Прочность и разрушение скальных пород
Прочность горных пород — это способность оказывать сопротивление разрушению от внешнего воздействия. От прочности зависит энергия, расходуемая на разрушение породы. Значения прочности горных пород при одноосном сжатии изменяются в широких пределах: от 40—120 МПа для песчаников и сланцев, до 200—300 МПа для известняков и кварцитов. При сжатии наблюдается разделение целого на части, отсюда следует, что истинной причиной разрушения являются растягивающие напряжения, возникающие при действии сжимающих сил.
Прочность при одноосном сжатии неполно определяет прочностные свойства горных пород, особенно для условий их глубокого залегания, когда породы находятся в режиме всестороннего (трехосного) сжатия. В условиях всестороннего сжатия предел прочности горных пород намного увеличивается. Например, в опытах при одноосном сжатии песчаники и доломиты показывают, соответственно, значения прочности 50 и 98 МПа, а в условиях неравномерного всестороннего сжатия по схеме Кармана (предварительная всесторонняя нагрузка 95 МПа) пределы прочности песчаников и доломитов, соответственно, увеличиваются до 224 и 345 МПа. Предел прочности горных пород при испытании на растяжение в 10—20 раз меньше их предела прочности на сжатие. Важно отметить, что предел прочности при испытании на сдвиг у большинства скальных пород составляет около 10% от предела прочности на одноосное сжатие.
Для горных пород существует нижняя граница разрушающих напряжений — предел длительной прочности. Напряжения, не превышающие эту границу, никогда не разрушат горную породу. Длительная прочность крепких пород и средней прочности составляет 70—95% прочности при кратковременном сжатии. Вибрационные нагрузки в десятки раз ускоряют процесс ползучести горных пород. Процесс деформирования материалов, находящихся под нагрузкой, Превышающей предел длительной прочности — это процесс постепенного разрушения материала, связанный с развитием микротрещин. При уменьшении скорости деформирования любой горной породы и бетона значение модуля упругости снижается.
При разрушении материала процесс образования и развития трещин зависит от типа деформации материала. В зависимости от этого фактора в механике разрушения различают трещины отрыва, а также трещины поперечного и продольного сдвига. Напряженно- деформированное состояние основания под напорной гранью плотины определяется в основном консольными напряжениями, которые формируют трещины отрыва. В этом случае трещины ориентированы параллельно контактному шву «скала—бетон».
Основной методический прием линейной механики разрушения— изучение поведения тела с трещиной с помощью коэффициента интенсивности напряжений К. Размерность этого коэффициента Н/м1 5 или МПа · м0,5. Коэффициент К характеризует локальное напряженное состояние материала перед вершиной трещины и, следовательно, уровень опасности с точки зрения разрушения материала. В момент локального разрушения материала трещиной отрыва коэффициент Кстановится равным некоторому критическому коэффициенту интенсивности напряжений К1С. Критерий локального разрушения имеет следующий вид:
K=KIC
Для горных пород критическое значение коэффициента интенсивности напряжений изменяется в широких пределах 0,3—3,5 МН/м1.5. Для контактной зоны цементный камень-известняк КIС= 0,37 МН/м1-5. В таблице ниже приведены значения параметров механики разрушения некоторых горных пород.
Параметры механического разрушения горных пород
|
Порода |
КIC МН/м1.5 |
σсжМПа |
σр, МПа |
|
Песчаник |
0,86 |
85,2 |
9.8 |
|
Известняк |
0,35 |
24,3 |
4,0 |
|
Гранит |
2,49 |
144,0 |
8,3 |
|
Мрамор |
0,67 |
63,2 |
11,0 |
|
Диорит |
2,39 |
193,0 |
9,1 |
Расчет на прочность, предлагаемый механикой хрупкого разрушения, включает в себя три момента [90]:
- определение положения и размера опасной трещины;
- определение коэффициента интенсивности напряжений Кв вершине трещины с учетом напряжений технологического и эксплуатационного происхождения;
- выбор критерия локального разрушения КIC в вершине трещины и отыскание предельного состояния, которое соответствует началу разрушения материала.