книги / Экспериментальная физика и механика горных пород

личины необратимых деформаций на пределе прочности оказа­ лись в три и более раза выше по сравнению со сложным нагружением. Поскольку, как уже говорилось раньше, необрати­ мые деформации объемного расширения материала пропорциона­ льны величинам линейных деформаций Де ,, то зависимости раз­

рыхления пород от параметра С при одинаковых видах напряжен­ ного состояния, достигнутых различными путями нагружения, будут иметь вид аналогичный, изображенному на рис. 1.35. При­ чины такого поведения материалов будут проанализированы при обсуждении диаграмм механического состояния горных пород.

На рис. 1.36 показаны зависимости коэффициента необратимой поперечной деформации р, от величины продольной необратимой деформации Де ,, полученные в условиях простого нагружения при разных параметрах С для карарского мрамора (а), уральского мра­ мора (б) и талькохлорита (в). Как видно из графиков, при дефор­ мации по пути нагружения с постоянным значением параметра С коэффициент (X сохраняет свое значение неизменным. Отклонения от этой зависимости наблюдаются лишь при малых значениях па­

61

раметра С и Ае,. В то же время коэффициент Ц является функ­ цией параметра С и в диапазоне изменения в экспериментах пара­ метра С от 0 до 0.5 приобретает значения от единиц до 0.5. Зави­ симость коэффициента |i, определенного в условиях простого на­ гружения, от параметра С продемонстрирована на рис. 1.37.

Рис. 1.37. Зависимости коэффициента необратимой поперечной деформации ц, определенного в условиях простого нагружения, от параметра С для карарского мрамора (7), уральского мрамора (2) и талькохлорита (3).

Другие результаты экспериментальных исследований влияния путей нагружения на свойства горных пород будут проанализиро­ ваны дальше при рассмотрении диаграммы механических состоя­ ний, модели развития деформационных процессов и фильтраци­ онных свойств горных пород.

1.4. Механизм необратимой деформации горных пород

1.4.1. Экспериментальные исследования механизма необратимой деформации горных пород

Для того чтобы понять механизм необратимой деформации гор­ ных пород, нужно изучить процессы, связанные с образованием микротрещин и микросдвигов. Ниже приведены результаты экспе­ риментов, раскрывающих различные стороны механизма развития необратимых деформаций в горных породах.

62

Как было показано, прочностные свойства горных пород являют­ ся функцией вида напряженного состояния. Например, мрамор в условиях бокового давления а 2 = 100 МПа увеличивает свои проч­ ностные свойства в 3.5 раза по сравнению с одноосным сжатием (см. рис. 1.15, л). В этих условиях предел прочности достигается при раз­ витии больших необратимых деформаций, составляющих около 20 %. Если такой образец, проявивший высокую прочность в объем­ ном напряженном состоянии, разгрузить и проверить его сопротив­ ляемость нагрузке при одноосном сжатии, то оказывается, что его прочность много меньше прочности исходного материала на одно­ осное сжатие. На рис. 1.38 показаны две диаграммы: диаграмма! по­ лучена при одноосном сжатии предварительно недеформированного образца мрамора, диаграмма 2 при испытании предварительно де­ формированного образца на 20 % при а 2 = 100 МПа. Прочность деформированного образца составила 6 МПа, а исходного 40 МПа. Прочность снизилась в 6.7 раза. Модуль Юнга деформированного образца снизился более чем в десять раз, а модуль спада М — более чем в сто раз.

т, МПа

Рис. 1.38. Диаграммы «напряжение—деформация», полученные при одноосном сжатии предварительно недеформированного (1) и предварительно деформиро­ ванного (2) образцов мрамора.

