иллюстративный материал, но они не могут служить основой изучения природных тектонических процессов.