Медленные периодические процессы при сжатии образцов горных пород и щелочно-галоидных кристаллов

2
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ......................................................... 4
Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О ЛОКАЛИЗАЦИИ
ДЕФОРМАЦИИ ...................................................... 12
1.1.0 локализации деформации в неметаллических материалах 12
1.2. Механизмы разрушения неметаллических материалов........... 26
1.3. Процессы самоорганизации в твердых телах на разных масштабных уровнях ......................................... 35
1.4. Макроскопическая локализация деформации................... 39
1.5. Автоволновой механизм локализации деформации
твердых тел ................................................... 42
1.5.1. Картины локализации и стадийность пластического
течения ..................................................... 43
1.5.2. Скорость движения очагов локализации пластического течения ................................................ 45
1.5.3. Дисперсионное соотношение ............................ 47
1.5.4. Инвариант упругих и пластических деформаций .......... 48
1.5.5. Локализация деформации как автоволновой процесс ...... 49
1.5.6. Длина волны локализации деформации и масштабный
эффект ...................................................... 51
1.5.7. О формировании автоволн локализации деформации........ 52
1.6. Постановка задачи ........................................ 56
Глава 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ....................... 59 '
2.1. Метод механических испытаний.............................. 59 <
ч *
2.2. Метод двухэкспозиционной спекл-фотографии................. 60
2.3. Телевизионный метод регистрации электронных спекл-изображений для исследования макролокапизации деформации АЬМЕС-ТУ......................................... 73
3
2.4. Поляризационно-оптический метод исследования
напряжений (метод фотоуиругости) ........................... 80
2.5. Материалы исследований................................. 86
Глава 3. ЗАКОНОМЕРНОСТИ МЛКРОЛОКАЛИЗАЦИИ ДЕФОРМАЦИИ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ СЖАТИИ ........................... 92
3.1. Влияние скорости деформирования на картины локализации при сжатии горных пород (песчаника и мрамора) с помошыо автоматизированного лазерного измерительного
комплекса ALMEC-TV .......................................... 92
3.2. Результаты исследований локализации деформации при сжатии горных пород (песчаника; мрамора и сильвинита) ............ 138
3.3. Анализ результатов...................................... 153
Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ЛОКАЛИЗАЦИИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ ПРИ СЖАТИИ ЩЕЛОЧНО-ГАЛОИДНЫХ КРИСТАЛЛОВ .................................................. 159
4.1. Результаты механических испытаний....................... 159
4.2. Результаты исследований картин двулучепреломления при сжагии щелочно-галоидных кристаллов (NaCl; KCl и LiF) с помощью поляризационно-оптического метода исследования напряжений................................................... 163
4.3. Картины локализации пластической деформации при. сжатии щелочно-галоидных кристаллов-О^аО, КС1 и LiF) с использованием метода двухэкспозиционной спекл-фотографии ................ 167
4.4. Анализ результатов...................................... 178
4.5. Реализация результатов диссертационного исследования и направления их возможного практического применения........ 186-
ЗАКЛЮЧЕНИЕ .................................................. 196
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ................................ 198
ПРИЛОЖЕНИЕ..................................................... 200
ЛИТЕРАТУРА..................................................... 205
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Необходимость исследований поведения горных пород при нагружении продиктована широким спектром теоретических и практических задач, возникающих при геомеханическом анализе состояния подработанного массива. В геомеханике требуется знание не только механических свойств горных пород, но и особенностей их деформации, которые могут быть использованы для оценки напряженного состояния и разрушения [1-5]. При этом следует признать, что закономерности деформирования и разрушения горных пород изучены далеко не в полной мере.
Определяющие эти закономерности вопросы взаимодействия дефектов кристаллической структуры с полями различной природы (силовыми, радиационными, электрическими, магнитными) являются предметом современной физики конденсированного состояния [6-10]. Анализ основных направлений исследований и существующих подходов к проблеме деформации твердых дел показывает, что идеи о неоднородности и локализации фактически присущи физической теории, пластичности и прочности во всех ее вариантах. Локализация^ пластической деформации проявляется на всех масштабных и структурных уровнях процесса'в виде полос и пачек скольжения, дислокационных субструктур (ячейки, полосовые структуры, фрагменты), фронтов пластической, деформации, полос сброса, пространственно-временных осцилляций пластической деформации и т.п.
