загрузка...

Соотношение локальных и интегральных деформаций образцов горных пород

  Для выявления различий в характере деформирования ненарушенных массивов и зон тектонических нарушений проводились испытания двух видов образцов. Первые — это цельные образцы с исходной трещиноватостью, вторые — ослабленные образцы, т.е. образцы, которые были предварительно подвергнуты сжатию и в них уже была сформирована система трещин при нагрузках, близких к разрушающим.
Для создания нагрузки во время длительных испытаний были использованы установки моделирования геологических процессов (УМГПМ) на базе модернизированных гидравлических прессов П-250 [Жуков, Каррыев, Сердюков, Емельянов, 1992]. Они были оснащены верхней полусферой, позволяющей верхней плите пресса наклоняться, дополнительными электроконтактными манометрами, дистанционным пультом автоматической регистрации контроля и поддержания давления. Осуществление модернизации позволило поддерживать нагрузку с точностью 5 % от заданного уровня.
Последовательно с образцом обычно помещался динамометр с наклеенными на него тензодатчиками. Параллельно с одной из боковых граней образца устанавливался измеритель перемещений часового типа с ценой деления 0,001 мм. Это позволило регистрировать прикладываемую к образцу нагрузку и его продольную деформацию.
Эксперименты проводились на образцах кубической формы с ребром 10 см, изготовленных из монолитных блоков карбонатных пород. Для сопоставления общих и локальных деформаций дополнительно регистрировали локальные деформации с помощью тен- зорезисторов, наклеенных в виде нескольких розеток на одну из боковых граней образцов.
В каждой из розеток содержалось по три тензодатчика, ориентированных под углами 0, 45 и 90 градусов, либо 0, 120 и 240 градусов к оси приложения нагрузки. Каждая розетка позволяла контролировать деформацию локального участка площадью примерно 2,5—4 см2. Частота опросов тензодатчиков составляла 5—6 раз в 124

alt="" />


Один из экспериментов (эксперимент 7) на образце плотного мелкокристаллического известняка продолжался пять месяцев, в течение которых величина квазистатического сжатия поддерживалась на уровне 0,7—0,8 от разрушающей нагрузки (70 МПа). Повторному воздействию нагрузки был подвергнут уже ослабленный, но не потерявший остаточной прочности образец (эксперимент 6). Величина квазистатической нагрузки при этом поддерживалась на уровне около 10 МПа в течение шести месяцев.
Для выяснения влияния уровня напряжений на характер процесса деформирования приведены данные испытаний (эксперимент 25) цельного образца с уровнем нагрузки 0,3—0,4 разрушающей (40—50 МПа). Под действием квазистатической нагрузки образец оставался в течение почти десяти месяцев (более 6800 ч).
Временной ход общей продольной деформации образцов в процессе длительных испытаний [Жуков, Изюмов, Кузьмин, 1990; Жуков, Кузьмин, 2003] имел вид практически прямой, монотонно возрастающей линии, временами осложненной отдельными вариациями. Наиболее характерные вариации приведены на рис. 4.1.
Анализ рис. 4.1 дает возможность разделить выявленные вариации условно на три группы: а) бухтообразные изменения, б) резкие ступенеобразные изменения, в) интервалы времени с увеличенными значениями скорости деформации. Параметры аномальных вариаций общей деформации — длительность, форма и амплитуда изменений — приведены в табл. 4.1 и 4.2.

Рис. 4.1. Примеры аномальных вариаций продольной деформации образцов при постоянной длительно действующей нагрузке на ослабленных (а) и цельных (б) образцах


Таблица 4.1
Аномальные вариации общей продольной деформации цельного образца (эксперимент 7)


п/п

Начало — конец

Длительность,
сут

Форма

Амплитуда
КГ5

1

06.07,— 12.07.

6

в), а)

7

2

14.09.— 20.09.

5

а)

5

3

22.09.— 28.09.

6

в)

4

4

22.ll.-28.il.

5

в)

2,5

5

13.12.


б)

2

Таблица 4.2

Аномальные вариации общей продольной деформации ослабленного образца (эксперимент 6)


п/п

Начало — конец

Длительность,
сут

Форма

Амплитуда
КГ5

1

30.05, —02.06.

3

а), б)

8

2

05.06, —08.06.

3

а), б)

7

3

15.06. — 17.06.

2

в)

7

4

23.06

4 ч

б)

5

5

28.06.— 02.07.

4

б), б), а)

21

6

15.07,— 19.07.

2

а)

5

7

14.09.

