§ 5. ОСОБЕННОСТИ ДЕФОРМИРОВАНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ
ТВЕРДЫХ ПОРОД
Для твердых пород, деформирующихся в пределах упругой области, закон
Гука выполняется только приближенно. В частности, модуль деформации при
нагружении оказывается несколько меньше, чем при разгрузке; при быстрой
разгрузке от внешнего давления появляется остаточная деформация. Это
явление принято называть упругим гистерезисом. Однако во времени
остаточная деформация исчезает и порода, если она деформирована в
пределах упругости, восстанавливает свои размеры и состояние. Этот
процесс обусловлен упругим гистерезисом пород. Явления упругого
гистерезиса и упругого последействия объясняются дефектами строения
кристаллических решеток горных пород. Внешние нагрузки и возникающие при
этом в породе напряжения вызывают направленное движение дислокаций и их
перераспределение в соответствии с принципом получения наименьшей
упругой энергии деформирования 110].
При быстром снятии нагрузки обратное перераспределение дислокаций идет с
уменьшающимся градиентом напряжений и отстает во времени от разгрузки.
Последнее проявляется в виде остаточных внутренних напряжений, которые и
являются причинами возникновения остаточных деформаций и упругого
гистерезиса.
Вследствие проявления энергии внутренних напряжений во времени в породе
происходит перераспределение дислокаций, и внутренние напряжения
уменьшаются, соответственно уменьшается и остаточная деформация (упругое
последствие).
Упругий гистерезис и упругое последействие в породе характеризует
наличие в ней взаимосвязи деформаций во времени и проявления вязкостных
и пластических свойств [3, 7].
В этих случаях за теоретическую модель принимают комбинацию идеального
упругого тела (тело Гука) и вязкого тела. При этом обычно используют
модель Кельвина—Фохта.
При нагружении испытуемых образцов пород до
некоторой постоянной величины, которая еще не приводит к нарушению его
целостности (т. е. создается постоянная величина напряженного состояния
и сохраняется постоянным длительное время, так чтобы величина деформации
не изменялась), напряжения внутри породы самопроизвольно начнут
уменьшаться из-за появления релаксационных процессов. Такое явление в
механике горных пород принято называть релаксацией напряжений.
Когда внешняя нагрузка действует на испытуемый образец породы длительное
время и сохраняется постоянной, то увеличивается общая деформация. Такое
состояние породы вызывает в ней ползучесть.
Релаксация напряжений и ползучесть твердых тел объясняются
несовершенством кристаллической структуры и анизотропией строения. При
деформировании породы обладают избытком потенциальной энергии, которая
является источником движения дислокаций и постепенной перестройки
внутренней структуры с понижением общей потенциальной энергии. Последняя
при неизменной деформации проявляется как рассасывание (релаксация)
напряжений, а при неизменной внешней нагрузке вызывает ползучесть. В
реальных условиях испытания пород на прочность релаксация напряжений и
ползучесть чаще всего проявляются одновременно. Оба эти процесса
характеризуют вязкость породы.
Изложенное выше показывает, что одной из важных
характеристик релаксации во времени является показатель вязкости породы.
В общем случае вязкость горных пород зависит от многих факторов:
температуры, напряженного состояния, скорости и величины внешнего
нагружения, физико-химического взаимодействия с внешней средой и т. д.
Для решения многих задач горного дела часто используются более сложные
модели деформируемых тел.
Опыт проводки глубоких скважин показывает, что при циклическом
нагружении стенок скважин напряженное их состояние меняется во времени,
что приводит к разрушению пород при нагрузках, меньших предельно
разрушающей, получаемой при однократном деформировании. Причем с
увеличением циклов нагружения величина разрушения монотонно уменьшается.
Это связано с тем, что от цикла к циклу нагружения в породе
накапливаются дефекты в кристаллической решетке, изменяется внутренняя
структура, происходит движение дислокаций напряжений, накапливаясь в
зонах нарушения сплошности, что вызывает местные концентрации напряжений
и понижение прочности горной породы.