В ИФПМ СО РАН1 при использовании- метода спекл-фотографии установлены главные закономерности процессов макроскопической локализации деформации твердых тел при нагружении. В большинстве случаев картины распределения зон локализации деформации упорядочены в пространстве и во времени, а тип локализации определяется законом пластического течения (деформационной диаграммой материала). В настоящее время предложена автоволновая модель формирования упорядоченных макромасштабных кар-
5
тин локализации в металлах [11]. Однако в выполненных ранее работах проблема макроскопической локализации пластической деформации изучалась главным образом на металлических ГЦК, ОЦК и ГПУ моно- и поликристаллах при растяжении. Поэтому всегда остается возможность альтернативного объяснения указанных особенностей эволюции макролокализации деформации. В связи с этим для прямого экспериментального подтверждения авто-волновой природы пластического течения актуальными являются исследования макролокализации деформации в щелочно-галоидных кристаллах, на которых традиционно изучаются механизмы пластического течения [12-14]. Это обусловило интерес к исследованиям.деформационного поведения пластичных щелочно-галоидных кристаллов, поскольку их механические свойства и структура подробно изучены. В то же время важна информация о характере деформирования горных- пород в зависимости от действующих в массиве напряжений и от накопленных неупругих деформаций. Это обстоятельство обусловило интерес к исследованиям характера неоднородности деформации квазипластичных горных пород.
Цель настоящей работы состоит в развитии автоволновой модели локализации деформации-для описания деформационных процессов-в > горных породах и щелочно-галоидных кристаллах.
Для достижения цели необходимо-решить следующие частные задачи:
1. Исследовать картины локализации деформации и установить их количественные характеристики при сжатии образцов горных пород, в частности:
- сильвинита (NaCl + KCl), деформирующегося-дислокационным скольжением,
- мрамора (СаСОз), деформирующегося двойникованием,
- песчаника (SiC^), деформирующегося за счет зернограничных процессов, используя автоматические системы анализа спекл-фотографий и электронных спекл-изображений.
2. Исследовать пространственные распределения компонент тензора пластической дисторсии в щелочно-галоидных кристаллах (NaCI, KCl, LiF) и установить взаимосвязь картин распределений локальных деформаций (спекл-фотография) и двулучепрсломления (фотоупругость) со стадийностью их кривых упрочнения. .
3. Определить .параметры пространственно-временных распределений компонент тензора дисторсии в процессе нагружения сжатием исследуемых горных пород и.щелочно-галоидных кристаллов.
4. Установить.общность или различие автоволновых характеристик эволюции макролокализации пластического течения в щелочно-галоидных кристаллах с данными, полученными ранее для ГЦК металлических монокристаллов.. ...
Научная новизна результатов состоит в том, что
- исследованы картины макроскопической локализации деформацишпри сжатии горных пород (песчаника, мраморами сильвинита), а также щелочно-галоидных кристаллов (LiF, NaCl, KCl), которые были, главными, экспериментальными, объектами, при. создании, физической теории пластичности, и определены основные типы и параметры локализации -деформации горных пород и щелочно-галоидных кристаллов методом; двухэкспозиционной сиекл-фотографиии электронных спекл-изображений, .