4 ч

б)

10
/>8
19.09.-23.09.

3

в)

7

9

30.09, —01.10.

2

б), в)

17

10

21.ll.-24.il.

3

в)

11

11

28.1 1, —30.11.

3

в)

15

12

04.12,— 11.12.

7

а)

9

13

12.12,— 15.12.

3

в)

10

14

17.12, —20.12.

3

а), в)

8

15

21.12.-28.12.

8

в)

6

Сопоставляя параметры аномальных вариаций цельного и ослабленного образцов, можно видеть, что во втором случае количество аномальных изменений деформации больше и они имеют оольшую амплитуду и продолжительность.





Особый интерес для сопоставления общей и локальных деформаций представляют изменения комплекса деформационных параметров, рассчитанных для локальных участков образца, во время протекания зарегистрированной аномалии продольной деформации всего образца в целом. Для сопоставления был выбран интервал наблюдений с 15 по 19 июля, во время которого была отмечена типичная аномалия ?0 (рис. 4.2). имеющая средние параметры.
Временной ход smax в целом отвечает поведению ?0, но вариация протекает на фоне монотонного роста gmax. Поведение ?min имеет отличающийся от ?0 характер и протекает на разных участках по-разному, вплоть до противофазных изменений (рост ?min на участках 7 и 10 и уменьшение на участках 8 и 11).
Мозаичный характер поведения наблюдается и в пространственно-временном распределении продольной и поперечной деформаций локальных участков. Такой характер, возможно, обусловлен различными прочностными свойствами отдельных областей образца. Так, в области окончания визуально наблюдаемой макротрещины (участки 4 и 7) отмечалось уменьшение продольной деформации (своего рода разгрузка), а в удаленных областях (участки 1 и происходил ее рост.
Сопоставление амплитуды изменений общей деформации ?0 и локальных деформации (етах, ?тт, Епрод- ?поп) дает соотношение порядка 1 к 10, т. е. локальные вариации деформации имеют на порядок большую амплитуду, чем общая (интегральная) деформация всего образца.
В зоне окончания макротрещины (участки 7 и 10) наблюдалось интенсивное локальное растяжение, сопровождаемое увеличением площади поверхности данного локального участка (рост Г). Это происходит за счет образования трещинной пустотное™ (дилатан- сия). Подтверждением этого служит увеличение параметра р, характеризующего степень трещиноватости образца (степень неоднородности деформирования).
Отметим, что этот дилатансионный процесс имеет локализованный в пространстве характер, так как на соседних участках 8 и 11 поведение I и р имеет существенно иной характер. Также различный характер поведения отмечен на различных участках образца и для угла поворота ф главных осей деформации (см. рис. 4.2. б). 128







Наиболее интенсивные знакопеременные изменения ф отмечались на участках 8 и 11. Определяется это синхронным ходом локальных деформаций (продольной и поперечной) и уменьшением площади поверхности У, малыми значениями р. Очевидно, что малые вариации и перераспределение напряжений в области (участки 8 и У У) по соседству с областью подготовки роста макротрещины (участки 7 и 10) вызывают при этом значительные изменения ф.
Полученные данные свидетельствуют о том, что величина общей (интегральной) деформации существенно (в десять раз) меньше величины локальных деформаций. Амплитуды изменений локальных деформационных параметров больше в зонах окончания визуально наблюдаемых трещин, нежели в ненарушенных областях образца.
Следует отметить, что увеличение значения общей деформации образца, вдоль оси приложенной нагрузки отражает обычный процесс деформирования образца, то есть сближение верхней и нижней плит нагружающего устройства. Уменьшение величины общей деформации образца, которая в данном случае рассчитывалась на основе показаний только одного индикатора перемещений верхней плиты пресса (плита оснащена сферой), говорит о неоднородном характере деформирования образца и возникновении при этом наклонов верхней плиты нагружающего устройства.
Это возможно при мягком способе приложения нагрузки на образец. Подтверждением этого являются и локальные вариации У и р отдельных участков образца.
Таким образом, выявленные аномальные изменения деформационных параметров образца указывают на сложный и дискретный характер деформирования отдельных областей образца с ярким проявлением на определенных этапах дилатансионной природы подготовки разрушения.
Во время проведения эксперимента на цельном образце (эксперимент 25) при малых значениях приложенной к образцу нагрузки (на уровне 0,3 разрушающей) за 300 сут наблюдений был отмечен только один случай возникновения аномальных вариаций (рис. 4.3).
Амплитуда аномального изменения общей деформации составила при этом 10'4, а длительность — около 20—25 сут. В отличие от описанных выше аномальных изменений длительность этой


