Прочность
ПРОЧНОСТЬ горных пород (а. rock strength, tenacity; н. Gesteinsfestigkeit; ф. resistance des roches, durete des roches; и. dureza de rocas, fuerza de rocas) — свойство горных пород в определённых условиях, не разрушаясь, воспринимать воздействия механических нагрузок, температурных, магнитных, электрических и других полей, неравномерное протекание физико-химических процессов в разных частях горных пород и др. Применительно к горным породам, когда имеют место сложные процессы механического разрушения (зарубка, отбойка, бурение и т.д.), чаще используется технологический термин "крепость горных пород".
Различают прочность: теоретическую — вычисленную на основе учёта сил межатомного сцепления (она равна приблизительно 1/6 модуля продольной упругости); статическую — свойство горных пород воспринимать коротковременную нагрузку, приложенную с постоянной скоростью; динамическую — свойство горных пород воспринимать, не разрушаясь, динамическую нагрузку; длительную — прочность твердых пород, находящихся длительное время под нагрузкой; остаточную — уровень сохранившейся несущей способности разрушенных горных пород, равный соответствующим минимальным напряжениям при данной величине деформации, которую порода выдерживает без дальнейшего деформирования и разрушения; электрическую — определяемую значениями напряжения пробоя.
Показателями, характеризующими прочность горных пород для различных случаев, являются: пределы прочности пород на сжатие scж, растяжение sp, сдвиг tcдв, изгиб tизг, а также текучести sтeк, ползучести sпoлз и др.
Теория прочности разрабатывалась многими выдающимися учёными, среди которых были Галилей, Сен-Венан, Кулон, Максвелл, Mop, Риттингер и др. В расчётах распространение получила теория прочности А. А. Гриффитса, согласно которой
где а' — удельное поверхностное натяжение породы,
а* — половина длины наибольшей трещины,
Е — модуль Юнга.
Реклама
Для большинства пород sp не превышают 20 МПа и составляют примерно (0,1-0,02) scж. Пределы прочности пород при сдвиге, изгибе и других видах деформаций всегда меньше scж и больше sp, но более близки к последнему. Из породообразующих минералов наибольшей прочностью обладает кварц. У него scж превышает 500 МПа, у полевых шпатов, пироксенов, авгита, роговой обманки, оливина и других железисто-магнезиальных минералов — 200-500 МПа, у кальцита scж около 20 МПа.
В поликристаллических горных породах прочность в основном определяется силами взаимного сцепления непосредственно соприкасающихся между собой зёрен и в первую очередь зависит от их прочности, а также строения. Наибольшие значения предела прочности при сжатии имеют плотные мелкозернистые кварциты и нефриты (500-600 МПа). Значительной прочностью (более 350 МПа) обладают плотные мелкозернистые граниты, несколько меньшей — габбро, диабазы и крупнозернистые граниты. Прочность углей при сжатии изменяется в зависимости от степени их метаморфизма и зольности от 1 МПа (коксовые угли) до 35 МПа (антрациты).
Эмпирическое уравнение, описывающее зависимость прочности от размеров зёрен минералов, может быть представлено в следующем виде:
scж = scж•о + kd-b,
где scж•о — условный минимальный предел прочности породы при d=;
d — средний размер зёрен, мкм;
b — показатель, находящийся в пределах 0,2-0,9 (в средний b=0,5);
k — некоторая константа, имеющая порядок 10 МПа.
Существенное влияние на прочность оказывают пористость и трещиноватость горных пород. Экспериментальные данные показывают, что при значениях пористости до 20% scж горные породы подчиняются следующей зависимости:
scж = s'сж•о (1 — а'р)2,
где а'= 1,5-4 — параметр формы порового пространства,
s'сж•о — предел прочности минеральной фазы.
Влияние слоистости на величины пределов прочности учитывают с помощью коэффициента анизотропии kaн:
Отличие scж|| от scж достигает 50-70%. На прочность пород существенно влияют внешние факторы, а также способы приложения к породе нагрузок. Уменьшение прочности пород при водонасыщении характеризуется коэффициентом водопрочности (размокания):
np = scж•н / scж•о|| 1,
где scж•н и scж•о|| — пределы прочности на сжатие после и до насыщения водой.
Влияние высоких температур на прочностные свойства пород зависят от поведения минералов, слагающих породу. Если при повышении температуры минералы не разрушаются, то возможен различный характер изменения прочности с изменением температуры в зависимости от величины и направленности возникающих внутренних термических напряжений. Если происходит выплавление, выгорание и разложение минералов при высоких температурах, прочность пород снижается. Глинистые породы с повышением температуры упрочняются за счёт спекания.
С понижением температуры до -20... — 30°С существенно меняются прочностные свойства только у рыхлых водонасыщенных пород, они упрочняются и переходят в категорию скальных. У скальных пород, охлаждённых до -100... -196°С., резко возрастает хрупкость, и при динамических нагрузках они разрушаются в 4-2,5 раза легче, однако статическая прочность с понижением температуры увеличивается в 1,1-1,7 раза.
Для инженерных расчётов следует иметь в виду, что предел прочности массива значительно (в десятки, иногда в сотни раз) меньше установленных пределов на образцах в лаборатории из-за наличия различных макронарушений.
