Студопедия — О физических условиях деформации горных пород
Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

О физических условиях деформации горных пород

Вопросами, связанными с деформациями горных пород, совершающимися в природных условиях, занимается тектонофизика (В. В. Белоусов, М. В. Гзовский).

 

Понятие о деформациях и напряжениях

Деформацией тела называется изменение в относительном расположении его частиц. В процессе деформации твердые тела испытывают изменение формы или объема. При деформациях происходит растяжение, сжатие, сдвиг, изгиб, кручение тел. Все многочисленные виды деформации, как бы они ни были сложны, всегда можно свести к комбинации простейших видов: сжатию, растяжению и сдвигу. Деформации сжатия и растяжения определяются относительным укорочением или удлинением тела. а деформация сдвига – углом скоса первоначального прямого угла.

Сжатие, растяжение и сдвиг могут происходить в теле одновременно в различных направлениях.

При деформации различаются три последовательные стадии: упругая, пластическая и разрушения. Развитие деформации и ее конечный результат полностью зависят от напряжений, возникающих в теле под воздействием внешних сил.

Напряжением называются возникающие в теле силы, уравновешивающие приложенные внешние силы, вызывающие в теле упругие деформации. Эта уравновешивающая сила, отнесенная к единице поверхности тела, называется общим напряжением.

Напряжение легко представить себе, если мы разрежем тело, находящееся под воздействием внешней силы, уберем его часть и заменим ее силой, приложенной к оставшейся части таким образом, чтобы она сохраняла покой (вектор Р)

Общее напряжение может быть разложено на две силы: нормальную, действующую перпендикулярно к поверхности разреза, и касательную, действующую вдоль этой поверхности. Нормальная и касательная силы, отнесенные к единице площади разреза, представляют собой нормальные (s) и касательные (t) напряжения.

При любой деформации тела в каждой его точке можно найти три такие взаимно перпендикулярные площади, на которые действуют только нормальные напряжения, а касательные отсутствуют. Такие нормальные напряжения называются главными, а направления, по которым они действуют – главными осями напряжений. В изотропном теле они одновременно являются главными осями деформации.

Рассмотрим напряжения в теле, возникающие при различных видах деформации: удлинении, сжатии и сдвиге.

Если тело подвергается растяжению, то наибольшие нормальные напряжения (sмах) возникнут на площадях, расположенных нормально к оси растяжения, т. е. окажутся максимальными, а касательные напряжения в этом случае отсутствуют. На площадях, параллельных той же оси, отсутствуют как нормальные, так и касательные напряжения. Максимальное касательное напряжение возникнет на площадках, расположенных под углом 450 к оси растяжения.


Согласно теории упругости, касательные напряжения на площадках, образующих между собой угол 900, равны по величине. Следовательно, максимальные касательные напряжения будут наблюдаться на всех площадках, наклоненных под углом 450 к оси растяжения. Эти площадки при одноосном напряженном состоянии в своей совокупности образуют двойной конус. Величина касательного напряжения при одноосном напряжении связана с размером максимального нормального напряжения следующим образом

tмах=sмах/2

Аналогичную ориентировку максимальные нормальные и касательные напряжения имеют в теле, подвергнутом одноосному сжатию.

 

Сдвиг в теле может быть вызван при воздействии на него двумя сопряженными парами сил. Пластинка, изображенная на рисунке, может представлять собой часть слоя горной породы в сечении, покрываемого и подстилаемого другими слоями, которые движутся параллельно границам раздела между слоями в плоскости чертежа: один (верхний) – вправо, другой (нижний) – влево.

Она же может изображать любой другой блок пород, находящийся на границе двух участков земной коры, двигающихся параллельно, но в противоположных направлениях. Обычно в таких случаях, изображая сдвиг, показывают одну пару сил. Но поскольку тело, подвергшееся воздействию, по условию не должно ни двигаться, и вращаться, должна существовать и вторая пара реактивных сил, препятствующая тому вращению тела, которое вызывается первой парой. Сложив пары сил (активную и реактивную), получим для рассматриваемого случая две главные оси деформации, из которых одна является осью растяжения, а другая осью сжатия. Для малой деформации оси повернуты под углом 450 к направлению приложенных сил. Отсюда следует, что деформация тела при сдвиге равносильна растяжению и сжатию по осям, расположенным под углом 450 к направлению приложенных пар сил.

