Реологические свойства горных пород
Изменение напряжений и деформаций горных пород во времени описывается реологическими свойствами. В частности, рост деформаций горных пород во времени при постоянном напряжении называется ползучестью. Явление ползучести учитывается при оценке устойчивости горных выработок, расчете осадок зданий и сооружений и др. Ползучесть определяется развитием пластической деформации (межзеренное и внутризеренное скольжение) во времени. В простейшем случае для описания ползучести используют модель Максвелла (рис.3.12), которую можно представить последовательным соединением упругого элемента - тела Гука (идеальная пружина) и пластичного - тела Ньютона (поршень с отверстиями, передвигающийся в вязкой жидкости).
В зависимости от уровня приложенного напряжения различные горные породы могут испытывать затухающую и незатухающую ползучесть. Рассмотрим характерные участки графиков (см. рис.3.12), Сразу вслед за приложением нагрузки горная порода упруго деформируется по закону Гука (пружина) - участки и . Затем развивается во времени пластическая деформация (поршень). На участках и скорость деформации уменьшается - неустановившаяся ползучесть. В случае затухающей ползучести деформирование горной породы прекращается - участок , а при незатухающем характере ползучести она происходит с постоянной скоростью (установившаяся ползучесть) – участок .
Наконец, в какой-то момент деформирование породы резко ускоряется (прогрессирующее течение) и заканчивается разрушением тела - участок Следует отметить, что при определенных условиях продолжительность установившейся ползучести может быть очень велика и исчисляться годами.
Дадим количественную оценку ползучести. Общая деформация горной породы складывается из упругой и пластической составляющих:
(3.39)
Рис. 3.12. Графики ползучести горных пород
Скорость ползучести
(3.40)
В соответствии с законом Гука упругая деформация . Из закона вязкого течения Ньютона
(3.41)
где - коэффициент вязкости; - период релаксации. Окончательно, с учетом выражения (3.40),
(3.42)
Данное выражение описывает закон изменения деформации горной породы во времени и носит название основного уравнения реологии. Для случая ползучести и . Тогда
(3.43)
Действительно, ползучесть есть рост деформации при = const. Модуль упругости E и период релаксации являются свойствами породы и также во времени не меняются. Следовательно, уравнение (3.43) описывает рост деформации с постоянной скоростью, т.е. незатухающую ползучесть. (Строго говоря, уравнение справедливо только для участка , но в силу малости времени неустановившейся ползучести им можно пренебречь). Для описания затухающей ползучести необходимо привлечение более сложных моделей, например модели Пойнтинга - Томсона, в которой параллельно включается еще один упругий элемент - пружина, тормозящая рост деформации. Однако в случае затухающей ползучести для практических расчетов достаточно знать величину предельной деформации , которая определяется по формуле
t wx:val="Cambria Math"/><w:i/><w:lang w:val="EN-US"/></w:rPr><m:t>E</m:t></m:r></m:den></m:f></m:e></m:d></m:e><m:sup><m:r><w:rPr><w:rFonts w:ascii="Cambria Math" w:h-ansi="Cambria Math"/><wx:font wx:val="Cambria Math"/><w:i/><w:lang w:val="EN-US"/></w:rPr><m:t>m</m:t></m:r></m:sup></m:sSup></m:oMath></m:oMathPara></w:p><w:sectPr wsp:rsidR="00000000"><w:pgSz w:w="12240" w:h="15840"/><w:pgMar w:top="1134" w:right="850" w:bottom="1134" w:left="1701" w:header="720" w:footer="720" w:gutter="0"/><w:cols w:space="720"/></w:sectPr></w:body></w:wordDocument>"> (3.44)
где А и m - эмпирические коэффициенты (свойства горной породы).
Явление, обратное ползучести, называется релаксацией напряжений. Релаксация напряжений - это снижение напряжений горных пород во времени при постоянной деформации. Данное явление постоянно проявляется и учитывается, например, при проектировании сооружения горных выработок. Описание процесса релаксации также можно провести на основе модели Максвелла (см. рис.3.12). Так, если зафиксировать деформацию, то сжатая пружина начнет расслабляться, проталкивая поршень в вязкую жидкость. В реальной породе, в основном за счет механизма межзеренного скольжения, упругая деформация переходит в пластическую, что сопровождается снижением уровня напряжений в теле. Опыт показывает, что снижение напряжений во времени происходит по экспоненте
(3.45)
где - начальное напряжение.
При , т.е. период релаксации есть время, в течение которого напряжения в горной породе убывают в е = 2,71 раза. Для большинства скальных пород это время очень велико - сотни, иногда тысячи лет. Поэтому на практике часто используют относительный показатель снижения напряжений
(3.46)
где - напряжения в данный момент времени.
Длительная прочность - это прочность горной породы при бесконечно большом времени нагружения. Снижение прочности во времени также подчиняется экспоненциальному закону (рис.3.13). Здесь: - начальная (мгновенная) прочность породы, , - экспонента графика, т.е. минимально возможная прочность горной породы. Величину длительной прочности ад, часто называют абсолютно безопасной нагрузкой. Уменьшение прочности породы под нагрузкой определяется следующими факторами. Со временем за счет направленного движения дефектов структуры (вакансий, атомов внедрения, дислокаций) происходит их группирование (объединение), что увеличивает нарушенность горной породы. Кроме того, за счет межзеренного скольжения напряжения с вязкопластичных зерен породы перераспределяются на более упругие, создавая локальные очаги перенапряжений.
Рис.3.13. Изменение прочности горных пород во времени
Рис. 3.14. Ползучесть горных пород при разном уровне нагрузки
При этом могут играть роль и другие факторы, например, понижение, за счет адсорбции молекул воды поверхностью трещин, поверхностной энергии горной породы (эффект Ребиндера). Для скальных пород снижение прочности со временем нагружения может достигать 20-30 %.
Определение величины длительной прочности производится, как правило, путем испытания горной породы на ползучесть. Пусть установлены характеристики ползучести при ступенчато возрастающей нагрузке (рис.3.14). Из графика видно, что при напряжениях и наблюдается затухающая ползучесть (кривые 1 и 2). Следовательно, разрушения горной породы при любой длительности нагружения не произойдет, и эти напряжения меньше величины длительной прочности. Но уже при и, тем более, при процесс переходит в стадию незатухающей ползучести, которая всегда заканчивается разрушением горной породы. Очевидно, что длительная прочность породы находится в интервале от до . Таким образом, за длительную прочность можно принять напряжение, при котором затухающая ползучесть переходит в незатухающую при одинаковых условиях нагружения.