установлен автоволновой характер, локализации'деформации при сжатии неметаллических материалов— горных пород.(песчаника, мрамора и сильвинита)* а также щелочно-галоидных кристаллов. Скорости очагов локализации деформации на линейных стадиях в щелочно-галоидных кристаллах и горных породах (сильвините) удовлетворяют универсальной обратно пропорциональной зависимости скоростей движения автоволн локализованной деформации от 0/G на стадии линейного упрочнения, которая была получена ранее для металлических ГЦК, ОЦК и ГПУ моно- и поликристаллов, для ко-
торых механизмом пластической деформации, как и для щелочно-галоидных кристаллов, является дислокационное скольжение;
- в лабораторных условиях наблюдалось распространение автоволн локализованной деформации в образцах из горных пород со скоростями, близкими к наблюдаемым в горных пластах после землетрясений и горных ударов так называемым «медленным движениям» (~КГ5-1(Г4 м/с = 1-10 км/год);
— установлено однозначное соответствие картин локализации пластического течения и двулучепреломления при сжатии щелочно-галоидных кристаллов, доказывающее, что зоны локализованной пластической деформации представляют собой совокупность сдвигов по плоскостям скольжения кристаллов;
- установлено существование инвариантного для упругой и пластической деформаций щелочно-галоидных кристаллов произведения макроскопических параметров локализации пластического течения (к — длина волны,
— скорость распространения) и микроскопических параметров кристаллической решетки деформируемых твердых тел (Ь — модуль вектора Бюр-герса, У± — скорость упругих поперечных волн).
Научная ценность работы, заключается1 в том; что комплексное исследование локализации деформации сжатия горных пород (сильвинита, мрамора, и песчаника) и щелочно-галоидных кристаллов подтвердило справедливость об обнаружении нового типа.волн, связанных с процессами самоорганизации в деформируемых средах и возникающих при квазистатической деформации. Ранее такие волны уже наблюдались в металлических материалах, и с учетом новых данных автоволновой характер деформации приобретает универсальный смысл для деформационных процессов твердых тел. Полученные в работе данные о макроскопической локализации деформации показали, что динамика процессов деформации в щелочно-галоидных кристаллах и в горной породе, состоящей из кристаллов с ионной связью, не отличается принципиально от динамики таких процессов в металлических материалах.
Обнаружение медленных волновых процессов пластически деформируемых соляных горных пород и ионных кристаллов должно учитываться при интерпретации геологических явлений: формировании сбросов, разломов, складок и т.п.
Практическая значимость работы. Результаты о развитии деформации пород и локализации деформации в них были использованы ООО «Проект-гидроуголь-Н» при выполнении расчетов горного давления для выбора оптимальных вариантов крепления горных выработок в условиях ОАО «Шахта им. Ф.Э. Дзержинского» ОАО УК «Прокопьевскуголь». Закономерности локализации деформации1 горных пород (мрамора, песчаника и сильвинита) и щелочно-галоидных, кристаллов- (КС1, ИаС1 и- 1ЛР)» реализованы в научной1 деятельности: при установлении механизмов” пластической деформации и разрушения твердых тел в научной лаборатории;«Физические основы прочности и пластичности» Тамбовского государственного университета; при исследовании поведения конструкций при сложных комплексных воздействиях различной природы (силовые, климатические, технологические) для разработки новых железобетонных и каменных конструкций зданий.и сооружений в Томском-государственном архитектурно-строительном университете. Экспериментальная установка, опробованная в работе, внедрена в учебный процесс Томского государственного университета и используется- студентами физико-техническою факультета при изучении курсов- «Основы физики прочности» и «Экспериментальная механика». Результаты работы, полученные с участием автора, использованы в 2010 году для аттестации установки ЛЬМЕв-ТУ, разработанной и изготовленной в ИФПМ СО РАН по программе «Импортозамещение» СО РАН1 для Института физико-технических проблем Севера-СО РАН (г. Якутск), а также могут быть применены при-разработке механо-физических основ разрушения горных пород и новых конструкций высокоэффективных породоразрушающих инструментов для горно-
добывающей промышленности Крайнего Севера в Институте физико-технических проблем Севера СО РАН.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Картины локализации пластической деформации при сжатии горных пород (песчаника, мрамора и сильвинита) и щелочно-галоидных кристаллов имеют автоволновой характер.
2. При одноосном сжатии образцов из горных пород в лабораторных условиях генерируются автоволны локализованной деформации, соответствующие «медленным движениям», наблюдавшимся ранее только в естественных условиях после землетрясений и горных ударов.
