Понятие о диаграмме деформирования

Если при деформировании (нагружении) образца горной породы производится одновременное измерение напряжений (деформаций), то можно построить график.

Рис. 6.7 Типичные кривые "напряжение-деформация" для горных пород, получаемые на обычных испытательных прессах (а) и машинах с повышенной жесткостью (б).

l-V - области: I - закрытия структурных дефектов, II - линейного деформирования, III - образования микротрещиноватости, IV - разветвления и слияния трещин, V - снижения грузонесущей способности.

Этот график в координатах «относительная продольная деформация – осевое продольное напряжение» называется диаграммой деформирования. Максимальная несущая способность образца называется пределом прочности, а соответствующая ей деформация называется разрушающей. Разрушающая деформация условно делит процесс деформирования на две стадии – стадия допредельного деформирования и стадия запредельного деформирования (стадия разупрочнения). Если испытания проводятся на жестком относительно образца оборудовании, то получаем полную диаграмму деформирования с допредельным запредельным участками. Если испытания проводят на мягком относительно образца оборудовании, то получают допредельный участок нагружения, т.к. после пика диаграммы, выполняется условие хрупкого разрушения и происходит динамическое разрушение образца, сопровождающееся разлетом его частей.

На допредельной стадии принято выделять линейный (упругий) участок – определяющий его параметр условно называется модулем упругой деформации; точку перехода с линейного на нелинейный участок – предел упругости и соответствующей ему деформации на пределе упругости; при интегральной оценке всего допредельного участка деформирования выделяют секущий модуль деформации, проходящий через точку предела прочности.

На запредельной стадии деформирования выделяют предел остаточной прочности,соответствующий выходу на остаточную ветвь диаграммы деформирования и соответствующая ему деформация остаточной прочности. Такжевыделяют секущий модуль спада, проходящий через предел прочности и предел остаточной прочности и касательный модуль спада – за него часто принимают т.н. модуль хрупкости– касательная на наиболее крутом участке запредельной стадии деформирования.

Часто диаграмму деформирования строят со стадией разгрузки. По этой стадии определяют модуль упругости (модуль Юнга). Для многих горных пород модуль упругости определенный на различных участках диаграммы имеет достаточно близкие значения. В этой связи, при испытаниях, разгрузку можно делать на любом участке диаграммы.

Деформации могут быть неразрушающими и разрушающими.

Разрушающие деформации приводят к разделению породы на отдельные части; неразрушающие — изменяют размеры, форму и объем породы без нарушения ее сплошности. Неразрушающие деформации бывают упругие и пластические.

При упругих связях наблюдается прямая пропорциональность между напряжениями и соответствующими деформациями. С ростом величины упругой деформации в образце накапливается потенциальная энергия, которая после снятия нагрузки возвращает образец в исходное состояние.

Характерной чертой пластических деформаций является их необратимость после снятия нагрузки — форма и размеры образца полностью не восстанавливаются. При достижении определенной величины нагрузки возможно возрастание деформации даже при постоянной или уменьшающейся нагрузке. Пластические деформации происходят длительное время.

Один вид деформации может переходить в другой при возрастании напряжений или увеличении времени их воздействия.

Так, при увеличении напряжений можно наблюдать три области деформации породы: упругую, пластическую и разрушающую. При длительном воздействии на породу какого-либо постоянного напряжения также можно выделить на диаграмме деформирования три вида деформации (рис. 12). На рисунке приведены допредельные участки диаграммы деформирования, полученные при испытании на мягком оборудовании. В зависимости от соотношения вида деформаций горные породы подразделяются на упругие или хрупкие (пластическая зона практически не наблюдается), упруго-пластичные (разрушающей деформации предшествует зона пластической деформации) и пластичные (упругая деформация незначительна).

Деформации в горных породах определяются характером внутренних связей между частицами породы; любые внешние поля, воздействующие на связи между частицами породы, изменяют величину и вид деформации в ней.

Приведем полную диаграмму деформирования образца горной породы полученную в условиях одноосного сжатия на жестком испытательном оборудовании, а также стандартные параметры деформирования, определяемые при испытаниях.