Напряжение, деформация и деформация горных пород

Напряжение — это сила, приложенная к породе на единицу площади, а деформация — это результирующее изменение формы или размера; их взаимосвязь определяет, будет ли порода изгибаться, течь или разрушаться.

Definition

Напряжение — это распределение сил, действующих на тело на единицу площади, деформация — это измеримое изменение, вызванное напряжением, а деформация горных пород — это процесс, при котором породы изменяют форму или объем в ответ на напряжение посредством упругого, пластического или хрупкого поведения.

Scope

Эта тема охватывает механические концепции, лежащие в основе всех геологических структур: тензор напряжений и его главные оси, типы деформаций, упругий, пластический и хрупкий режимы, а также механизмы деформации, посредством которых породы приспосабливаются к деформации на разных глубинах. Это механическая основа для интерпретации складок и разломов.

Core questions

• Как описывается состояние напряжений в породе и как оно проецируется на плоскость?
• Что отличает упругие, пластические и хрупкие реакции?
• Что контролирует глубину хрупко-пластического перехода?

Key theories

Критерий разрушения Мора–Кулона

Хрупкое разрушение породы происходит, когда касательное напряжение на плоскости превышает сцепление породы плюс сопротивление трения, критерий, который предсказывает ориентацию разломов относительно главных напряжений.

Закон трения горных пород Байерли

Байерли обнаружил, что фрикционная прочность большинства горных пород следует простому, почти не зависящему от породы соотношению между касательным и нормальным напряжением, обеспечивая надежную верхнюю границу прочности разломов в хрупкой коре.

Mechanisms

При низкой температуре и давлении порода сначала деформируется упруго, а затем разрушается путем раскола, как только напряжение превышает ее прочность. С увеличением глубины более высокое всестороннее давление и температура подавляют раскол и способствуют развитию пластических механизмов, таких как дислокационная ползучесть, диффузионная ползучесть и растворение под давлением, что приводит к непрерывному течению. Переход между этими режимами, хрупко-пластический переход, обычно происходит на средних глубинах земной коры.

Clinical relevance

Количественная оценка прочности горных пород и поля напряжений in-situ имеет важное значение для проектирования устойчивых туннелей, шахт и скважин, для прогнозирования поведения разломов при анализе сейсмической опасности и для понимания наведенной сейсмичности от закачки флюидов.

History

Механика разрушения опирается на работы Кулона XVIII века по трению и графический анализ напряжений Мора. Экспериментальная механика горных пород XX века, включая исследования трения Байерли, количественно определила, как прочность горных пород изменяется в зависимости от всестороннего давления, температуры и скорости деформации, связав лабораторные результаты с деформацией земной коры.

Key figures

• James Byerlee
• Charles-Augustin de Coulomb
• Otto Mohr

Seminal works

• byerlee1978

Frequently asked questions

В чем разница между напряжением и деформацией?

Напряжение — это сила, приложенная к породе на единицу площади, тогда как деформация — это результирующее изменение, такое как растяжение, сжатие или сдвиг. Напряжение является причиной, а деформация — измеримым следствием.