3. Зоны локализации пластической деформации в щелочно-галоидных кристаллах представляют собой* пачкщ сдвигов по плоскостям скольжения кристаллов. Автоволновые картины локализованного пластического течения и их количественные характеристики определяются сменой стадий процесса деформации щелочно-галоидных кристаллов при сжатии.
Достоверность полученных результатов- обеспечивается комплексным подходом-к решению поставленных задач и использованием апробированных методов; и методик исследования, применением статистических методов обработки экспериментальных результатов, анализом литературных данных и согласованием полученных результатов с данными других авторов.
Апробация работы. Результаты, диссертационной работы* были представлены на Региональной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по физике (Владивосток, 2006); XIII Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии СТТ2007» (Томск, 2007); Ш-У1* Всероссийских конференциях молодых ученых «Физика и химия* высокоэнергетических систем» (Томск, 2007-2010); V конференции молодых ученых СО РАН, посвященной М.А. Лаврентьеву (Новосибирск, 2007); Международной школе-семинаре «Многоуровневые подходы в физической мезомеханике. Фундаментальные
основы и инженерные приложения» (Томск, 2008); 48 Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (Тольятти, 2009); Международной научно-практической конференции «Инженерия поверхностного слоя деталей машин» (Кемерово, 2009); XIX Петербургских чтениях по проблемам прочности (Санкт-Петербург, 2010); Всероссийской конференции «Механика микронеоднородных материалов: и разрушение» (Екатеринбург, 2010); V Российской научно-технической конференции «Ресурс и диагностика материалов и конструкций» (Екатеринбург, 2011), а также на семинаре лабораторий Института горного дела СО РАН (Новосибирск, 2011).
Работа выполнена в рамках комплексного проекта Сибирского отделения РАН № 01.2.007 04645 «Экспериментальная и теоретическая разработка автоволновой модели.локализованной пластической деформации структурнонеоднородных материалов на мезо- и макромасштабных уровнях и ее приложений. к определению критических состояний и оценке прочности, износостойкости и долговечности материалов и конструкций» (2007-2009 гг.) и проекта программы- фундаментальных исследований Президиума РАН № 11.21 «Разработка модели пластического течения тел со структурой на основе многоуровневого-подхода и данных о макро- и микроскопических механизмах деформации и разрушения» (2009-201Г гг.).
Публикации; Основные результаты. диссертационной работы опубликованы-в 18-ти печатных работах, в том числе в 4-х статьях в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК РФг
Личный.вклад автора состоит в участии в постановке задач исследования, планировании и выполнении экспериментов, в анализе результатов экспериментальных исследований. Все результаты, представленные в диссертации, получены либо самим автором, либо при его непосредственном участии.
Структура и объем диссертации: Диссертационная работа общим объемом 224 страницы состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, приложения и списка цитируемой литературы. Работа содержит
11
96 рисунков, 11 таблиц, библиографический список включает 213 наименований.
В заключение считаю своим долгом выразить глубокую благодарность научному руководителю д.ф.-м.н., доценту С.А. Баранниковой, д.ф.-м.н., профессору Л.Б. Зуеву, к.ф.-м.н. В.В. Горбатенко, сотрудникам лаборатории физики прочности ИФ11М СО РАН за внимание, помощь в планировании и [(остановке экспериментов, обсуждении экспериментальных результатов.
