Прочность и деформируемость трещиноватых горных пород при одноосном сжатии

12.11.2019

В отличие от большинства строительных и других искусственных материалов горные породы в массиве всегда разбиты различными трещинами. Это крупные тектонические нарушения (сдвиги, надвиги, разломы, сбросы и взбросы), макротрещины (иногда значительной протяженности и зияния), микротрещины (нарушения, невидимые невооруженным глазом) и. наконец, дефекты кристаллической решетки породообразующих минералов.

В исследованиях масштабного фактора в образцах лабораторного размера в пределах структурных блоков оценивается, в основном, влияние микротрещиноватости и мелких макроскопических трещин. Для оценки свойств массивов в объемах, измеряемых десятками, сотнями и тысячами кубических метров, необходимо знать влияние макротрещиноватости и (хотя и редко) сравнительно мелких тектонических смещений и разрывов.

Структуру массива горных пород внутри крупных блоков, ограниченных тектоническими нарушениями, определяют системы макротрещин, которые принято характеризовать такими параметрами как густота (расстояние между соседними трещинами), ширина, протяженность, угол и азимут падения. По механизму их образования различают трещины отрыва и сдвига. Несколько систем трещин образуют пространственные сети трещин, разделяемые на системные, хаотические и полигональные. Наиболее распространенные (особенно в породах, вмещающих угольные пласты) системные сети трещин, которые подразделяют на непрерывные (длина трещин более чем в 10 раз превышает поперечник структурного блока) промежуточные и прерывистые (длина трещин примерно равна поперечнику структурного блока).

Массив горных пород, как правило, разбит несколькими системами трещин. Густота трещин зависит от многих факторов (литологического состава пород, тектоники района к других). Размеры образующихся в результате пересечения различных систем трещин "элементарных блоков" (отдельностей) измеряются десятками и сотнями сантиметров. Поэтому при определении механических свойств горных порой в образцах лабораторного размера не оценивается влияние макротрещиноватости (трещиноватости "низшего" порядка), которая в основном и определяет механические характеристики (прочность, деформируемость) и другие свойства массива горных пород.

Результаты исследований влияния трещиноватости на прочностные и деформационные характеристики горных пород частично освещены в работе, где был описан способ нанесения искусственных систем трещин в образцах горных пород. Трещиноватая горная порода в отличие от монолитной деформируется по другим законом. При действии возрастающих сжимающих нагрузок в первую очередь смыкаются более крупные трещины, затем все более и более мелкие. Поэтому для трещиноватых массивов горных пород зависимость между напряжениями и деформациями не подчиняется закону Гука, а имеет вид вогнутой кривой, наклон асимптоты которой стремится к модулю пропорциональности монолитной части массива. Таким образом, замеряя в массиве или в обнажении величину зияния трещин, следует помнить, что она изменяется с изменением напряженного состояния. С увеличением количества трещин восходящие ветви кривых деформирования становятся более вогнутыми, предельные значения прочности уменьшаются, а нисходящие ветви кривых (запредельные) становятся положе. С увеличением объема массива он будет менее прочным и более пластичным (пеевдопластичным). Изменение прочности и деформируемости от степени трещиноватости горных пород как при кратковременном, так и при длительном нагружении подчиняется прямолинейной зависимости, подобной зависимости (4.38) проявления масштабного эффекта в углях.

Прочность массива горных пород и его деформируемость зависят от прерывности трещин. Прочность массива с непрерывными системами трещин будет минимальной, а деформируемость максимальной.

Механические характеристики трещиноватого массива зависят и от морфологии трещин: их формы (прямолинейные, криволинейные, дискообразные, чечевицеобразные и т.п.); гладкости стенок (гладкие, шероховатые, с бороздами, зеркалами, штрихами и т.д.). Трещины могут быть раскрытые (зияющие) и заполненные (залеченные, например, кварцем, кальцитом, заполненные нефтью, продуктами выветривания).

Влияние заполнителей на свойства массива горных пород не изучено, но совершенно ясно, что оно велико. Трещины, залеченные прочными кристаллическими породами, могут даже упрочнить массив по сравнению с прочностью структурного блока. Наоборот, трещины, заполненные глинкой трения, нефтью, будут способствовать резкому снижению прочности массива. Изучение влияния всех многочисленных факторов на прочность трещиноватых горных пород имеет большую перспективу, В настоящей работе рассмотрим лишь частично влияние главных из перечисленных факторов: частоты трещин и их ориентировки относительно действующих нагрузок. Выполненные в этом направлении исследования показали, что влияние этих факторов весьма существенно и проявление их зависит от прочности горных пород. На гипсе, известняке, песчанике, мраморе и габбро установлено, что прочность пород с одной системой трещин зависит от всех перечисленных параметров (рис. 4.3). При повышенных скоростях нагружения более значительное увеличение прочности в сравнении с монолитными образцами вполне логично, однако при малых скоростях нагружения увеличение прочности трещиноватых пород, хотя и незначительное, противоречит экспериментальным данным, полученным при испытании монолитных образцов. Эту часть закономерности необходимо проверить. Анализ экспериментальных данных показал, что более резкое увеличение прочности трещиноватых образцов с уменьшением скорости нагружения происходит у слабых пластичных гипсовых образцов.