Вторая серия опытов с деформированными и недеформированными образцами проводилась в камере высокого давления при разных значениях а 2, начиная от нуля и кончая давлением а 2 = = 100 МПа. Результаты опытов представлены на 1.39. Деформи­ рованные образцы показали более низкую прочность по сравне­ нию с исходным и лишь при давлении а 2 = 100 МПа их проч­ ности сравнялись. При давлении а 2 = 100 МПа деформирован­ ный образец приобрел исходную несущую способность, которую имел предварительно недеформированный образец. Снижение

63

т, М Па

Рис. 1.39. Пределы прочности ти при разных уровнях бокового давления о 2 предварительно недеформированных (7) и предварительно деформированных при о 2 = 100 МПа (2) образцов мрамора.

прочности на сжатие предварительно деформированного образ­ ца объясняется сильной нарушенностью структуры и развитием микротрещин и пустот. При этом прочность на отрыв у дефор­ мированных образцов снижалась настолько значительно, что об­ разцы легко разбирались руками на мелкие части, которые с по­ мощью набора сит были расфракционированы по размерам, что позволило построить функции распределения процентного со­ держания фракций по их размеру. Результаты представлены на рис. 1.40 [87, 101]. На рис. 1.40, а показаны функции распреде­ ления, полученные для образцов, деформированных при давле­ ниях с 2 = 1, 10 и 50 МПа. По координате d отложен максималь­ ный линейный размер частицы. С ростом уровня бокового дав­ ления вид функции распределения меняется: образец распадается на более мелкие фракции. Однако, начиная с уровня бокового давления <Т2 = 50 МПа и вплоть до давлений ст2 = 800 МПа (при более высоких давлениях эксперимент не проводился) дальней­ шее измельчение фракций при деформации практически прекра­ тилось. На 1.40, б показаны функции распределения, получен­ ные при давлениях с 2 = 50, 150, 200, 400, 500 и 800 МПа. Кри­ вые, относящиеся к разным давлениям <т2 не очень сильно различаются между собой. Максимумы у всех функций соответ­ ствуют одному и тому же размеру фракций, равному примерно 0.3 мм. На этом же рисунке крестиками нанесены размеры и процентное содержание зерен мрамора, полученные петрографи­ ческим методом на шлифах и аншлифах недеформированного мрамора. Следует отметить, что здесь исходная функция распре­ деления, полученная петрографическим методом, перестроена с учетом возможности просеивания зерен через использованные в эксперименте сита. Как видно, петрографические определения

64

хорошо совпали с результатами ситового фракционирования. Это является одним из прямых доказательств того, что дефор­ мирование и разрушение мрамора главным образом идет по гра­ ницам зерен и кристаллитов, образующих горную породу.

Рис. 1.40. Функции распределения процентного содержания фракций дробле­ ния от их размера, полученных при деформации образцов мрамора при разных уровнях бокового давления о 2.

а. 1 — 1, 2 — 10, 5 — 50 МПа; б: 1 — 50, 2 — 150, 3 — 200,4 — 400,5 — 500,6 — 800 МПа.

Были проведены петрографические исследования микрошлифов деформированного мрамора под давлением о 2 = 0 -400 МПа и сде­ ланы сравнения со шлифами недеформированных образцов.

Краткое содержание этих исследований сводится к следую­ щему:

1. Деформация сопровождается существенной перестройкой микроструктуры породы, сопровождающейся раздвойникованием зерен кальцита и изменением их формы. Это происходит за счет трансляционного скольжения по границам спайности, практиче­ ски без нарушения сплошности зерен кальцита. Лишь в отдельных зернах появляются короткие «слепые» (не рассекающие кристаллобласты целиком) трещины отрывного характера. Явление катаклаза зерен фиксируется в узко локальных микроскопических зо­ нах дробления, приуроченных к границам зерен, и является след­ ствием больших относительных перемещений.

2.Процесс структурных изменений на начальной стадии нагру­ жения происходит в отдельных, наиболее слабых микрообъемах.

Сувеличением прилагаемой нагрузки густота этих микрообъемов увеличивается и постепенно захватывает весь исследуемый объем.