 

Упругая и пластическая деформации

При возрастании деформирующих сил в теле сначала возникает упругая, а затем пластическая деформации. Связь между напряжениями и величиной упругой деформации определяется законом Гука или законом пропорциональности. Для одноосного растяжения имеем:

s=Е∙e,

где s - напряжение,

e - деформация,

Е – коэффициент пропорциональности (модуль упругости или модуль Юнга).

Таким же образом устанавливается понятие величины модуля сдвига:

t=G·g,

где t - касательное напряжение,

g - величина сдвига,

G – модуль сдвига.

Модули упругости и сдвига меняются в широких пределах для различных гонных пород. Так Е для гранита равен 6000 кг/см2, а для глин 30 кг/см2.

Горные породы оказывают различное сопротивление деформации. Сопротивление тела деформации называется прочностью. Наибольшей прочностью обладают тела при сжатии, наименьшей – при растяжении.

В отличие от упругой пластическая деформация является остаточной (необратимой) и сохраняется при снятии напряжений. Таким образом, во время действия напряжений деформация горной породы делится на упругую и пластические составляющие общей деформации. После прекращения действия напряжений сохраняется лишь одна пластическая составляющая. Деформация тела под воздействием приложенных к нему сил может быть выражена в виде графика.

 

 

Отрезок кривой ОА, отражающей состояние напряжения деформации в теле, соответствует упругой деформации. За пределами упругости кривая некоторое время поднимается, т. е. для роста деформации требуется увеличение нагрузки. Однако это увеличение напряжения значительно меньше, чем в упругой области, и кривая в соответствии с этим в пластической области значительно положе, чем в упругой. Отрезок кривой БВ соответствует деформации при ослаблении тела перед разрывом.

Механизм пластической деформации состоит в том, что упругая деформация, вызванная той или иной нагрузкой, закрепляется путем перераспределения частиц и принятия ими нового устойчивого положения. При этом напряжения постепенно падают до величины, отвечающей пределу упругости.

Пластическая деформация в твердом теле связана со сдвиговыми перемещениями частиц в направлении максимальных касательных напряжений. На гранях деформированных образцов горных пород эти поверхности скольжения, совпадающие с плоскостями максимальных касательных напряжений, представлены так называемыми линиями Чернова-Людерса.

При растяжении тела, например медной проволоки, последняя вначале упруго вытягивается, а за пределами упругости начинает течь с образованием на том или ином отрезке так называемой шейки.

Изучение проволоки в состоянии течения под электронным микроскопом показывает, что пластическая деформация в шейке происходит путем относительного скольжения внутри нее очень тонких пластинок в направлении максимальных касательных напряжений по плоскостям, наклоненным под углом 450 к оси растяжения. Толщина пластинок оказывается неодинаковой у различных материалов и зависит от строения кристаллической решетки.

При сжатии плоскости максимальных касательных напряжений располагаются под углом в 450 к оси сжатия и в этом же направлении развиваются поверхности скольжения. Последние разделяют тело на множество мельчайших призм, из которых одни выжимаются в стороны, а другие выклиниваются между ними (рис.).

В. В. Белоусов отмечает, что кристаллическое и в особенности зернистое строение горных пород вносит в механизм их пластической деформации ряд особенностей. При деформации породы, состоящей из зерен, поверхности скольжения, как правило, приспосабливаются к уже готовым, относительно расслабленным разделам, возникающим на границах между отдельными зернами породы. Это межзерновое скольжение использует также поверхности наслоения и контакты различных геологических тел там, где эти контакты по залеганию близки к направлениям максимальных сдвигов.

В твердых породах, где связи между зернами прочны, скольжение часто оказывается более легким не по поверхности раздела между зернами, а внутри самих зерен. Пластическая деформация происходит тогда путем внутризерновых скольжений. В зернах с кристаллическим сложением при скольжении используются направления рядов частиц в кристаллической решетке.

Пластичные материалы и породы способны выдерживать значительную пластическую деформацию без разрушения. В хрупких телах непосредственно вслед за упругой деформацией или после очень незначительной деформации наступает разрушение. Таким образом, для пластических тел между пределом упругости и пределом прочности имеется широкий интервал, тогда как для хрупких тел оба эти предела совсем или почти совсем совпадают.

