2.3.1 Основные определения механики горных пород

Напряжение

Сила передается через твердую породу как напряжение точно так же, как сила передается через жидкость как давление. Напряжением называют отношение силы к площади, на которую она действует. Оно измеряется в тех же единицах, что и давление. Обозначается напряжение греческой буквой σ (сигма) В отличие от давления, напряжение может быть положительным или отрицательным. Твердое тело может испытывать

напряжения следующих типов:

• Сжимающее напряжение

• Растягивающее напряжение

• Касательное напряжение

Материал испытывает сжимающее напряжение, когда он сжат. Материал испытывает растягивающее напряжение, когда он растянут, как канат с подвешенным на нем грузом.

Материал испытывает касательное напряжение, когда происходит сдвиг слоев относительно друг друга (рис.23).

Рис.23 Напряженные состояния

Твердое тело может испытывать одновременно напряжения всех трех типов.

Когда разрывают бумагу, она испытывает касательное напряжение. Важно отметить, что в большинстве случает обрушение породы в скважину происходит из-за чрезмерного касательного напряжения. Касательное напряжение возрастает с увеличением разности напряжений, действующих на взаимно перпендикулярных площадках. Разность напряжений, действующих на взаимно перпендикулярных площадках, вызывает деформацию тела. Для того чтобы тело начало деформироваться, должно произойти смещение элементов тела в поперечном направлении. Такое смещение вызывает касательное напряжение, обозначаемое греческой буквой τ (тау).

Эффективное напряжение

Не все напряжения в породе воспринимаются минеральным скелетом породы. Часть напряжений воспринимается жидкостью, запертой в порах породы (рис.23). Как было сказано раньше, при первоначальном отложении осадков каждая частица полностью окружена водой. По мере уплотнения осадков вода выжимается. Однако толща глин может стать такой мощной, или проницаемость уменьшается так сильно, что при дальнейшем уплотнении вода уже не может вытекать из пор. В таких условиях жидкость, запертая в порах, начинает воспринимать часть нагрузки. Примерно так же воздух в шинах воспринимает вес автомобиля. Полное напряжение, воспринимаемое породой, распределяется между скелетом породы и поровой жидкостью.

Часть полного напряжения, воспринимая скелетом породы, называется эффективным напряжением. Другие названия эффективного напряжения - межзерновое напряжение и скелетное напряжение.

Напряжение, воспринимаемое жидкостью в поровом пространстве, выражается как поровое давление. Поровое давление и эффективное напряжение вместе дают полное напряжение.

Полное напряжение = поровое давление + эффективное напряжение

Деформация и прочность образца породы зависят только от эффективного напряжения. Именно напряжение на контакте между зернами определяет относительное перемещение этих зерен. Деформация и проскальзывание зерен относительно друг друга не зависят от порового давления. Поэтому при исследовании прочности горной породы нас интересует именно эффективное напряжение.