3.Основное нарушение сплошности породы осуществляется за счет разрывов по границам зерен, которые представляют наиболее ослабленные участки системы. Размеры отрывных трещин при действии больших гидростатических давлений ограничены разме­ рами зерен.

На рис. 1.41 фотография шлифа мрамора, деформированного на 15 % при боковом давлении о 2 = 400 МПа, демонстрирует сохран­ ность зерен в целом, с небольшими нарушениями по контурам. Пет­ рографические исследования мрамора находятся в хорошем качест­ венном соответствии с результатами, полученными методом ситово­ го фракционирования раздробленной массы образцов мрамора.

Рис. 1.41. Фотография шлифа мрамора, деформированного на 15 % при боковом давлении а 2 = 400 МПа.

66

Анализ развития трещинообразования в песчаниках показал [85], что остаточная деформация ВО песчаников осуществляется за счет развития главным образом межзерновых трещин и смеще­ ний по контактам зерен. Остаточная деформация ВО песчаников сопровождается переориентировкой глинистых минералов цемен­ та и обломочного материала за счет поворота, а иногда — сгиба­ ния отдельных пластинок слюд. Переориентировка способствует образованию и росту межзерновых трещин, разобщающих зерна и цементирующую массу, их раскрытию и разрыву.

Остаточная деформация НВО песчаников начинается с двойникования кристаллов кальцита, слагающих цемент этих пород, и развития внутрикристаллических трещин. В результате двойникования зерен цемента образуются каналы, поры и разрывы сплош­ ности зерен кальцита. Зерна же кварцита сохраняют в основном свою целостность.

Таким образом, деформационный процесс вданном случае затра­ гивает наиболее слабые структуры, каковыми являются здесь зерна кальцита и границы зерен. Более подробно результаты петрографи­ ческих исследований этих двух видов песчаников представлены в главе 4 данной книги, где помещены исследования фильтрацион­ ных свойств горных пород.

Обобщая весь материал петрографических исследований струк­ турных изменений в горных породах, происходящих в процессе их деформирования, следует отметить следующие важные с точки зрения понимания механизма развития необратимой деформации

внеоднородных телах положения:

1.Процесс деформации, выражающийся в развитии трещинова­ тости и взаимного смещения элементов структуры, осуществляет­ ся по слабейшим звеньям структуры, а именно по контактам меж­ ду зернами, и зернам наиболее слабого минерала в полиминеральных породах.

2.Несмотря на действие больших напряжений и деформаций, материал сохраняет свою структурную основу, зерна не теряют це­ лостности, как структурные элементы, хотя и подвергаются раз­ личного рода нарушениям.

3.При действии больших боковых давлений трещины отрыва, воз­ никающие в структуре материала, приурочены, как правило, к кон­ тактам между зернами, а размеры их ограничены размерами зерен.

4.Процесс структурных изменений на начальных стадиях разви­ тия необратимой деформации осуществляется в отдельных, раз­ розненных наиболее слабых объемах горной породы, а по мере роста деформаций и напряжений структурные изменения распро­ страняются на весь исследуемый образец материала.

5.С ростом уровня бокового давления увеличивается степень нарушенности материала за счет охвата деформационным процес­

67

сом все большего числа элементов структуры. Однако существует предельная степень нарушенности материала, которая не изменя­ ется при дальнейшем увеличении бокового давления. Это достига­ ется тоща, когда все структурные элементы вовлекаются в про­ цесс необратимой деформации.

Явления разрыхления и увеличения объема при необратимом де­ формировании главным образом вызываются одновременным об­ разованием межзеренных микроразрывов (микротрещин) и мик­ росдвигов по границам зерен. Микротрещины отрыва формируют­ ся преимущественно вдоль направления действия максимального главного напряжения. Результаты экспериментальных исследова­ ний условий формирования трещин отрыва, проведенных различ­ ными авторами, будут проанализированы позднее.

