книги / Экспериментальная физика и механика горных пород

2.8.Эффекты последействия

вгорных породах, вызванные предшествующей необратимой деформацией

Необратимые и пластические деформации всех твердых тел со­ провождаются тем, что после снятия внешних деформирующих на­ грузок в телах образуются внутренние остаточные напряжения, ко­ торые вызывают последующие деформации тел, именуемые дефор­ мациями последействия. Эти деформации по своей физической сущности являются деформациями ползучести при постепенно снижающемся уровне остаточных напряжений.

Явление последействия проявляется у большого круга различных материалов и металлов при деформировании их до уровня напряже­ ний ниже предела упругости. Эти явления принято относить к упру­ гим несовершенствам твердых тел, причиной которых является не­ однородность их строения. Горные породы не являются исключени­ ем и также проявляют последействие, величины которого зависят от уровня необратимых деформаций и гидростатических давлений.

Нами были исследованы [86] следующие горные породы: 1) бе­ лый уральский мрамор, 2) НВО песчаник Донбасса, 3) известняк из бассейна «Эстонсланец», 4) бурый уголь из Шурабского мес­ торождения.

Деформирование образцов проводилось в камерах высокого дав­ ления по методике, описанной ранее. Образцы в виде керна диа­ метром 30 мм и длиной 80 мм изолировались от проникновения в них гидростатической жидкости чехлом из полиэтиленовой плен­ ки. Величины гидростатического давления в опытах в зависимости от намеченной программы достигали величин от нескольких еди­ ниц до 600 МПа. Величины необратимых осевых деформаций Д е, в разных опытах изменялись от нескольких единиц до 25 %. При этом образцы никогда не доводились до разрушения.

Необратимо деформированные образцы после достижения за­ данной деформации при заданном значении гидростатического давления разгружались, извлекались из камеры и после этого ис­ следовались на последействие. Исследование проводилось в стек­ лянной вакуумной камере, куда помещался испытанный образец и где кроме вакуума могли создаваться другие газовые атмосферы.

В камере образец помещался в устройство для измерения дефор­ маций, изображенное на рис. 2.68, а. Измерения продольных и попе­ речных деформаций осуществлялись комплектом индикаторов ча­ сового типа 4 и 3 с точностью 0.01 и 0.001 мм. Поперечные деформа­ ции измерялись в двух взаимно перпендикулярных направлениях. На рис. 2.68, а указаны лишь два поперечных индикатора 3. После установки образца 1 в металлической раме 2 в камере создавался ва­ куум 10-2— 10-3 мм рт. ст. После этого вскрывался изолирующий

191

полиэтиленовый чехол. В этом случае опыт начинался сразу в вакуу­ ме. Наблюдения за показаниями индикаторов велись визуально че­ рез стеклянный колпак вакуумной камеры с регистрацией времени.

Рис. 2.68. Устройство для исследования деформаций последействия (а) и уси­ лий отпора последействия (б).

Кроме вакуума в камере создавалась атмосфера разной степени влажности путем испарения в вакууме определенного количества дистиллированной воды. Уровень влажности фиксировался разме­ щенным в камере прибором — измерителем влажности. За основу было принято два уровня относительной влажности: 30 и 100 %.

В камере создавалась атмосфера газов: азота, кислорода, водо­ рода, углекислого газа и смеси кислорода с водородом в отноше­ нии 2 : 1 . Предварительно камера вакуумировалась, затем в нее подавался газ в количестве, создававшем давление 300— 400 мм рт. ст. Вскрытие чехла в камере производилось после создания за­ данной атмосферы. Температура в камере всегда была постоянной и составляла 20— 22 °С.

На рис. 2.68, б изображено динамометрическое устройство, кото­ рое размещалось ввакуумной камере и служило для измерения меха­ нического отпора, создаваемого деформируемым образцом. Обра­ зец 4 размещался в жесткой раме 1, усилие отпора фиксировалось жестким упругим динамометром 2, показания которого регистриро­ вались индикатором часового типа 3 с ценой деления 0.001 мм.

Наиболее полные исследования были проведены на образцах уральского мрамора. Мрамор исследовался кроме вакуума и влаж­ ности также в атмосфере всех вышеперечисленных газов. На рис. 2.69 в координатах Де1п (продольные деформации последей­ ствия)— Де2п (поперечные деформации последействия)— время t представлены кривые последействия образцов мрамора, предвари-

192

Рис. 2.69. Деформации последействия образцов мрамора в вакууме и при двух уровнях влажности.