При оценке влияния трещиноватости на прочностные свойства горных пород одни исследователи считают, что ослабляющее влияние трещиноватости определяется главным образом элементами залегания трещин, другие оценивают прочность трещиноватого массива только по степени трещиноватости. Ряд исследователей при этом не увязывают значения коэффициентов структурного ослабления с прочностью пород в монолитном состоянии. Такие односторонние рекомендации нельзя признать правильными, так как ослабляющее влияние трещиноватости меньше в слабых пластичных породах, чем в крепких и хрупких. Ориентировка трещин к направлению сжатия оказывает существенное влияние на показатели прочности, но не учитывать при этом степень трещиноватости также нельзя.

Если кривые влияния степени трещиноватости на прочность для горных пород и искусственных материалов (рис. 4.4) продлить, то они пересекутся примерно в одной точке при lg H/l = 6,5 и прочности около 0,05 МПа. При углах наклона трещин от 0 до 45° они пересекутся при меньших значениях отношения HjL Это позволяет построить график прогноза прочности по прочности элементарного блока и параметрам трещиноватости (рис 4.5). Таким образом, чтобы найти прочность трещиноватого массива горных пород при одноосном сжатии необходимо используя уравнения статистической теории хрупкой прочности (4.12, 4.26) определить прочность в объеме структурного блока, а затем пользуясь графиком прогноза прочности по степени трещиноватости и углу наклона трещин относительно направления сжимающей нагрузки определить прочность массива в условиях одноосного сжатия.

Для сравнения экспериментальных значений прочности с расчетными построена табл. 4.8.

Кроме изложенных факторов экспериментально установлено уменьшение прочности трещиноватых горных пород с увеличением зияния (раскрытия) трещин.

Детальное изучение влияния каждого из факторов потребовало изготовления призматических образцов с отношением ширины к высоте 1,5—2 и площадью основания 16—25 см2. В этих образцах наносили искусственные трещины с определенным углом их наклона к оси. Полученные при сжатии диаграммы о—е "напряжение — деформация" с максимальным напряжением, не превышающим 50 % от разрушающих (рис. 4.6), позволяют отметать следующее.

1. Испытанные породы и гипс в монолитных образцах деформируются по зависимостям, близким к прямолинейным. Наблюдается незначительная выпуклость графика при нагружении у гипса и вогнутость как при нагружении, так и при разгрузке у известняка и песчаника.

2. Трещины, совпадающие с направлением сжатия, практически не влияют на линейное деформирование. Модуль упругости и коэффициент поперечной деформации вдоль трещин существенно не изменяются, а в направлении, перпендикулярном к трещинам, резко увеличивается по мере роста числа трещин, достигая значения 0,5 и более. Наблюдается также некоторое увеличение петли гистереза.

3. При угле наклона трещин к направлению сжатия 15—30° наблюдается увеличение вогнутости кривой при малых уровнях напряжений и появление выпуклости у нагрузочной ветви при более высоких напряжениях. Разгрузочная ветвь на всех уровнях напряжений резко вогнута. Модуль упругости уменьшается, а коэффициент поперечной деформации в направлении, перпендикулярном простиранию трещин, растет, достигая единицы. Значительно увеличились остаточные деформации, что связано, по-видимому, с подвижками по поверхностям трещин.

4. При угле наклона трещин 45° вогнутость кривых деформирования еще более увеличивается. Коэффициент поперечной деформации в направлении, перпендикулярном к простиранию трещин, несколько уменьшается, хотя значительно превосходит его значение в направлении, параллельном к плоскостям трещин. Наблюдаются большие остаточные деформации. Близкие закономерности деформирования получены и при ориентировке трещин перпендикулярно к оси образцов.


При угле наклона трещин к направлению сжатия 15°/45° четко проявляется свойство породного трещиноватого массива так называемой "памяти о предыдущем уровне напряжений". В процессе повторного нагружения на уровне напряжений, достигнутых в предыдущем нагружении, кривые деформирования изменяют свой наклон, как бы переламываясь. "Память" и эффект Кайзера (возникновение шума, растрескивание массива при нагружении выше уровня предыдущих напряжений) следует шире использовать в крупномасштабных натурных измерениях. Они позволяют оценить уровень напряжений в массиве до его разгрузки.

Естественно, что количественное изменение модуля пропорциональности для трещиноватых горных пород зависит не только от модуля упругости горной породы в монолитном состоянии, HO и величины зияния трещин до нагружения.

Для описания деформируемости трещиноватого массива при одноосновном нагружении К.В, Руппенейт и Н.В. Тарасова предложили формулу

где E1 — модуль деформации ненарушенной горной породы; S0 — ширина раскрытия трещины при с = 0; е0 — относительная площадь скольких контактов при а = 0 (для трещин горных пород рекомендуется в пределах 0,0001 — 0,0006 при среднем значении 0,0003); е — средняя относительная деформация ребра образца (l = h + b).

Сравнение расчетных значений деформаций с фактическими деформациями образцов с искусственными трещинами, нанесенными перпендикулярно к оси образцов, показало, что предложенная К.В. Руппенейтом и Н.В. Тарасовой расчетная формула удовлетворительно описывает деформируемость трещиноватых горных пород. Среднее расчетное значение деформации из 36 определений оказалось всего лишь на 5 % выше измеренного. Максимальное отклонение расчетного значения от фактического не превысило 50 %, что следует признать удовлетворительным.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2019
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна