Файл: Реферат напряжения и деформации в породах.docx

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
КАФЕДРА ГЕОФИЗИКИ

Направление подготовки (специальность):

21.05.03 Технология геологической разведки
Направленность (профиль) образовательной программы:

Геофизические методы исследования скважин

Физика горных пород
Реферат
НАПРЯЖЕНИЯ И ДЕФОРМАЦИИ В ПОРОДАХ

Выполнил: студент(ка) 3 курса заочной формы обучения группы 5 ТГР УФО Каримов Р.Г. Проверил: к.ф.-м.н., ст. преподаватель Канафин И.В.

Уфа – 2022

Оглавление

Введение

Напряжение и связанные с ним свойства горных пород оказывают очевидное влияние на все подземные сооружения. Поэтому стволы и штреки в подземной шахте должны быть надежно закреплены, а в других случаях наоборот, надо грамотно организовать обрушение. Если недооценить серьезность этого явления, может произойти блокировка пустот, которые не обрушиваются, или разрушение происходит в непредсказуемых направлениях. Приводится несколько примеров как реально распределяются напряжения в процессе добычи угля и руды, а также при прокладке туннелей, и как они влияют на эти работы.

Понимание трехмерного напряженного состояния в земной коре (напряжение в горном массиве) является фундаментальным в инженерных дисциплинах, связанных с горным делом, нефтедобычей и промышленным и гражданским строительством. Концепция вертикального напряжения, равного весу покрывающей породы, является верной, если учитывать среднее напряжение по вертикали. Оно может варьироваться от места к месту с локальными проявлениями. Напротив, величину горизонтального поля напряжений в массиве горных пород обычно без измерений предсказать невозможно. В то время как вертикальное напряжение в породном массиве изначально связано с гравитацией, горизонтальное напряжение в горном массиве имеет в основном тектоническое происхождение; то есть это относится к земной коре и макропроцессам, которые в ней происходят.

---

Цели и задачи:

1. Напряжения и деформации в горных породах;

2. Интерпретация получаемых данных и рассмотрены примеры их успешного применения.

1 Напряжения и деформации в горных породах

1.1 Напряжения в породах

Горные породы в естественном залегании находятся под воздействием сил различной природы. По месту своего приложения эти силы могут быть поверхностными и объемными. Поверхностные силы возникают за пределами рассматриваемой области (блока) земной коры и воздействуют на нее извне. Они приложены к ограничивающим поверхностям (контактам) этих блоков. Объемные силы возникают внутри самих блоков. Они воздействуют на каждый элементарный объем пород. К поверхностным силам относятся тектонические силы, возникающие вследствие накопления упругой энергии в различных частях земной коры. К объемным силам относится сила тяготения, силы объемного сжатия вследствие теплового расширения пород, изменений объема при реакциях гидратации-дегидратации, полиморфных превращениях вещества и т.д. Объемное сжатие происходит вследствие ограниченной возможности расширения. Силы объемного растяжения возникают по причине уменьшения объема пород, например, при остывании внедрившихся интрузий. Поверхностные силы, в конечном счете, также распределяются внутри пород вследствие распространения упругих деформаций. При этом интенсивность их воздействия определяется не только их величиной, но и объемами блоков, на которые они воздействуют. Чем больше размеры блока, тем меньше степень воздействия одинаковых по величине поверхностных сил. Для объемных сил размеры блоков могут иметь обратное значение. Так воздействие литостатического давления возрастает с глубиной за счет суммирования веса каждого из отдельных объемов пород.

Поэтому для оценки интенсивности воздействия сил на породы используются удельные характеристики – напряжения, представляющие собой внутренние силы, возникающие в твердом теле вследствие деформирования при силовом воздействии на него и приложенные к его элементарным (единичным) сечениям. Напряжения - это векторные величины, поскольку они являются производными сил. Они направлены против сил внешнего воздействия, в результате чего достигается равновесное состояние пород. Однако для удобства в физико-механическом анализе напряженного состояния рассматриваются противоположные им по направлению действия – внешние напряжения, действующие на те же элементарные сечения в обратном направлении. Величина напряжения на элементарной площадке определяется действующей на нее силой dF:

---

р = dF/dS (1).

Средние напряжения на площади сечения S, на которое действует сила F, равны отношению F/S. Поэтому размерность напряжений соответствует размерности давления - Паскаль (Па) в системе СИ. В связи с обычно большой величиной напряжений, проявляющихся в геологических процессах, обычно используют более крупные единицы напряжений - мегапаскаль (1МПа = 106 Па) и гигапаскаль (1ГПа = 109 Па). Используются также такие единицы давления, как атмосфера техническая (ат) = 1 кгс\см2 = 9.81* 104 Па, а также бар и килобар (1 бар ≈ 0.1 МПа).

Величина результирующих напряжений в любой точке твердого тела определяется их векторной суммой. Если между вектором напряжения и площадкой угол α < 900 , то на ней возникают две составляющих общего напряжения. Одна из них – это нормальное напряжение, которое действует перпендикулярно площадке. Оно может быть сжимающим, когда направлено к площадке, или растягивающим, если направлено от нее. Нормальные напряжения обозначаются символом σ. Составляющая общего напряжения, действующая вдоль поверхности площадки – называемая касательным или сдвиговым напряжением, обозначается символом τ .

Трещины отрыва возникают даже при отсутствии внешних растягивающих напряжений - в экспериментах по сжатию кубических (цилиндрических) образцов на прессе, когда их нагруженные грани покрыты смазкой. Внутренние напряжения поперечного растяжения создаются за счет расклинивающего действия частиц породы, стремящихся занять место между соседними частицами ниже и также за счет изгиба внешних частей образца от его центра. Это воздействие не сдерживается трением граней образца под плитами пресса. В хрупких породах при этом возникают трещины отрыва. Это соответствует второму механизму их образования – вследствие бокового растяжения без дополнительного внешнего растяжения. Это проявляется при образовании будинажа, когда в зонах смятия слои хрупких пород подвергаются сжатию почти перпендикулярно слоистости, а плоскости контактов не сдерживаются трением от смещения в среде пластичных пород.

Растягивающие усилия вдоль контактов дополнительно усиливаются вследствие течения пластичных слоев, т.к. величина их поперечной деформации значительно выше, чем у хрупких пород(рис.1).


Рис.1 - Соотношения между растяжением слоев и контрастом их пластичности относительно матрикса (деформация растет слева направо)

---

Другим примером таких процессов являются лестничные жилы в дайках хрупких гранитоидных пород. Трещины отрыва перпендикулярные контактам даек возникали при поперечном сжатии (отчасти с изгибом). При этом пластичные вмещающие породы служили смазкой контактов. В очень пластичных породах могут возникать трещины сплющивания - перпендикулярно сжатию при неравномерно пластическом течении разных прослоев.

В образцах цилиндрической формы под действием радиального растяжения в условиях осевого сжатия возникают цилиндрические трещины отрыва. В геологических условиях такие трещины образуются при воздействии вертикального сжатия - при внедрении изометричных в плане интрузивов на небольшой глубине или над приподнимающимися блоками пород, соляными куполами и т.д.. Поскольку боковое сжатие невелико, то можно с некоторой долей условности рассматривать поле напряжений в этих структурах по активной компоненте напряжений, т.е. как близкое к одноосному сжатию.

При просадках пород в грабенах или кальдерах возникает интенсивное пологое боковое внешнее растяжение (а сжатие – и смещение по его оси вниз идет за счет веса пород вертикально). В этом случае субвертикальные линейные или кольцевые трещины отрыва и разрывные нарушения проявлены наиболее широко. В поперечных (для грабенов) в каждом из радиальных сечений кальдер по существу проявляется двухосное поле напряжений. Образование конических и радиальных трещин отрыва в таком поле напряжений имеет место в купольных поднятиях, когда радиальное растяжение приобретает периклинальный наклон. Горизонтальное растяжение в этих структурах может достигать максимума также и по концентрическим направлениям в местах наибольшей кривизны. На этих участках также возникают трещины отрыва радиальных направлений. В данном случае напряженное состояние уже становится объемным.

При одноосном сжатии образца при отсутствии смазки его граней за счет возникающих сил трения поперечное растяжение будет меньше. По существу, здесь имеет место объемное напряженное состояние – за счет сил трения. Разрушение будет определяться величиной τmax , которое может превысить прочность породы на сдвиг и тогда возникнут сколовые трещины, ориентированные под углами близкими к 450 к направлению сжатия. Этот процесс может иметь место и при образовании сильно сжатых линейных складок. Отдельные сколовые трещины в пластах могут объединяться с образованием взбросов с образованием структур типа складко-взбросов.

---

В цилиндрических образцах или вокруг точек приложения ударного сжатия (например, попадание пули в толстое стекло) возникают конусовидные сколовые трещины с вертикальной осью симметрии параллельной сжатию. Боковое сжатие здесь также достаточно велико и напряженное состояние также является уже объемным. В геологических условиях такие трещины (и разрывные нарушения) возникают над местами взрывных деформаций на глубине (трубки кимберлитов, карбонатитов, многие вулкано-плутонические кольцевые структуры. В дальнейшем они приоткрываются при последующих просадках над истощенным магматическим очагом и могут вмещать конические дайки.

В высокопластичных толщах, а также при сжатии в условиях повышенных температур и флюидонасыщенности пород сколовые трещины могут отклоняться от направления сжатия на углы существенно большие 45° . Однако обычно в таких условиях формируется кливаж течения и мелкая трещиноватость сплющивания, связанная с неоднородным субпластическим дифференцированным течением пород в плоскостях перпендикулярных сжатию. При объемном напряженном состоянии на каждую из трех пар граней элементарного кубического объема действуют нормальные сжимающие напряжения (σ1 < σ2 < σ3), а на трех парах сопряженных наклонных площадок (α ≈ 45° ) действуют касательные напряжения:

τ(1-3) = (σ3- σ1)/2; τ (1-2) = (σ2- σ1)/2; τ (2-3) = (σ3- σ2)/2 (2).

Максимальное касательное напряжение возникает на сопряженных площадках, расположенных под углами около 45° к наибольшему сжатию σ3 . При этом эти площадки находятся в секторах, расположенных между σ3 и σ1: τmax = (σ3- σ1)/2 (3).

При равенстве всех нормальных напряжений возникнет состояние всестороннего равномерного сжатия. При этом касательные напряжения на любых наклонных площадках исчезнут. Состояние равномерного всестороннего сжатия (гидростатического сжатия) может возникать на больших глубинах. Вертикальное сжатие от веса вышележащих пород вызывает боковое сжатие (отпор) вследствие невозможности расширения сжатых пород по горизонтальным направлениям. Боковой отпор вследствие высокой пластичности пород (коэффициент Пуассона достигает 0.5) в условиях повышенных температур и большой длительности деформирования достигает величин вертикальной литостатической нагрузки.
1.2 Деформация в породах
При возникновении напряжений в твердом теле происходят деформации - изменения взаимного положения или ориентировки частиц твердого тела. Деформации могут выражаться как в изменении формы, так и объема тела.

---