12
ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О ЛОКАЛИЗАЦИИ
ДЕФОРМАЦИИ:
Проблема пластической деформации твердых тел исследовалась на протяжении последнего полувека очень детально и глубоко. Наибольший прогресс в этой области науки, начиная с 50-х годов XX столетия, был связан с развитием теории дислокаций и ее приложениями; к материаловедению и теории пластичности [15-18]. При этом главная тенденция в развитии упомянутых исследований состояла в стремлении экспериментаторов получить все более детальные и точные-данные о распределении дефектов, ответственных за пластическую деформацию, за счет использования высокоразрешающей аппаратуры, в частности электронных микроскопов [19]. Наиболее общий.вывода который.удалось сделать.на основе анализа этих многочисленных исследований^ состоит в том, что пластическое течение протекает неоднородно на любом этапе'. •
1Л. О локализации деформации в;немсталлических материалах
'• Проблема: изучения, пластической деформации имеет полуторавсковую историю. В одной из ранних работ А.Ф: Иоффе.показал [20], что все явления, происходящие за пределом-упругости, являются'результатом, физической неоднородности твердого тела. Впервые применяя рентгенографический анализ и наблюдая на флуоресцирующем экране картину Лауэ при деформировании каменной соли, установлено, что механизм пластической, деформации при сжатии или растяжении заключается в сдвигах отдельных участков кристаллов, поворачивающихся • относительно друг друга на различные углы. Выдающуюся роль. в развитии учения о прочности кристаллов сыграла также работа И;В. Обреимова и Л.В. Шубникова по исследованию полос скольжения в каменной соли оптическим методом.[21]. В-этой работе наряду с другими интересными результатами впервые обнаружено постепенное распро-
13
странение пластической деформации вдоль направления сдвига. Это означает, что приложенные сдвигающие силы неоднородно распределены по плоскости сдвига кристалла и пластическая деформация локализована на отдельных участках в плоскости сдвига [21].
Ионные кристаллы занимают особое место в истории пластичности кристаллов, так как это были первые кристаллы, изученные систематически. Кристаллы типа хлористого натрия обычно деформируются путем трансляционного скольжения по плоскостям {110}, как показано на рис. 1.1. Направление скольжения (110) является наименьшим вектором трансляции кристалла такой структуры. Следовательно, требуется наименьшая величина смещения по плоскости скольжения, чтобы восстановить структуру (рис. 1.1). Трансляция в направлении (110) также не требует, чтобы какие-то ближайшие соседние ионы одного знака оказывались рядом в процессе скольжения. Таким образом, большие электростатические силы отталкивания не возникают, когда скольжение происходит в этом направлении.
Рис. 1.1. Трансляционное скольжение в одном и том же направлении, но в двух различных плоскостях в кристаллах со структурой типа №С1: а — система скольжения {110}(110); б — система скольжения {100}(110)
а
б
14
Пластическая деформация сдвига у зависит от расстояния х(, на которое
перемещается каждая дислокация, от количества дислокаций О на единицу
£
площади и от смещения Ь> связанного с каждой дислокацией: у = ££*/, а
1
скорость пластической деформации является производной по времени от это-
б
го выражения: у = ££»/, ГДС — скорость /-й дислокации. Обычно удобно
1
рассматривать только средние величины, относящиеся к движению дислокаций, так что мы имеем: у = ЬОо, где Ь — модуль вектора Бюргерса; О — плотность дислокаций (на единицу площади); V — средняя скорость дислокаций [22].
Дальнейшие эксперименты, проведенные именно на щелочно-галоидных кристаллах, легли в основу классических работ [3, 12, 22] по изучению распределения и движением дислокаций в кристалле методом ямок травления. За этими работами последовал ряд многочисленных работ по динамике дислокаций и деформационного упрочнения ионных кристаллов в зависимости от условий нагружения (температуры, скорости деформации, электромагнитных воздействий и пр.)» [8-10, 23-30], которые интенсивно продолжаются и до настоящего времени [31-34].
Так, в.работе [13] было показано, что при сравнении.с традиционными трехстадийными кривыми* нагружения для ГЦК-металлов в щелочногалоидных кристаллах стадия I соответствует стадии- легкого, скольжения, далее следуют переходный-участок и затем линейные стадии И, III, IV с различными постоянными коэффициентами деформационного упрочнения, соответствующие количеству действующих одновременно систем скольжения {110}<1Т0> (рис. 1.2). Другая важная особенность ионных кристаллов заключается в том, что поперечное скольжение в щелочно-галоидных кристаллах затруднено по сравнению с ГЦК-металлами, в силу особенностей поперечного скольжения пинтовых дислокаций. Поэтому стадия параболического упрочнения в данных кристаллах, как правило, отсутствует.