Рис. 4.3. Изменения во времени:
общей продольной деформации е и Hamv^k-w гх я .              ~              „
ном одноосном сжатии образца малой нагрузгай ’              ' УЛ* ЮНГЗ ? “ Е /ст ПРИ шитель-


аномалии существенно больше. Можно отметить и более редкий • арактер их возникновения при малых нагрузках по сравнению с Климентами при нагрузке, близкой к разрушающей (экспери-
/>Отсутствие изменений внешнего воздействия на образец и наличие аномальных изменений деформационных параметров образца позволяют сделать вывод о том, что они вызваны изменениями внутренних параметров среды, а сами эти деформации в этом случае являются параметрическими [Кузьмин, 1986].
Суммируя изложенное выше, можно отметить следующее.
Временной ход общей продольной деформации образцов в процессе длительных испытаний имел вид практически прямой монотонно возрастающей линии, временами осложненной отдельными аномалиями, обусловленными изменениями внутренних параметров образца, то есть параметрическими деформациями.
Величина общей (интегральной) деформации образцов существенно меньше (порядка 1 к 10) величины локальных деформаций. Амплитуды изменений локальных деформационных параметров больше в зонах концентрации напряжений, нежели в ненарушенных областях образцов. Количество аномальных изменений деформации ослабленного образца больше, чем цельного образца, и они имеют большую амплитуду и продолжительность. Отмечен более редкий характер возникновения аномальных изменений деформаций при малых нагрузках по сравнению с экспериментами при нагрузках, близких к разрушающим образцы.
Выявленные аномальные изменения интегральных и локальных деформационных параметров образца говорят о сложном и дискретном характере деформирования отдельных областей образца с ярким проявлением на определенных этапах дилатансионной природы подготовки разрушения. 
<< | >>
Источник: Кузьмин Ю.О., Жуков В.С.. Современная геодинамика и вариации физических свойств горных пород. — 2-е изд., стер.. 2012

Еще по теме Соотношение локальных и интегральных деформаций образцов горных пород:

  1.   § 1. СОСТОЯНИЕ И ВИДЫ ВОДЫ В ГОРНЫХ ПОРОДАХ
  2. Свойства горных породи их роль в рельефообразовании
  3. Г л а в а 1 МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВОЗРАСТА ГОРНЫХ ПОРОД
  4. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПНОГО ВОЗРАСТА ГОРНЫХ ПОРОД
  5. Кузьмин Ю.О., Жуков В.С.. Современная геодинамика и вариации физических свойств горных пород. — 2-е изд., стер., 2012
  6. § 1. ФОРМЫ ЗАЛЕГАНИЯ МАГМАТИЧЕСКИХ ГОРНЫХ ПОРОД
  7. § 2. ВОДОПРОНИЦАЕМОСТЬ И ДРУГИЕ СВЯЗАННЫЕ С НЕЙ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД
  8. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОГО ВОЗРАСТА ГОРНЫХ ПОРОД
  9. СВЕДЕНИЯ О ГОРНЫХ ПОРОДАХ (ПЕТРОГРАФИЯ)
  10. § 2. МЕТАМОРФИЗМ ГОРНЫХ ПОРОД, ЕГО ВИДЫ И СВЯЗАННЫЕ С НИМ ПОЛЕЗНЫЕ ИСКОПАЕМЫЕ
  11.   § 1. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВОЗРАСТА ГОРНЫХ ПОРОД И ИЗУЧЕНИЯ ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКОЙ ОБСТАНОВКИ МИНУВШИХ ЭПОХ
  12. ФОРМЫ ЗАЛЕГАНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД (ЭЛЕМЕНТЫ ТЕКТОНИКИ)
  13. § 3. ФОРМЫ И ЭЛЕМЕНТЫ ЗАЛЕГАНИЯ ОСАДОЧНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД
  14. ПРОЦЕССЫ ДИАГЕНЕЗА ОСАДКОВ И МЕТАМОРФИЗМА ГОРНЫХ ПОРОД
  15. Глава О НАЦИЯ КАК ИНТЕГРАЛЬНОЕ ЯВЛЕНИЕ. ИНТЕГРАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ НАЦИИ
  16. 2.4.2. Право на топологии интегральных микросхем
  17. 2.2.3. Понятие и признаки промышленного образца
  18. Глава 74. ПРАВО НА ТОПОЛОГИИ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
  19. 6. Международные соглашения, касающиеся промышленных образцов