Relaciones constitutivas de las rocas
Física de rocas de yacimiento
La relación constitutiva es una de las leyes mecánicas de las rocas más importantes. Esto se debe a que: por un lado, utilizando estas relaciones, se puede conocer el comportamiento real de la deformación de la roca en un estado y entorno determinados, proporcionando un vínculo entre tensión y deformación para un caso muy simple, cuando la tensión está relacionada con la deformación; la relación constitutiva se convierte en la relación tensión-deformación en la teoría elástica. Por otro lado, dado que normalmente observamos la deformación o la tasa de deformación en los medios subterráneos, las relaciones constitutivas son extremadamente útiles para comprender el estado de tensión y las condiciones ambientales de los yacimientos subterráneos.
1. Características de deformación de la roca bajo tensión uniaxial bajo temperatura y presión normales.
Hay muchos factores físicos que afectan las propiedades mecánicas de la roca, como el tipo de estructura de la roca, la presión de confinamiento, temperatura y porosidad, presión del agua de poros y velocidad de deformación, etc. Para resolver las formas en que estos factores complejos afectan las propiedades mecánicas de las rocas, primero debemos estudiar el impacto de un solo factor en las propiedades mecánicas de las rocas y luego comprender gradualmente el impacto de factores integrales en el entorno geológico sobre las propiedades mecánicas de las rocas. Por lo general, primero se estudian las propiedades mecánicas de las rocas a temperatura y presión normales y a presión uniaxial.
Las muestras de roca cortadas en cilindros cúbicos o cilíndricos (relación de aspecto o relación de diámetro de 2 ~ 3) se cargan en una prensa convencional (o rígida), y las galgas extensométricas resistivas se utilizan para medir la deformación axial. de ejemplares de roca. Cuando aumenta la presión, se puede medir la tensión de compresión σ = P/D (P es la carga de compresión, D es el área de la sección transversal de la muestra) y la deformación axial correspondiente ε = δz/. Durante el proceso de carga continua, se puede obtener una curva en un sistema de coordenadas rectangular con tensión como eje vertical y deformación axial como eje horizontal, que se denomina curva tensión-deformación. La Figura 3-2 muestra la curva tensión-deformación de una roca típica.
Según las características de la curva, se puede dividir en cuatro etapas características:
En la primera etapa de la curva, la parte OA, la pendiente aumenta ligeramente, lo que es Debido a la presencia de microfisuras en la muestra de roca, a medida que aumenta la carga, las microfisuras se van compactando gradualmente. El grado de curvatura de la curva depende del desarrollo de microfisuras en la roca y del grado de compactación. Para rocas compactas o rocas formadas bajo alta presión de confinamiento, el grado de curvatura de la curva a menudo no es obvio y puede considerarse junto con el segmento AB.
La segunda etapa: la parte AB de la curva está en un estado de línea recta y la tensión y la deformación son proporcionales. La tensión en el punto B se define como el límite proporcional. El límite proporcional y el límite elástico están muy cerca y generalmente pueden considerarse como el mismo punto. La mayoría de las rocas no obedecen exactamente la ley de Hooke. Incluso si se genera una pequeña deformación, se retendrá algo de deformación permanente más o menos después de que se retire la carga. Después de descargar en el punto B, se generará una deformación permanente mayor, por lo que la tensión en el punto B también se denomina límite elástico. que debería ser la resistencia a la compresión aproximadamente 1/3 ~ 2/3.