е
Рис. 1.2. Стадийность кривых нагружения щелочно-галоидных кристаллов [13]
На рис. 1.3 и 1.4 приведены характерные деформационные зависимости а(е) для ионных кристаллов КС1 и ЫБ, полученные при различных температурах [13]. Было установлено, что разрушение кристаллов КС1 при комнатной температуре происходит растрескиванием при общей деформации е1о1 «23 %, тогда как для ЫБ это значение составляет е10, « 15 %.
Рис. 1.3. Кривые упрочнения кристалла КС1 при различных температурах. На вставке показаны начальные участки кривых [13]
Рис. 1.4. Кривые упрочнения кристалла ЫБ при различных температурах [13]
16
Анализ существующих подходов к проблеме пластичности твердых дел показывает, что идеи о неоднородности пластического течения и локализации фактически присущи физической теории пластичности во всех ее вариантах. Так, в- работе [33] с помощью метода профилометрии поверхности и оптической микроскопии описаны проявления неустойчивости пластического течения и локализации в микроструктуре щелочно-галоидных кристаллов
(ЫР и КС1) при деформации:в диапазоне скоростей от 5 • 10”5 до 2* 10“4 с-1. Экспериментально исследованы геометрические параметры полос локализованного сдвига в зависимости от скорости и температуры испытания, представленные в >табл.:. 1.1.
Некоторые проявления неоднородности пластического течения; в масштабах, соизмеримых с размерами образцов, описаны достаточно давно при деформированишкаменнойхоли [35]. В этом .случае обычно обсуждается так называемое образование сбросов в монокристаллах — областей; развернутых в результате деформирования относительно1 первоначального положения
[36]. Они могут наблюдаться как при сжатии, так и при растяжении кристаллов, особенно при повышенных температурах.
Таблица Т. Р
Параметры полос локализованного сдвига вТлР при различных " условиях деформации;[33]|.. ' ... /
Ть К : Тип деформации Скорость, с-1 Степень деформации, % Высота \ ступеней, мкм Ширина полосы,. . .. МКМ Расстоя-. НИС:МеЖ- ду полосами, мкм
>600 Сжатие ю-4 14-15 •■>100 10-50 100-500
573-1 123 Сжатие, растяже- ние 1(Г\ 10“2 12-30 10
673-1 073 Сжатие КГ4 15 10-160 5-20 50-100
13 работе [37] экспериментально изучалась локализация деформации при сжатии щелочно-земельно-галоидных кристаллов СаР2 с постоянной скоростью деформации в интервале температур Т= 373-1253 К. Установлено, что при Т> 845 К в деформированных образцах наблюдается сильная локализация-пластической деформации в: узких зонах, где сдвиговая деформация достигает: сотен процентов. Сдвиги указанных величин в ионных и ионноковалентных кристаллах ориентированы вдоль наиболее активных систем скольжения. Это обстоятельство свидетельствует о том, что механизм локализации деформации осуществляется путем активации процессов быстрого лавинообразного движения близкорасположенных дислокаций. Локализация деформации обнаружена также в сегнетоэлектрических кристаллах [38].. Однако природа этого явления остается в значительной степени неясной.
Несмотря, на то что,, в;-отличие: от пластичных ионных кристаллов, горные породы не способны?' к значительному пластическому формоизменению, деформирование этих материалов: неизбежно сонровожда-етсяшокализацией деформации;.
Необходимость оценки поведения? горных пород при; нагружении продиктована1 широким спектром теоретических и практических задач, возникающих при геомеханическом; анализе, состояния подработанного массива. В геомеханике требуется .'знание, в первую очередь, механических свойств: гор-, ных пород; но вместе с тем могут представлять интерес и особенности их. деформации; закономерности, которых могут быть-использованы для оценки напряженного состояния и разрушения.
