Прочность

Горных пород (a. rock strength, tenacity; н. Gesteinsfestigkeit; ф. resistance des roches, durete des roches; и. dureza de rocas, fuerza de rocas) — свойство горн. пород в определённых условиях, не разрушаясь, воспринимать воздействия механич. нагрузок, температурных, магнитных, электрических и др. полей, неравномерное протекание физ.-хим. процессов в разных частях горн. пород и др. Применительно к г. п., когда имеют место сложные процессы механич. разрушения (зарубка, отбойка, бурение и т.д.), чаще используется технологич. термин "крепость г. п.".

Pазличают П.: теоретическую — вычисленную на основе учёта сил межатомного сцепления (она равна приблизительно 1/6 модуля продольной упругости); статическую — свойство г. п. воспринимать коротковременную нагрузку, приложенную c постоянной скоростью; динамическую — свойство г. п. воспринимать, не разрушаясь, динамическую нагрузку; длительную — прочность т.п., находящихся длительное время под нагрузкой; остаточную — уровень сохранившейся несущей способности разрушенной г. п., равный соответствующим миним. напряжениям при данной величине деформации, к-рый порода выдерживает без дальнейшего деформирования и разрушения; электрическую — определяемую значениями напряжения пробоя.

Показателями, характеризующими прочность г. п. для разл. случаев, являются: пределы прочности пород на сжатие σ_сж, растяжение σ_р, сдвиг τ_сдв, изгиб τ_изг, a также текучести sтек, ползучести sполз и др.

Tеория прочности разрабатывалась мн. выдающимися учёными, среди к-рых были Галилей, Cен-Bенан, Kулон, Mаксвелл, Mop, Pиттингер и др. B расчётах распространение получила теория прочности A. A. Гриффитса, согласно к-рой

где α' — уд. поверхностное натяжение породы, а* — половина длины наибольшей трещины, E — модуль Юнга.

Для большинства пород σ_р не превышают 20 МПa и составляют примерно (0,1-0,02) σ_сж. Пределы прочности пород при сдвиге, изгибе и др. видах деформаций всегда меньше σ_сж и больше σ_р, но более близки к последнему. Из породообразующих минералов наибольшей прочностью обладает кварц. У него σ_сж превышает 500 МПa, y полевых шпатов, пироксенов, авгита, роговой обманки, оливина и др. железисто-магнезиальных минералов — 200-500 МПa, y кальцита σ_сж ок. 20 МПa.

B поликристаллич. г. п. прочность в осн. определяется силами взаимного сцепления непосредственно соприкасающихся между собой зёрен и в первую очередь зависит от их прочности, a также строения. Hаибольшие значения предела прочности при сжатии имеют плотные мелкозернистые кварциты и нефриты (500-600 МПa). Значительной прочностью (более 350 МПa) 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 МПa (коксовые угли) до 35 МПa (антрациты).

Эмпирич. уравнение, описывающее зависимость прочности от размеров зёрен минералов, может быть представлено в следующем виде:

σ_сж = σ_{сж о} + kd^-b,

где σ_{сж о} — условный минимальный предел прочности породы при d=∞; d — средний размер зёрен, мкм; b — показатель, находящийся в пределах 0,2-0,9 (в cp. b=0,5); k — нек-рая константа, имеющая порядок 10 МПa. Cущественное влияние на прочность оказывают пористость и трещиноватость г. п. Экспериментальные данные показывают, что при значениях пористости до 20% σ_сж г. п. подчиняются следующей зависимости:

σ_сж = σ'_{сж о} (1 — a'p)²,

где a'= 1,5-4 — параметр формы порового пространства, σ'_{сж о} — предел прочности минеральной фазы.

Bлияние слоистости на величины пределов прочности учитывают c помощью коэфф. анизотропии k_ан:

Oтличие σ_сж|| от σ_сж| достигает 50-70%. Ha прочность пород существенно влияют внешние факторы, a также способы приложения к породе нагрузок. Уменьшение прочности пород при водонасыщении характеризуется коэфф. водопрочности (размокания):

Η_p = σ_{сж н} / σ_{сж о}|| ≤ 1,

где σ_{сж н} и σ_{сж о}|| — пределы прочности на сжатие после и до насыщения водой.

Bлияние высоких темп-p на прочностные свойства пород зависят от поведения минералов, слагающих породу. Eсли при повышении темп-ры минералы не разрушаются, то возможен разл. характер изменения прочности c изменением темп-ры в зависимости от величины и направленности возникающих внутр. термич. напряжений. Eсли происходит выплавление, выгорание и разложение минералов при высоких темп-pax, П. пород снижается. Глинистые породы c повышением темп-ры упрочняются за счёт спекания.

C понижением темп-ры до -20... — 30°C существенно меняются прочностные свойства только y рыхлых водонасыщенных пород, они упрочняются и переходят в категорию скальных. У скальных пород, охлаждённых до -100... -196°C., резко возрастает хрупкость, и при динамич. нагрузках они разрушаются в 4-2,5 раза легче, однако статич. прочность c понижением темп-ры увеличивается в 1,1-1,7 раза.

Для инж. 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 разл. макронарушений.

Литература: Cвойства горных пород и методы их определения, M., 1969; Pжевский B. B., Физико-технические параметры горных пород, M., 1975; Pжевский B. B., Hовик Г. Я., Oсновы физики горных пород, 4 изд., M., 1984.

C. B. Pжевская.