En la tercera etapa, la pendiente de la parte BC de la curva disminuye gradualmente. Cuando la carga continúa aumentando hasta el punto C, la tensión correspondiente es la mayor de todo el proceso, lo que se denomina resistencia a la compresión. En esta etapa, cuando la descarga comienza en cualquier punto (por ejemplo, el punto E), la tensión y la deformación disminuirán a lo largo de la curva de EO1 hasta el punto O1. Esto significa que después de que la tensión interna de la muestra de roca desaparece por completo, la deformación no se puede restaurar por completo y queda una parte de la deformación OO1, que se denomina deformación permanente (o deformación residual). La parte de la deformación O1F recuperada después de la descarga se denomina deformación elástica. En cualquier punto de esta etapa, su deformación consta de dos partes, a saber, deformación permanente y deformación elástica. Si se recarga la carga, aumentará a lo largo de la curva O1R y se generará una nueva deformación permanente después de conectar el punto R a la curva EC. Esto parece ser equivalente a aumentar el límite elástico desde el punto B hasta el punto r. Este fenómeno se llama endurecimiento por deformación o endurecimiento por trabajo. A partir del punto B, las microfisuras se expandirán en la muestra y se producirá un deslizamiento relativo dentro de los granos o entre los granos, lo que provocará que aumente el volumen de la muestra. Este fenómeno se llama dilatación. Cuando se alcanza el punto C, la roca comienza a tener superficies de fractura macroscópicas obvias y, bajo presión normal, la roca fallará rápidamente. Bajo presión servo rígida, se produce una cuarta etapa de deformación.
Figura 3-2 Toda la curva del proceso de tensión y deformación de la roca
La cuarta etapa: la parte CD de la curva, que muestra que la roca ha sufrido una deformación plástica significativa, pero la muestra no está completamente dividida en varios pedazos, aún puede soportar una cierta carga. Si la descarga se realiza a tiempo en esta etapa (como en el punto g), caerá al punto K a lo largo de la curva GK, y luego la roca retendrá una gran deformación permanente o K. Si se recarga, aumentará hasta el punto H a lo largo de la curva KH. Obviamente, la tensión en el punto H es menor que la tensión en el punto g cuando comienza la descarga (esto es diferente de la situación de recarga después de la descarga en la etapa BC). curva). Esto indica que la fuerza de la roca disminuye gradualmente durante la etapa de CD. Si continúa desarrollándose, la muestra se romperá en varios pedazos en un cierto punto de la curva CD debido a la pérdida total de adherencia en la superficie de la fractura, lo que resultará en una deformación frágil.
Se puede observar que la deformación y la fractura de la roca son esencialmente dos procesos de desarrollo diferentes que son interdependientes. Cuando la deformación alcanza una determinada etapa, se incluyen los factores de fractura, y la llegada de la etapa de destrucción también es el resultado del desarrollo continuo de la deformación. Por lo tanto, desde la ruptura hasta la destrucción completa, es en realidad un proceso completo desde el cambio cuantitativo al cambio cualitativo.
Cuando la máquina de ensayo aplica tensión de tracción a la muestra de roca, la curva tensión-deformación uniaxial de tracción de la roca es muy diferente de la curva de tensión de compresión: al principio es deformación elástica y la relación σ ε es una línea recta.
A medida que aumenta la tensión de tracción, comienza a aparecer la no linealidad, es decir, la pendiente de la curva se vuelve cada vez más pequeña hasta que la deformación alcanza el punto de resistencia a la rotura, y luego la tensión disminuye rápidamente mientras la deformación permanece sin cambios. Para las rocas frágiles, puede ocurrir una fractura completa, mientras que las rocas plásticas no se fracturarán cuando ocurre una deformación por falla dúctil, pero mantienen una cierta resistencia. La curva muestra que a medida que aumenta la deformación, la tensión disminuye gradualmente. Los esfuerzos de tracción rara vez se encuentran en problemas de rocas yacimientos y, por lo tanto, no se tratan en detalle en este libro. Para una comprensión más profunda, consulte libros sobre mecánica de rocas.
2. Características de la deformación de la roca bajo tensión triaxial
La investigación anterior sobre tensión uniaxial es simple y clara, pero las rocas reales generalmente se encuentran en un campo de tensión tridimensional, y solo las rocas bajo tensión. Se estudian condiciones de tensión uniaxiales. Las características de deformación no son suficientes. Es necesario analizar la deformación y resistencia de rocas bajo tensión triaxial con base en ensayos triaxiales. De acuerdo con el método de combinación de espacios de tensión, los experimentos de tensión triaxial en rocas se pueden dividir en dos tipos: uno son experimentos de tensión triaxial convencionales u ordinarios, la tensión triaxial satisface σ1> σ 2 = σ 3, y estudia principalmente la presión de confinamiento (σ 2 =; σ 3) Efecto sobre la deformación, resistencia y daño de la roca; el otro es el experimento de tensión triaxial desigual, la relación de tensión triaxial es σ1 > σ2 > σ3, que estudia principalmente el efecto de la tensión intermedia σ2 sobre la deformación y resistencia de la roca.
