Головними властивостями процесу деформації гірських порід є два - оборотність і необоротність. Важливо розрізняти пружні (оборотні), пластичні (незворотні без розриву суцільності) і тендітні (незворотні з розривом суцільності) деформації.
Гірські породи під впливом навантажень зазнають деформації, які після зняття навантажень або повністю зникають, або залишаються. У першому випадку деформації називаються пружними, у другому випадку - пластичними. Розрізняють пружну, пластичну, в'язку деформації і деформацію всебічного стиснення. При всебічному стиску під дією изотропного тиску обсяг тіла зменшується, щільність збільшується, але форма залишається незмінною. При знятті всебічного тиску тиску пружне тіло повертається в первісний стан.
Відповідно до закону Гука відносна деформація пружного тіла при розтягуванні або стисканні ε пропорційна нормальній напрузі σ, а відносна деформація при зсуві γ пропорційна зсувається напрузі τ.
де Е-модуль пружності матеріалу при стисненні; G -модуль пружності матеріалу при зсуві.
Значення модуля пружності гірських порід залежить від їх мінералогічного складу, структури і текстури порід, виду навантаження, вологості та інших факторів. Показники пружних властивостей гірських порід поступаються відповідним показникам утворюють їх мінералів. Наприклад, модуль пружності мінералу кальциту при стисненні дорівнює 8,2 · 10 4 МПа, а гірської породи ізвестняка.- (1,3-3,5) · 10 4 МПа, мармуру - (3,0-5,0) · 10 4 МПа.
Поряд з деформаціями розтягування або стиснення в гірських породах діють деформації зсуву і всебічного стиснення. Значення відповідних модулів визначаються з наступних виразів:
де η - коефіцієнт Пуассона, що зв'язує деформації по взаємно перпендикулярних напрямків, викликані однією силою. Для більшості гірських порід коефіцієнт η знаходиться в межах 0,20-0,35. Виникаючі при стисненні поперечні деформації є розтягують, тому коефіцієнт Пуассона характеризує явище розтягування в стисливому тілі. Величина β зворотна об'ємному модулю стисливості В, називається коефіцієнтом стисливості матеріалу: β = 1 / В.
Головні деформаційні властивості порід - це пружність і пластичність. Більшість гірських порід при досягненні межі пружності не руйнуються, а переходять в стадію пластичної деформації. Руйнування цих порід передує досить велика пластична деформація. Як показник пластичності гірських порід використовується відношення повної роботи по деформації і руйнування зразка під штампом до роботи пружного деформування зразка.
Деякі гірські породи схильні до повзучості, яка проявляється в постійному зростанні деформації при незмінному навантаженні. Гірські породи, які під дією зовнішніх сил руйнуються без помітних пластичних деформацій, називаються крихкими породами.
Модуль пружності порід, що знаходяться в умовах всебічного стиснення, значно вище цього показника, визначеного при атмосферному тиску. Наприклад, модуль пружності гранітів при ефективному напрузі 5 МПа коливається в межах (0,7-2,5) × 10 4 МПа, а при напрузі 60 МПа - в межах (0,3-1,0) × 10 5 МПа.
Середнє значення співвідношення між модулем деформації сохранного скельного масиву і модулем пружності породи одно 0,67. Модуль пружності визначається при розвантаженні масиву або зразка. Модуль деформації, навпаки - при навантаженні. Для сланців модуль пружності пов'язаний з межею міцності на стиск наступною залежністю: Е = 45,5 σсж МПа.
При величині порового тиску, що дорівнює бічного стискання, деформаційні і міцнісні показники стають еквівалентними простому одноосьовому стиску.
Вплив порового тиску р на деформаційні характеристики вапняку
При оцінці роботи греблі і гірських порід необхідно враховувати фактор часу. Гірські породи відрізняються від класичних пружних середовищ тим, що мають реологічні властивості, тобто здатність деформуватися в часі під дією постійного навантаження (повзучість) або знижувати напругу при постійній деформації (релаксація). Крім того, вони здатні знижувати міцність при тривалій дії навантаження (тривала міцність).
Параметри пружності гірських порід Е, η і в'язкості μ можуть істотно відрізнятися в міру збільшення глибини залягання того або іншого шару. Про порядок типових значень цих параметрів можна, наприклад, судити з наступних цифр:
- крейдяні і юрські відкладення
Е = 2,8 × 10 4 МПа; η = 0,30; μ = 10 23 Па · с;
Е = 9 х 10 4 МПа; η = 0,25; μ = 10 22 Па · с;
- нижній високопластичний шар
Е = 4,5 × 10 4 МПа; η = 0,40; μ = 10 21 Па · с.
Пружність Е і G. в'язкість ц і пластичність т- основні складові елементи реологии реальних тіл, включаючи гірські породи. Реологічні моделі реальних тіл можна отримати, поєднуючи пружний, в'язкий і пластичний елементи між собою паралельно або послідовно. Коли елементи з'єднані паралельно, то навантаження, сприймаються кожним елементом, складаються, тоді як швидкість подовження кожного елемента однакова. Якщо елементи з'єднані послідовно, то складаються швидкості подовження обох елементів, і кожен з них піддається однієї і тієї ж навантаженні.
Реологічні моделі складних тел
1 - В'язкопружні рідина Максвелла; 2 - в'язкопружну тверде тіло Фойгта-Кельвіна; 3 - в'язкопластичні рідина Бінгама
При постійній початковій деформації напругу в вязко- пружному тілі Максвелла з часом поступово зменшується. Відрізок часу, рівний відношенню tpeл = μ / G, називають «часом релаксації». Воно визначає собою період часу, протягом якого початкова напруга в матеріалі зменшується в е раз (до 37% від початкового значення). Релаксації схильні практично всі матеріали. Наприклад, час релаксації води становить тисячні частки секунди, скла - сотні років, гірських порід - тисячі і мільйони років.
Тіло Фойгта-Кельвіна поводиться подібно твердому тілу, так як його деформація є кінцевою. Величина tзап = μ / G є часом запізнювання. При дуже великих періодах запізнювання деформація нагадує повільний плин, тому таке явище називають першою стадією повзучості.
Теорія лінійно-спадкової повзучості дозволяє використовувати змінні модулі пружності, зсуву і коефіцієнта Пуассона. Наприклад, змінний в часі модуль пружності Еt визначається через функцію повзучості φг яка для кожного матеріалу визначається з дослідів.