1 — вакуум, 2 — влажность 30 %, 3 — влажность 100 %. Уровни давлений а 2 (в МПа), при которых осуществлялась предварительная деформация образцов, указаны возле кри-

тельно необратимо деформированных на 18 % при уровнях гидро­ статического давления а 2 = 100, 200 и 400 МПа. Исследования проведены в вакууме и при уровнях относительной влажности 30 и 100 %. Как видно из графика, при одинаковом времени наблю­ дения наименьшая величина деформации последействия получи­ лась в вакууме, а наибольшая — в атмосфере 100 %-ной влажно­ сти. Результаты, относящиеся к атмосфере 30 %-ной влажности, оказались промежуточными.

При этом установлена зависимость величины деформации по­ следействия от уровня гидростатического давления а 2. С возраста­ нием а 2 от 100 до 400 МПа величина деформации последействия возрастает соответственно в 2— 3 раза при одинаковой во всех слу­ чаях (18 %) предшествующей необратимой деформации. Влаж-

ность сильно влияет на скорость деформации последействия в на­ чальной стадии эксперимента. Так, при 30 %-ной влажности ско­ рость деформации примерно на порядок выше, чем в вакууме, а при 100 %-ной влажности эта разница превышает два порядка. По мере протяженности эксперимента во времени скорость деформа­ ции резко падает в опытах при влажности 100 % по сравнению со скоростями, полученными при 30 %-ной влажности. Знаки дефор­ маций последействия Д е1п и Де^ одинаковые и соответствуют процессу расширения тела образца как в продольном, так и в по­ перечном направлениях. Такие же знаки деформации последейст­ вия имеют и остальные испытанные горные породы.

На рис. 2.70 изображены кривые последействия образцов ураль­ ского мрамора в средах азота, кислорода, водорода, углекислого газа и смеси кислорода с водородом. Здесь же нанесена соответст­ вующая кривая последействия в вакууме, взятая из рис. 2.69. Об­ разцы во всех случаях предварительно деформировались на 18 % под гидростатическим давлением а 2 = 100 МПа.

/, мин

А

О 1

• 2

а 3

X 4

А 5

□ 6

Рис. 2.70. Деформации последействия образцов мрамора в вакууме

ив различных газовых средах.

1— вакуум, 2 — кислород, 3 — углекислый газ, 4 — азот, 5 — водород,

б— смесь водорода с кислородом.

194

Как видно из графиков, минимальная величина деформации по­ следействия получена в вакууме. В средах кислорода, азота, угле­ кислого газа и водорода величина деформации примерно в два раза больше, чем в вакууме. В среде смеси кислорода с водородом де­ формации последействия примерно в три раза больше, чем в ваку­ уме, и примерно одинаковы с деформацией, полученной при 30 %-ной влажности (рис. 2.69). Здесь, как и прежде, поперечные деформации Д е^ и продольные Aeln имеют знаки расширения.

На рис. 2.71 представлены кривые последействия НВО песчани­ ка из Донбасса, предварительно деформированного на 15 % при с 2 = 600 МПа. Исследования велись при 100 %-ной влажности. Величина деформации последействия Де1п составила более 1 %. Знаки деформаций Де1в и Де^ соответствуют расширению.

Рис. 2.71. Деформации последействия НВО песчаника из Донбасса при 100 %-ной влажности.

Результат, аналогичный предыдущему, получен на образцах из­ вестняков из бассейна «Эстонсланец». Образец был предваритель­ но деформирован на 18 % при <т2 = 200 МПа. Исследования на по­ следействие велись при 100 %-ной влажности. На рис. 2.72 изоб­ ражен экспериментальный график.

Результаты по деформациям последействия, полученные на об­ разцах бурого у тя из Шурабского бассейна в Таджикистане, пока­ заны на рис. 2.73. Поперечная деформация регистрировалась толь­ ко на образцах, деформированных при а 2 = 100 МПа.

Все рассмотренные результаты в качественном отношении ока­ зались одинаковыми, хотя и получены на горных породах разного состава и происхождения.

195

Рис. 2.72. Деформации последействия*известняка при 100 %-ной влажности.

На рис. 2.74 изображены зависимости деформации последейст­ вия Де1п от величины предшествующей необратимой деформации Де1 образцов мрамора, которая задавалась в опытах в пределах от 5 до 25 % при давлении с 2 = 100 МПа. Опыты на последействие велись при 30 %-ной влажности, продолжительность опытов во всех случаях была одинаковой и составляла 2000 мин, что соответ­ ствовало времени, после которого деформации последействия во всех случаях в данных условиях опыта практически прекращались.