(1) Efecto de la presión de confinamiento sobre las propiedades mecánicas de la roca
El efecto de la presión de confinamiento (σ3) sobre la elasticidad y resistencia de la roca se puede estudiar mediante experimentos de tensión triaxial convencionales. El efecto de la presión de confinamiento sobre la elasticidad y resistencia de la roca varía según la litología: para rocas duras y densas de alta resistencia, el efecto de la presión de confinamiento sobre el módulo elástico no es obvio, mientras que el módulo elástico de la roca blanda aumenta significativamente con el aumento de; presión de confinamiento A medida que aumenta la presión de confinamiento, la resistencia a la compresión de la roca aumenta significativamente.
En condiciones de formación, la roca yacimiento se encuentra en un campo de tensiones tridimensional. Para comprender la deformación de las rocas, es necesario analizar la deformación y resistencia de las rocas bajo tensión triaxial con base en ensayos de tensión triaxial. El efecto de la presión de confinamiento sobre la resistencia de la roca varía con la litología. Para rocas duras y densas, el módulo de elasticidad no cambia significativamente debido a diferentes presiones de confinamiento. Por ejemplo, en la Figura 3-3a, la pendiente de la línea tangente de la curva ε 1 ~ (σ 1σ3) se ve muy poco afectada por σ3, y el módulo elástico bajo las tres presiones de confinamiento es básicamente el mismo. La presión de confinamiento tiene una influencia importante en el modo de falla de las rocas. Cuando la presión de confinamiento es pequeña, la roca falla es frágil. Con el aumento de la presión de confinamiento, la falla de la roca cambia a ductilidad o flujo dúctil, y el rendimiento general es una mejora de la plasticidad. Cuando la roca es blanda, como se muestra en la Figura 3-3b, su módulo elástico aumenta con el aumento de la presión de confinamiento, y la pendiente tangente de la curva ε 1 ~ (σ 1-σ3) aumenta con el aumento de la presión de confinamiento. La razón es que algunos poros y grietas en la roca se cierran bajo la presión de confinamiento σ 3, lo que aumenta gradualmente la rigidez de la roca. En el modo de falla, la deformación plástica de la roca blanda se ve reforzada aún más por la presión de confinamiento.
Figura 3-3 La curva de relación entre la deformación de la roca ε1 y (σ 1 σ3) bajo diferentes presiones de confinamiento σ3 (citado de Ling Xianchang et al., 2002)
(2) Esfuerzo principal intermedio vs. influencia de las propiedades mecánicas de la roca
A medida que el esfuerzo principal intermedio (σ2) se desarrolla de σ3 a σ1, el estado de tensión cambia de esfuerzo anisobárico triaxial a esfuerzo bidimensional, pero la fragilidad de la roca aumenta. . En términos generales, σ2 tiene cierta influencia en la deformación y resistencia de la roca, pero es mucho menor que σ3. Para rocas anisotrópicas, la tensión principal intermedia σ2 tiene un impacto significativo en la deformación y la resistencia. Las investigaciones muestran que cuando la tensión principal intermedia σ2 es perpendicular a la capa de roca y al plano de unión, σ2 tiene la mayor influencia en la resistencia última de la roca, y la resistencia última aumenta rápidamente con el aumento de σ2.
3. La influencia de la temperatura en las características de deformación de la roca
La influencia de la temperatura en la deformación y resistencia de la roca es obvia. En condiciones de alta presión de confinamiento de 500 MPa y diferentes temperaturas ambiente, los resultados experimentales de deformación del basalto, granito y dolomita se muestran en la Figura 3-4. Se puede ver en la Figura 3-4 que para varias rocas, cuando la presión de confinamiento es constante, a medida que aumenta la temperatura, la resistencia de la roca disminuye y la ductilidad aumenta, lo que resulta en fluencia.
Figura 3-4 Curvas de relación tensión-deformación de diferentes rocas bajo alta temperatura y alta presión (citado de Ling Xianchang et al., 2002)