Механические свойства горных пород характеризуют изменения.формы, размеров; и сплошности, горных, пород под воздействием механических нагрузок, которые создаются в результате действия естественных (горное давление, тектонические движения) или искусственных факторов (взрывные работы, резание, дробление пород и т.д.) [39, 40]. На величину показателей механических свойств влияют анизотропия горной породы, силы и характер
связей между частицами, ориентация ослабленных зон и слоев горной породы, размер зерен, пористость, минеральный состав.
По физической сущности деформации горных пород разделяют на упругие, исчезающие после прекращения вызвавшей их нагрузки, пластические, ' если после снятия нагрузки они не исчезают, и предельные, или разрушающие, сопровождающиеся нарушением сплошности вследствие возникающих в горных породах новых поверхностей раздела и трещин: Длительное действие постоянных нагрузок приводит к постепенному росту деформации (ползучесть горной породы), при этом также наблюдается постепенный переход упругой деформации в пластическую и далее в разрушающую. По преобладающему типу деформации все горные породы, подразделяются на упругохрупкие (например кварциты, граниты), упругбпластические (роговики, базальты) и пластические (мраморы, гипсы и др.).
Схема определения механических характеристик при-деформировании упругопластических горных пород, показана на рис. 1.5. До определенного уровня-напряжений и деформаций связные горные породы в целом сохраняют свою структуру и свойства [4, 41]. При-некотором предельном уровне деформаций ев и1 напряжений сгв. в породе начинается-интенсивный процесс разрушения структурных связей, развития сначала отдельных изолированных трещинок, сливающихся далее в микроскопические разломы. Предельное напряжение называется-пределом'прочности. Дальнейшее деформирование породы свыше уровня. ев сопровождается снижением сопротивляемости. Первоначально связанная твердая' порода превращается в дезинтегрированную массу, приближающуюся-по механическим свойствам к бессвязной сыпучей среде.
Как было показано в [40], прочностные свойства горных пород являются функцией вида напряженного состояния. Например, мрамор в условиях бокового давления сг2 = 100 МПа увеличивает свои прочностные свойства в
3.5 раза по сравнению с одноосным сжатием-.
19
Рис. 1.5. Схема определения механических характеристик при деформировании горных пород [4, 41], где ав — предел прочности, МПа; ев — деформация на пределе прочности, %; сг°ст — остаточная прочность, МПа; —
поперечная деформация на пределе прочности, %; — деформация на ос-
таточной прочности, %; Е — модуль упругости, ГПа; Д,р — секущий модуль деформации; А/Пр — модуль спада, ГПа
В этих условиях предел прочности достигается при развитии больших необратимых деформаций, составляющих около 20 %. Если такой образец, проявивший высокую прочность в объемном напряженном состоянии, разгрузить и проверить его сопротивляемость нагрузке при одноосном сжатии, то оказывается, что его прочность много меньше прочности исходного материала на одноосное сжатие. На рис. 1.6 показаны две диаграммы: диаграмма 1 получена при одноосном сжатии предварительно недеформированного образца мрамора, диаграмма 2 — при испытании предварительно деформированного образца на 10 % при <т2 = 100 МПа. Прочность деформированного образца составила 5 МПа, а исходного — 40 МПа.
20
т, МПа
Рис. 1.6. Диаграммы «напряжение - деформация», полученные при одноосном сжатии предварительно недеформированного (У) и предварительно деформированного (2) образцов мрамора [40]
Прочность снизилась в 6.7 раза. Модуль Юнга деформированного образца снизился в более чем 10 раз, а модуль спада Мпр — более чем в
100 раз.
В результате экспериментов на мраморе [40] было установлено:
1. Деформация сопровождается существенной перестройкой микроструктуры породы, сопровождающейся раздвойникованием зерен кальцита и изменением их формы. Это происходит за счет трансляционного скольжения по границам спайности, практически без нарушения сплошности зерен кальцита.
2. Процесс структурных изменений на начальной стадии нагружения происходит в отдельных, наиболее слабых микрообъемах. С увеличением 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 уча-