WYKŁAD 2

1. JAK SKAŁA ULEGA NISZCZENIU ?

- zależy od własności mechanicznych

- czy jest odkształcenie jednorodne czy niejednorodne, anizotropia, izotropia

odkształcenie jednorodne i niejednorodne

- w tym ostatnim przypadku linie pierwotnie proste stają się krzywe w trakcie deformacji (najczęstszy przypadek).

stąd potrzeba tworzenia - domen jednorodnych

Do niejednorodności przyczynia się zmienność pól sił i naprężeń, temperatura, ciśnienia itp. itd.

Jedną z przyczyn jest niejednorodność litologiczna, gdy np. fałdowane są warstwy o różnej podatności - piaskowce i łupki oraz anizotropia mechaniczna (zależność własności mechanicznych od kierunku) - uławicenie, foliacja, lineacja, cios).

Fałdowanie jest tym łatwiejsze im wyższy stopień anizotropii - np. im gęstsze powierzchnie międzyławicowe - slajd z fałdem.

Izotropia

Fałdowanie nie zachodzi w ośrodku izotropowym

B. KRZYWA ODKSZTAŁCENIA

Granica proporcjonalności - odcinek prostoliniowy, wzdłuż którego przyrosty odkształcenia są proporcjonalne do przyrostów naprężenia.

Granica sprężystości - poza granicą proporcjonalności może występować niewielki odcinek w przybliżeniu jeszcze prostoliniowy. Jeżeli usuniemy obciążenie w tym momencie, to pręt metalowy sprężyście wróci do swej pierwotnej długości (straci ok. 0.02 %). Odkształcenie na obu pierwszych odcinkach poprzedzających ten punkt to odkształcenie sprężyste (odwracalne).

Granica plastyczności (granica płynięcia) - po osiągnięciu tego naprężenia dalszy przyrost odkształcenia odbywa się praktycznie bez żadnego naprężenia lub tylko przy niewielkim jego wzroście. Po usunięciu obciążenia pręt nie wraca do swej pierwotnej długości. Odkształcenie plastyczne jest nieodwracalne.

Wzmocnienie - wzmocnienia materiału w wyniku plastycznego płynięcia (poza odcinkiem poziomym krzywa odkształcenia wznosi się).

Osłabienie - następuje spadek krzywej

poprzedzający zniszczenie

Płynięcie - całość odkształcenia trwałego

(nieodwracalnego)

Podatność - wartość możliwych

odkształceń ciągłych w materiałach skalnych

Plastyczność - używane w sensie potocznym

łatwość uzyskiwania znacznych

odkształceń trwałych.

Na krzywej jednak jest to poziomy odcinek krzywej.

Zachowanie skał

Kruche, półkruche, podatne - wykresy

C. WŁASNOŚCI WYTRZYMAŁOŚCIOWE SKAŁ

Wytrzymałość - największa wartość naprężeń (σ) jaką dane ciało może znieść nie ulegając zniszczeniu. Wytrzymałość masywu skalnego jest wielokrotnie mniejsza, niż to wynika z badań pojedynczych próbek skalnych, bo w masywie wyst. wiele elementów osłabiających. Prawidłowość - wytrzymałość na ściskanie Rc jest znacznie wyższa od wytrzymałości na rozciąganie Rr. Zwykle Rc/Rr = 10

(Rc = 10 Rr).

- Ściskając 10 razy trudniej jest zniszczyć ciało niż rozciągając.

- W skałach kruchych Rc/Rr jest większa niż w skałach podatnych. Stąd w kwarcytach (b. kruchych) jest tak dużo spękań tensyjnych.

- wytrzymałość materiałów maleje pod działaniem obciążeń cyklicznych =

obciążanie + odciążanie = zmęczenie dynamiczne (dynamic fatigue). Im więcej cykli dynamicznych tym większa kruchość zachowania skał.

/D czy J w ŚW co bardziej ?/

D. WŁASNOŚCI SPRĘŻYSTE SKAŁ

Praktycznie zawsze podczas odkształcania występuje składowa sprężysta -

dla zachowań kruchych - dominuje lub jest wyłączna.

Wykres dla kruchego

Odkształcenie sprężyste odznacza się odwracalnością i w przybliżeniu prostoliniowym wykresem σ.

Wykres

Dla ciała idealnie sprężystego (postać wyidealizowana) - prawo Hooke'a (1676)

 = eσ, gdzie e to współczynnik proporcjonalności (b. mała wartość stąd można go zastąpić jego odwrotnością e = 1/e.

Stąd  = σe, gdzie odkształceń liniowych 1/e = E czyli tzw. moduł Younga (moduł sprężystości liniowej).

