Упругие свойства горных пород
Напряженно-деформированное состояние горных пород
В трехмерной модели любой вектор напряжений раскладывается на три составляющие - одну нормальную и две касательные. Выделим элементарный объем горной породы, находящийся в напряженно-деформированном состоянии (рис.3.5). Полной характеристикой этого состояния является тензор напряжений, т.е. совокупность всех напряжений в горной породе:
.
(3.3)
Из условия равновесия необходимо равенство моментов относительно координатных осей. Поэтому
.
Таким образом, напряженное состояние горной породы в любой точке можно описать тремя парами нормальных и касательных напряжений.
Линейные и сдвиговые деформации можно разложить на составляющие векторы по осям координат и записать тензор деформаций, определяющий характер деформаций любой точки тела. Тензор деформации также симметричен, так как противоположные сдвиговые деформации (например, ) равны между собой:
(3.4)
Условно напряжениям и деформациям сопоставляют знак. Принято, что сжимающие напряжения положительны, растягивающие - отрицательны. Аналогичный знак имеют линейные деформации - сжатие положительно, растяжение отрицательно. Касательные напряжения считаются положительными, если обеспечивают поворот тела против часовой стрелки.
В предыдущем разделе показано, что в площадке, перпендикулярной линии действия внешней нагрузки, касательные напряжения отсутствуют, и действует максимальное нормальное напряжение.
Рис. 5.5.Тензор напряжений
Рис.3.6. Объемное напряженное состояние горной породы
Тогда в объемной задаче всегда можно найти такое положение элементарного объема горной породы, когда на его гранях будут присутствовать только максимальные нормальные напряжения . Такие площадки, где касательные напряжения отсутствуют, действующие в них максимальные нормальные напряжения называются главными. Причем . Объемное напряженное состояние описывается следующими кругами напряжений (рис.3.6). В площадке, параллельной линии действия главного напряжения оно равно нулю и действуют только . Этому состоянию соответствует круг напряжений №1. Аналогично, круг №2 соответствует площадке, параллельной линии действия напряжения , и круг №3 - напряжения . В теории упругости доказывается, что в площадках, не параллельных ни одной из линий действия главных напряжений и ориентированных под углами к соответствующим осям,
, (3.5)
. (3.6)
Геометрически эти напряжения соответствуют точкам, лежащим в области, заштрихованной на рис. 3.6.
Проектирование процессов разработки горных пород в большинстве случаев, так или иначе, связано с определением энергоемкости процесса деформирования или разрушения горных пород. График деформации упругой горной породы может быть представлен в следующем виде (рис.3.7). Пусть под действием силы горная порода деформировалась на величину . Совершенная при этом работа равна произведению средней силы на величину
(3.7)
Если при деформации сила равномерно изменялась от 0 до P, то
. (3.8)
Рис 3.7. График деформации
Графически эта работа соответствует площади, ограниченной линией деформации, т.е. площади треугольника OAB (см. рис.3.7). Определим удельную работу деформирования горной породы единичного объема , где - площадь сечения и - высота куба породы. Тогда
(3.9)
С учетом того, что есть напряжение, а - относительная продольная деформация, получим
, (3.10)
что тоже соответствует площади, ограниченной линией деформации, но в относительных координатах ( ). При использовании данной формулы возникает проблема измерения деформации . Однако в случае упругого поведения горной породы деформация прямо пропорциональна действующему напряжению. Эта зависимость называется законом Гука
. (3.11)
Здесь коэффициент пропорциональности E, соответствующий тангенсу угла наклона линии деформации (см. рис. 3.7), называется модулем упругости (модулем Юнга), (Па).
, (3.12)
Отсюда , тогда уравнение (3.10) преобразуется к виду
(3.13)
Из уравнения (3.12) следует, что модуль упругости есть напряжение, которое нужно приложить к телу для его удлинения в два раза. Для горных пород эта величина составляет десятки миллиардов Паскалей (ГПа). Величина модуля упругости зависит от характера напряжения. Так, модуль Юнга при сжатии в 1,5-4 раза больше по величине, чем при растяжении.
Для касательных напряжений также справедлив закон Гука
, (3.14)
где называется модулем сдвига. Отсюда следует, что модуль сдвига - это напряжение, необходимое для сдвига породы на 45°.
Для каждой горной породы соотношение между продольными и поперечными деформациями - величина постоянная, т.е. является свойством породы. Коэффициент пропорциональности называется коэффициентом Пуассона
(3.15)
При объемном сжатии коэффициентом пропорциональности между напряжениями и деформациями является модуль объемного (всестороннего) сжатия
> , (3.16)
где - относительная объемная деформация.
Для идеально упругого однородного тела между этими характеристиками существует взаимосвязь
, (3.17)
. (3.18)
Для изотропного тела связь между напряжениями и деформациями в трехмерной модели описывается обобщенным законом Гука
(3.19)