Механические свойства твердых тел зависят от их строения и внешних условий. Среди последних большое значение имеют температура, растворители и адсорбирующиеся жидкости, всестороннее давление, скорость деформации, характер напряженного состояния тела. Так, повышение температуры ведет к повышению пластичности твердых тел. Соприкосновение тела с растворителем или с жидкостью, адсорбируемой телом, также повышает способность тела пластично деформироваться.

Влияние всестороннего давления на пластические деформации двоякое. С одной стороны, давление повышает сопротивление тела пластической деформации, а с другой – тот же фактор сильно повышает пределы упругости и прочности, а также пластичность тела. В связи с этим тела, являющиеся хрупкими при нормальных условиях, могут стать пластичными при высоком всестороннем давлении.

Скорость деформации является, по-видимому, одним из основных факторов, влияющих на пластические свойства горных пород. Это влияние заключается в том, что повышение скорости деформации приводит к увеличению сопротивления тела деформации и понижению его пластичности. Наоборот, относительно более медленная деформация повышает пластичность тела. Поэтому тело, ведущее себя при быстром механическом воздействии как хрупкое, при медленном воздействии малых напряжений медленно, но значительно деформируется.

Зависимость пластичности и пластических деформаций от напряженного состояния твердых тел выражается таким образом, что наиболее благоприятным для повышения пластичности оказывается сжатие, а наименее благоприятным – растяжение. Объясняется это тем, что сжатие уменьшает объем тела и повышает его пластичность, а растяжение, наоборот, увеличивает хрупкость тела и ослабляет его способность к необратимой деформации без разрыва.

Большое значение в пластических деформациях горных пород имеют явления релаксации и ползучести. Релаксация заключается в падении напряжений в теле, в котором поддерживается постоянная величина пластической деформации (а на рис.).

Происходит это в связи с тем, что частицы тела, смещаясь в процессе пластической деформации, будут находить новые устойчивые положения, и напряжения, вызывающие перемещение частиц, при достижении ими устойчивого положения будут исчезать.

Ползучесть выражается в продолжении пластической деформации при постоянном, не меняющемся по величине напряжении (б на рис.).

Ползучесть отражает перегруппировку в теле частиц под влиянием постоянно действующей нагрузки, до устойчивого состояния. При длительном приложении сил крайне малые изменения в положении каждой из частиц могут привести к значительной пластической деформации. Именно ползучестью, по-видимому, следует объяснять возникновение многих складок в горных породах.

 

Разрушение твердых тел

Если напряжения в деформируемом теле достигают предела прочности, тело начинает разрушаться. Существует два вида разрушения: путем отрыва и путем скалывания. Отрыв связан с нормальными напряжениями, возникающими при растяжении или при сжатии и бывает только хрупким. Скалывание вызывается касательными напряжениями и обычно бывает вязким.

И в том, и в другом случаях в теле возникают трещины, которыми оно делится на части. При отрыве трещины образуются в направлении максимальных нормальных напряжений, а при скалывании или срезе трещины направлены вдоль плоскостей максимальных сдвигов.

Рассмотрим хрупкое и вязкое разрушение тел, возникающее при растяжении, сжатии и сдвиге.

При растяжении тела и его разрушении хрупким путем оно ломается в направлении, поперечном к оси растяжения (рис. а).

При сжатии трещины отрыва возникают параллельно оси сжатия и нормально к оси поперечного удлинения. Возникновение трещин отрыва при сжатии связано с некоторой неодинаковой для разных материалов и условий критической величиной относительного поперечного удлинения (рис. б)

При сдвиге образование трещин отрыва произойдет нормально к диагонали растяжения, под углом 450к активным силам (рис. в)

При вязком разрушении распадению тела на части предшествует значительная пластическая деформация. Как уже отмечалось, в процессе пластической деформации медной проволоки при ее растяжении образуется шейка, т. е. участок, на котором происходит скольжение тонких пластинок по поверхностям, ориентированным под углом, равным приблизительно 450 к оси растяжения. При приближении допустимого растяжения проволоки к пределу ее прочности скольжение сосредоточивается на одной из плоскостей, и после того, как будет превзойден предел прочности, проволока распадется на части (рис. а).

При сжатии разрушение тела произойдет вдоль трещин скалывания, образующихся под углом, близким к 450 к оси сжатия. В реальных условиях трещины скалывания возникают под углом меньше 450 к оси сжатия и большим 450 к оси растяжения. Отклонение в расположении трещин скалывания от направления максимальных касательных напряжений объясняется внутренними силами трения, препятствующими разрыву пород (рис. б).