 = σE, im większy E tym mniejsze są odkształcenia sprężyste

slajd wykres

Prawo Hooke'a stosuje się raczej tylko do granicy proporcjonalności, ponieważ skały nie są ciałami doskonale sprężystymi.

Oprócz modułu Younga - moduł sprężystości liniowej

przy innych rodzajach odkształceń sprężystych

moduł - sprężystości postaciowej (sztywności) - przy ścinaniu - odkształcaniu postaciowym

moduł - sprężystości objętościowej (ściśliwości) - przy odkształcaniu objętościowym, itd.

E. WŁAŚNOŚCI PLASTYCZNE SKAŁ

Najważniejsze czynniki wpływające na plastyczne zachowanie się skał to

- Ciśnienie otaczające

- Temperatura

- Płyny porowe

- Czas

1. Rola ciśnienia otaczającego

ciśnienie otaczające - ciśnienie oddziaływujące na odkształcaną próbkę ze wszystkich stron np. ciśnienie litostatyczne.

Próbka jest poddawana doświadczeniu kompresyjnemu w aparacie trójosiowym:

2. Rola temperatury

3. Rola płynów porowych

- oddziaływanie chemiczne

- oddziaływania krystalochemiczne

- oddziaływania fizyczne

Oddziaływania chemiczne

- rozpuszczanie i rekrystalizacja (dla skał długo obciążanych łatwo rozpuszczalnych skał np. sole, gips dostarczenie płynu powoduje wzrost podatności).

- rozpuszczanie pod ciśnieniem (rozpuszczanie spowodowane przez naprężenie ośrodka rozpuszczanego)

Zasada Rieckiego

Materiał sprężysty poddany w polu naprężenia ściskającego działaniu rozpuszczalnika łatwiej rozpuszcza się w miejscach, gdzie to naprężenie jest największe, a rozpuszczona substancja przenosi się do miejsc (redepozycja), gdzie jest ono najmniejsze i tam może ulec rekrystalizacji.

Stylolity

Szew stylolitowy

Lineacja stylolitowa

Stylolityzacja

Powłoka stylolitowa (reziduum)

Stylolity litostatyczne i tektoniczne

mikrostylolity

wciski

kliważowanie

Oddziaływanie krystalochemiczne

a) Spadek wytrzymałości po nasyceniu wodą - (rozmiękczanie)

Przekształcenie krystalochemiczne minerałów ilastych w obecności wody (niektóre margle, opoki, iłowce, mułowce).

Stąd zwiększa się ilość odkształceń plastycznych - ułatwia powstanie odkształceń ciągłych (fałdowanie kompleksów ilastych).

b) Osłabienie hydrolityczne obserwowane w kwarcu

Ułatwione w warunkach wysokich P i T płynięcie plastyczne kryształów kwarcu po wzbogaceniu w wodę.

c) Wzrost kruchości w skałach zawierających dużą ilość minerałów nawodnionych (gips, chloryty, serpentyn itp.)

W odpowiednich warunkach termodynamicznych następuje dehydratacja, co jest impulsem do powstania kruchych spękań.

Oddziaływania fizyczne

Do próbki ściskanej w aparacie trójosiowym doprowadzany jest płyn, pod dowolnym ciśnieniem.

Im większe ciśnienie wody (ciśnienie porowe) tym większa kruchość odkształcenia, tym mniejsza wytrzymałość.

Woda przesycając skałę przejmuje na siebie część zewnętrznych naprężeń równą własnemu ciśnieniu p. Następuje zmniejszenie o tę część ciśnienia otaczającego.

σ_e (naprężenie czynne) = σ_t (naprężenie całkowite) - p (ciśnienie porowe) /wzór Terzaghiego/

warunkiem ważności wzoru jest duża porowatość skał i pełne nasycenie płynem.

Dla mechaniki spękań i nasunięć istotne znaczenie ma stosunek ciśnienia porowego do ciśnienia litostatycznego:

  p/σ_lit

gdy  zbliża się do 1 to wzrasta kruchość zachowania się skał, łatwość powstawania spękań ekstensyjnych, szczelin itp.

Płyny porowe o wysokim ciśnieniu:

- zmniejszają wpływ ciśnienia otaczającego na uplastycznienie skał

- osłabiają wpływ temperatury

Ponieważ takie anormalne ciśnienia, większe od ciśnienia hydrostatycznego ( > 0.465) na większych głębokościach są normalne, stąd możliwość większej powszechności kruchych zachowań skał (brekcje, spękania, uskoki typu „kruchego”), niż wynikało by to z głębokości.

3

5

---