11. Ползучесть пород. Реологические свойства. Влияние состава и строения.

Длительное действие нагрузок на породы приводит к изменению их напряженно-деформированного состояния. Если при этом возможно свободное перемещение частиц породы, наблюдается непрерывное деформирование ее. При ограниченной величине деформации породы в ней происходит снижение напряжения, несмотря на постоянные внешние нагрузки. Явления изменения деформаций и напряжений в горных породах под действием нагрузки во времени описываются реологическими свойствами.

Постепенный рост деформаций во времени называется ползучестью пород (крипом).

Явление ползучести — это тоже пластическое деформирование горной породы, только происходящее во времени. Ползучесть может проявляться даже при напряжениях, не превышающих предела упругости.

Кривая ползучести состоит из трех отрезков, соответствующих трем основным стадиям деформации (рис. 3.10): I— неустановившейся ползучести породы; II — установившемуся состоянию пластического течения при постоянной нагрузке; III — возрастанию скорости деформации и наступлению момента разрушения породы.

Скорость деформации породы является суммой скоростей упругой и пластической деформаций

Так как , а скорость пластического течения прямо пропорциональна величине приложенных напряжений

, где | — коэффициент вязкости — постоянная, выраженная в единицах времени,

Уравнение (3.35) называется уравнением ползучести. Если , т. е. не происходит изменения напряжений во времени, то

Следовательно, в этих условиях происходит непрерывное деформирование породы с определенной скоростью, зависящей от

Деформация ползучести горных пород в любой момент времени зависит от предыстории нагружения. Это свойство называется наследственностью. Согласно теории наследственности, если в момент времени т приложено напряжение , действующее в течение времени , то деформация к моменту времени будет зависеть от и разности

Исходя из этого второй член в уравнении (3.35) может быть записан следующим образом:

Функция называется ядром ползучести, вид ее зависит от типа породы.

Предложен степенной вид ядра ползучести:

Возможен экспоненциальный вид ядра ползучести:

Значительная ползучесть присуща глинам, аргиллитам, глинистым сланцам. Криворожские породы обладают ползучестью, составляющей в среднем 20—35 % первоначальной мгновенной упругой деформации, причем наиболее значительные деформации происходят в течение первых 1,5—2 сут нагружения.

Ползучесть зависит от направления приложения нагрузки. Так, наибольшие деформации ползучести наблюдаются при нагрузках, приложенных перпендикулярно к слоистости, причем отношение достигает 1,5. Как известно, упругие деформации также больше в этом направлении.

Если в уравнении (3.35) принять , что означает зафиксированные в образце и не изменяющиеся во времени деформации, то решение уравнения дает следующее выражение

т. е. должно наблюдаться постепенное снижение напряжений во времени.

Такое явление, обратное ползучести,— постепенное снижение напряжений в породе при постоянной ее деформации называется релаксацией напряжений. Релаксация представляет собой ползучесть при напряжении, которое уменьшается пропорционально нарастающей пластической деформации.

Таким образом, ползучесть и релаксация — два проявления одного и того же реологического процесса.

При релаксации возникшие в первый момент упругие деформации постепенно переходят в пластические.

В результате после снятия нагрузки образец не восстанавливает своей первоначальной формы даже тогда, когда исходные напряжения не превышают предел упругости породы.