Разрушение тела при сдвиге вызывается возникновением трещин скалывания, ориентированных под углом несколько меньшим 450 к оси наибольшего сжатия. Обычно возникает одно направление, параллельное активной паре сил, но может появитьс и два направления, одно из которых параллельно силам активной пары, а другое – перпендикулярно (рис. в).


На характер разрушения влияют не только свойства материала, но и внешние условия от которых зависят эти свойства: температура, всестороннее давление, среда, скорость деформации, схема напряженного состояния. Эти факторы определяют тип разрушения в связи с тем влиянием, которое они оказывают на пределы прочности, на отрыв и скалывание в различных условиях. Для огромного большинства материалов пределы прочности на отрыв и скалывание различаются между собой. Но в зависимости от условий, в которых происходит деформация, эти пределы прочности по-разному поднимаются или снижаются в шкале напряжений, причем они даже могут меняться местами.

Повышение температуры понижает прочность на скалывание. В то же время изменение температуры мало влияет на величину прочности на отрыв. Поэтому при повышении температуры увеличивается вероятность того, что разрушение произойдет путем вязкого скалывания. Наоборот, с понижением температуры, когда прочность на скалывание возрастает, а прочность на отрыв остается почти неизменной, чаще будет наблюдаться разрушение путем отрыва.

Чрезвычайно большое влияние на свойства материала оказывает скорость деформации. Повышение скорости деформации влияет так же, как и понижение температуры: прочность на скалывание повышается, а прочность на отрыв остается почти без изменения. В результате тело становится более хрупким и более способным к отрыву, чем к вязкому скалыванию. Наоборот, при медленной деформации прочность на скалывание падает, и материал становится вязким. Таким образом, меняя скорость деформации, можно один и тот же материал делать то хрупким, то вязким.

Поскольку отрыв связан с нормальными напряжениями, а скалывание - с касательными, характер разрушения зависит также от типа напряженного состояния тела, так как при различных напряженных состояниях соотношение максимальных нормальных и касательных направлений различно. При растяжении наиболее вероятно хрупкое разрушение тела путем отрыва; при сжатии более вероятным окажется сжатие.

Большое влияние на достижение предела прочности горных пород оказывает всестороннее давление. С ростом всестороннего давления повышается и предел прочности.




<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>
Особенности многоканальных измерительных систем | ЧРЕЗВЫЧАЙНЫЕ СИТУАЦИИ И ЗАЩИТА ОТ НИХ.

Дата добавления: 2015-08-12; просмотров: 1943. Нарушение авторских прав; Мы поможем в написании вашей работы!



Аальтернативная стоимость. Кривая производственных возможностей В экономике Буридании есть 100 ед. труда с производительностью 4 м ткани или 2 кг мяса...

Вычисление основной дактилоскопической формулы Вычислением основной дактоформулы обычно занимается следователь. Для этого все десять пальцев разбиваются на пять пар...

Расчетные и графические задания Равновесный объем - это объем, определяемый равенством спроса и предложения...

Кардиналистский и ординалистский подходы Кардиналистский (количественный подход) к анализу полезности основан на представлении о возможности измерения различных благ в условных единицах полезности...

Характерные черты немецкой классической философии 1. Особое понимание роли философии в истории человечества, в развитии мировой культуры. Классические немецкие философы полагали, что философия призвана быть критической совестью культуры, «душой» культуры. 2. Исследовались не только человеческая...

Обзор компонентов Multisim Компоненты – это основа любой схемы, это все элементы, из которых она состоит...

Кран машиниста усл. № 394 – назначение и устройство Кран машиниста условный номер 394 предназначен для управления тормозами поезда...

Схема рефлекторной дуги условного слюноотделительного рефлекса При неоднократном сочетании действия предупреждающего сигнала и безусловного пищевого раздражителя формируются...

Уравнение волны. Уравнение плоской гармонической волны. Волновое уравнение. Уравнение сферической волны Уравнением упругой волны называют функцию , которая определяет смещение любой частицы среды с координатами относительно своего положения равновесия в произвольный момент времени t...

Медицинская документация родильного дома Учетные формы родильного дома № 111/у Индивидуальная карта беременной и родильницы № 113/у Обменная карта родильного дома...

Studopedia.info - Студопедия - 2014-2024 год . (0.011 сек.) русская версия | украинская версия