Плотность микроразрывов и микросдвигов зависит от величины гидростатического давления а 2и от вида напряженного состояния, характеризуемого параметром С. В результате слияния этих обра­ зованных микронарушений формируются макроскопические плос­ кости сдвига, по которым осуществляется процесс необратимого деформирования. На поверхности деформированных образцов ча­ сто проявляются линии скольжения, которые представляют собой след таких макроскопических плоскостей сдвига. В металловеде­ нии их принято называть линиями Чернова—Людерса, по имени ученых, впервые их наблюдавших. Наблюдаются две системы пе­ ресекающихся линий скольжения, углы ориентировки которых по отношению к оси а , и плотность расположения линий на единице поверхности зависят от вида напряженного состояния.

При выходе условий предельных состояний в горизонтальное по­ ложение (область чистого сдвига) линии скольжения располагаются под углом 45° к оси а ,, т. е. совпадают с площадками действия мак­ симальных касательных напряжений. В области напряженных со­ стояний между чистым сдвигом и одноосным сжатием угол наклона плоскостей скольжения меняется от 45° до примерно 18— 20°. В об­ ласти действия растягивающих напряжений угол наклона плоско­ стей разрушения меняется примерно от 18° при одноосном сжатии до нуля при одноосном растяжении. Фотографии деформирован­ ных и разрушенных образцов с отчетливо проявившимися плоско­ стями скольжения и разрушения приведены на рис. 1.42— 1.44. На рис. 1.42 показаны образцы горных пород, деформированные при высоких боковых давлениях а 2. На поверхностях образцов четко видны следы плоскостей скольжения. На двух средних образцах уровень боковых давлений в опытах был более высоким, поэтому угол наклона плоскостей скольжения к оси образца и плотность их на единице площади поверхности здесь также более высокие.

Динамика возникновения и развития этих плоскостей такова. Первая плоскость проявляется на поверхности образца при напря-

68

Рис. 1.42. Фотографии образцов горных пород с четкими следами плоскостей скольжения.

жениях, близких к пределу упругости. Дальше с ростом напряже­ ний в материале количество плоскостей сдвига растет вплоть до предела прочности. Несмотря на большие деформации, о которых свидетельствует бочкообразная форма образцов, деформационный процесс протекает равномерно по всем плоскостям. Сопротивляе­ мость пород в таких случаях либо увеличивается, либо держится на уровне достигнутого предела прочности. На рис. 1.43 показаны образцы, на которых после развития необратимых деформаций, протекавших по множеству плоскостей скольжения, в результате сформировалась плоскость разрушения. При этом деформация по остальным плоскостям прекратилась. Такой характер развития де­ формационного процесса реализуется при низких и средних уров­ нях боковых давлений. Диаграмма «напряжений—деформаций» в таких случаях имеет четкий ниспадающий участок за пределом прочности.

Рис. 1.43. Фотографии образцов горных пород с развившимися плоскостями разрушения.

69

Рис. 1.44. Фотография исходного образца мрамора и образца после больших необратимых деформаций в условиях высоких давлений.

На рис. 1.44 показан исходный образец мрамора и деформиро­ ванный при больших необратимых деформациях. Исследование больших деформаций с таким искажением формы образца вносит большие погрешности в определение истинных деформаций и на­ пряжений в образце. В лаборатории разработана методика иссле­ дования больших пластических деформаций горных пород, в ко­ торой исключается подобное изменение формы, искажающее нор­ мальное течение деформационного процесса в образце. Методика этих исследований изложена в главе 4.

На рис. 1.45 изображены зависимости углов а ориентировки плоскостей сдвига относительно оси <7, от параметра вида напря­ женного состояния С (а) и от величины бокового давления с 2 (б) для карарского мрамора (1), уральского мрамора (2), карельского

Рис. 1.4S. Зависимости углов а ориентировки плоскостей сдвига относительно оси о, от параметра вида напряженного состояния С (а) и от величины боково­ го давления <У2 (б) для карарского мрамора (I), уральского мрамора (2), карель­ ского талькохлорита (5).

70