Общие понятия о механических свойствах скальных и полускальных пород

Механические свойства горных пород характеризуются их поведением при воздействии внешних усилий (нагрузки) и проявляются в сопротивлении разрушению и деформации. Свойство горных пород сопротивляться разрушению и образованию больших остаточных деформаций под действием нагрузки или, точнее, воспринимать не разрушаясь, в определенных пределах и условиях те или иные нагрузки называется прочностью, а свойство их изменять под нагрузкой форму сложения и объем — деформацией. Следовательно, механические свойства горных пород — это их прочность и деформируемость. Их выражают и оценивают прочностными и деформационными показателями.
Прочность скальных и полускальных горных пород принято выражать и оценивать временным сопротивлением сжатию, растяжению, сдвигу (скалыванию) и реже изгибу. На рис. III-8 приведена типичная диаграмма результатов испытаний скальных пород на сжатие. Такой же характерный вид она обычно имеет и при испытании этих пород на растяжение. На диаграмме видно, что до определенного предела деформации прямо пропорциональны действующим нагрузкам. Точкой А обозначен конец прямолинейного участка диаграммы, соответствующий максимальной нагрузке Рпр, до которой сохраняется прямая пропорциональная зависимость деформаций от нагрузок. Отношение нагрузки Pпр к первоначальной площади образца Fо характеризует предел пропорциональности (МПа)


Многочисленные исследования разнообразных петрографических типов скальных пород показывают, что при напряжениях, не превышающих предела пропорциональности, деформации имеют упругий характер; при напряжениях, превышающих этот предел, породы быстро разрушаются с потерей сплошности, имеют хрупкий характер разрушения, деформации их становятся необратимыми. Следовательно, у скальных пород в обычных условиях предел пропорциональности практически равен пределу упругости и пределу временного сопротивления сжатию (при испытании на растяжение — растяжению), т. е.


Полускальные породы (песчаники и алевролиты с глинистым цементом, глинистые сланцы, аргиллиты, глинистые известняки и доломиты, мергели и др.) отличаются от скальных пониженными прочностью п сопротивляемостью деформациям. Они по физическому состоянию и свойствам весьма разнообразны. Некоторые из них приближаются к породам скальным, ко большинство существенно от них отличается по прочности и деформируемости.
Деформации полускальных пород и обычных условиях до известного, сравнительно небольшого значения внешней нагрузки бывают упругими. Затем, когда нагрузка превышает предел пропорциональности (рис. III-9, точка A), диаграмма принимает криволинейное очертание, т. е. деформация растет быстрее нагрузки, получают развитие упруговязкие или остаточные пластические деформации, характеризующиеся необратимыми изменениями формы образцов пород. Пластические деформации нередко переходят в пластическое течение, т. е. в деформации, протекающие без изменения внешней нагрузки Pт (рис. III-9, а, участок БВ). При этом объем и сплошность породы до определенного момента не нарушаются. Отношение нагрузки Pт к первоначальной площади образца Fо характеризует предел текучести (МПа)


Следовательно, предел текучести есть напряжение, вызывающее начало пластического течения. У большинства разностей полускальных пород пластические деформации развиваются при некотором увеличении внешней нагрузки, что характеризует проявление внутренних сил в породе, тормозящих их деформации, — сил упрочнения (рис. III-9, б). Нагрузка, соответствующая максимальному упрочнению Pmax, характеризует временное сопротивление породы сжатию — ее прочность. Отношение нагрузки Pmax к первоначальной площади образца Fo называют пределом прочности породы на сжатие (МПа)


Соответственно могут быть определены пределы прочности породы на растяжение Pр, скалывание Pск и изгиб Rизг.

B типичных полускальных породах после явно выраженных пластических деформаций в процессе пластического течения появляются трещины, нередко с неровными поверхностями, наступает разрыв сплошности, происходит хрупкопластическое их разрушение.

Таким образом, при деформациях полускальных пород могут быть установлены пределы их упругости (пропорциональности), текучести и прочности. В разностях пород, не упрочняющихся и процессе развития деформации, предел текучести примерно совпадает с пределом прочности (Rт=Rсж), а в породах упрочняющихся предел прочности несколько больше предела текучести (Rn<Rcж). За условный предел прочности на сжатие у неупрочняющихся пород можно принимать напряжение, при котором остаточные деформации составляют 10—15 % первоначальной высоты образца.

Для оценки хрупкости скальных, хрупкости и пластичности полускальных горных пород обычно пользуются коэффициентами хрупкости Кхр и пластичности Кпл. Степень хрупкости определяется отношением работы, затрачиваемой на деформацию породы до предела упругости, к общей работе — до ее разрушения. Как видно на рис. III-9, а,


У хрупких горных пород этот коэффициент равен единице, у полускальных, имеющих пластический характер разрушения, он составляет сотые или десятые доли единицы. С увеличением прочности горных пород возрастает их .хрупкость.

Коэффициент пластичности является обратной величиной коэффициента хрупкости


У скальных — хрупких — горных пород он равен единице, у полускальных, имеющих хрупкопластический характер разрушения, изменяется от 2 до 6, а у пород, обладающих пластическим характером разрушения, он тем выше, чем сильнее в них выражены необратимые — пластические — деформации.

Хрупкое разрушение горных пород происходит тогда, когда скорость изменения их напряженного состояния превышает скорость релаксации напряжений, возможную скорость пластической деформации, т. е.


где N — показатель хрупкости горных пород; Vн — скорость изменения напряженного состояния горных пород; Vпред — предельная (максимальная) скорость релаксации напряжений горных пород. Хрупкое разрушение горных пород возможно при условии, если N > 1.

Природа хрупкости и пластичности горных пород при действии на них нагрузки в обычных лабораторных условиях, как и в приповерхностных горизонтах земной коры, определяется их прочностью.

Напряжения, при которых наступают пластические деформации или разрушение горных пород, называют предельными. В соответствии с современными теоретическими положениями механики горных пород различают два напряженных состояния горных пород и поэтому различные расчеты ведут по двум предельным напряженным состояниям. Первое предельное напряженное состояние определяется несущей способностью, прочностью и устойчивостью горной породы, т. е. такой предельной нагрузкой, при которой порода находится в состоянии, непосредственно предшествующем нарушению ее равновесия, — ее разрушению. Поэтому расчеты но первому предельному состоянию называют расчетами по несущей способности, по прочности или по устойчивости. Второе предельное напряженное состояние характеризуется нагрузкой, вызывающей развитие пластических деформаций, не превышающих определенного предельно допустимого значения. При деформациях выше этого предельного значения возникает опасность нарушения прочности и устойчивости сооружений, нормальной их эксплуатации и т. д. Расчет по второму предельному состоянию называют расчетом по деформациям. Нагрузка, вызывающая это состояние горных пород, как правило, меньше нагрузки, отвечающей их первому предельному состоянию. В некоторых случаях на горные породы можно допускать нагрузки, превышающие второе предельное напряжение, тогда как первое превышать нельзя.

Для скальных пород расчеты могут производиться только по первому предельному напряженному состоянию, а для полускальных — по первому и второму.