Как видно из графика, при изменении Д£, в пять раз величина де­ формации последействия Де увеличилась более чем на порядок.

Величина деформации последействия Д е1п зависит также от уровня гидростатического давления с 2, при котором происходило предшествующее необратимое деформирование.

196

Д е,п 10-3

На рис. 2.75 изображены зависимости деформаций последейст­ вия от уровня бокового давления с 2, при котором все образцы предварительно деформировались на 18 %. Полное время испыта­ ния на последействие образцов мрамора составило 400 мин, образ­ цов бурого угля — 250 мин. Как видно, при 100 %-ной влажности деформации последействия мрамора значительно превосходят его деформации при 30 %-ной влажности. Величина бокового давле­ ния с 2 способствует увеличению, при прочих равных условиях, деформаций последействия.

Опыты с образцами мрамора, аналогичные представленным на рис. 2.69, были повторены и продолжены по времени до 1500 мин. Образцы также предварительно деформировались на 18 % при дав­ лениях а 2 = 100, 200 и 400 МПа. Исследования на последействие проводились при 30 и 100 %-ной влажностях. На рис. 2.76 последей­ ствие в атмосфере 30 %-ной влажности изображено кривыми 0— А ,,

Дс1 п Ю-3

Рис. 2.75. Зависимости деформаций последействия образцов мрамора и бурого угля от величины бокового давления о 2. Все образцы деформировались на оди­ наковую величину необратимой деформации, равную 18 %.

Мрамор: 1 — при влажности 30 %, 2 — при влажности 100 %; 3 — бурый уголь при влажности 30 %.

197

t, мин

Рис. 2.76. Зависимость деформаций последействия образцов мрамора от време­ ни при изменении влажности в процессе опыта с 30 % (7) на 100 % (2).

0— А 2, 0— А з для разных уровней с 2 как для продольных деформа­ ций, так и для поперечных. Последействие в атмосфере 100 %-ной влажности для разных уровней давления с 2 представлено кривыми 0—С1( 0— С2,0 — С3 также для продольных и поперечных деформа­ ций. Описанные кривые, за исключением продолжительности экс­ перимента, аналогичны кривым, изображенным на рис. 2.69. В силу большей длительности здесь удалось зарегистрировать несколько большие величины деформаций последействия.

Новое в этой серии опытов заключалось в том, что в опытах при 30 %-ной влажности по достижении времени наблюдения, соот­ ветствующего точкам AitA2, А3, в вакуумных камерах скачком по­ вышалась влажность с 30 на 100 % и опыт далее продолжался вплоть до времени, соответствующего точкам Вх,Вг, В3.

В точках А,, А2,А3 после повышения влажности с 30 на 100 % ско­ рость последействия резко возрастает и достигает величин, харак­ терных для атмосферы 100 %, после чего скорость быстро затухает. Ход кривых на этом участке в принципе ничем не отличается от кри­ вых деформаций последействия, полученных только при 100 %-ной влажности. Суммарная деформация, полученная на одном и том же образце при 30 и 100 %-ной влажности, соответствующая точкам Вх, В2,ВЪ оказалась практически одинаковой или очень близкой с де­ формацией, соответствующей точкам Ср С2, С3, полученной на об­ разцах, исследованных только при 100 %-ной влажности. Данный

198

а , М П а

Рис. 2.77. Зависимость от времени величины отпора о, создаваемого образцами мрамора, необратимо деформированными на 18 % при а 2 = 100 МПа.

Условия опытов на последействие: 1 — влажность 100 %, 2 — влажность 30 %. 3 — результаты опытов на последействие при 100 %-ной влажности после предварительной деформации на 18 % при а 2 = 200 МПа.

результат указывает на то, что величины предельных деформаций последействия Де1п и Де2п (при времени регистрации t —> °°), отве­ чающие конкретным условиям эксперимента (Де1ост и с 2) предше­ ствующего необратимого деформирования, есть величины вполне определенные, зависящие от свойств конкретной горной породы. Кривые последействия, независимо от атмосферы, асимптотически приближаются к этим значениям,достигая их взависимости от окру­ жающей атмосферы за разные промежутки времени.

Серия опытов по исследованию последействия в жестком дина­ мометрическом силоизмерителе показала, что предварительно не­ обратимо деформированные образцы способны с течением време­ ни создавать силовой отпор, регистрируемый динамометром, и

а, МПа

Рис. 2.78. Зависимости напряжения последействия от времени в образцах НВО песчаника Донбасса, деформированных при о 2 = 600 МПа на 15 % при 100 %-ной влажности (7) и 30 %-ной влажности (2).

199