Материал: Свойства горных пород при разных видах и режимах нагружения

Таблица 4 .8 . Экспериментальные/?экс и прогнозные ДПр значения

прочности трещиноватыегорных пород и искусственных материалов, МПа

чивается 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° на­ блюдается увеличение вогнутости кривой при малых уровнях напря­ жений и появление выпуклости у нагрузочной ветви при более высо­ ких напряжениях. Разгрузочная ветвь на всех уровнях напряжений резко вогнута. Модуль упругости уменьшается, а коэффициент по­ перечной деформации в направлении, перпендикулярном простира­ нию трещин, растет, достигая единицы. Значительно увеличились оста­ точные деформации, что связано, по-видимому, с подвижками по по­ верхностям трещин.

4. При угле наклона трещин 45° вогнутость кривых деформиро­ вания еще более увеличивается. Коэффициент поперечной дефор­ мации 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 деформи­ рования 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 назы­ ваемой ’’памяти о предыдущем уровне напряжений” . В процессе повторного нагружения на уровне напряжений, достигнутых в преды­ дущем нагружении, кривые деформирования изменяют свой наклон, как бы переламываясь. ’’Память” и эффект Кайзера (возникновение шума, растрескивание массива при нагружении выше уровня преды­ дущих напряжений) следует шире использовать в крупномасштабных натурных измерениях. Они позволяют оценить уровень напряжений в массиве до его разгрузки.

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

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

где Е х — модуль деформации ненарушенной горной породы; б0 — ширина раскрытия трещины при о = 0 ; £0 — относительная площадь скольных контактов при о = 0 (для трещин горных пород рекомен­

формациями образцов с искусственными трещинами, нанесенными перпендикулярно к оси образцов, показало, что предложенная К.В. Руппенейтом и Н.В. Тарасовой расчетная формула удовлетвори­ тельно 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.

4.7. ВЛИЯНИЕ ТРЕЩИНОВАТОСТИ НА ПРОЧНОСТЬ ГОРНЫХ ПОРОД В УСЛОВИЯХ ОБЪЕМНОГО НЕРАВНОКОМПОНЕНТНОГО НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ

Среди советских и зарубежных исследователей принято, что наиболее полную и надежную характеристику горных пород в условиях различ­ ных напряженных состояний дают огибающие предельных кругов на­ пряжений Мора, образно названные Г.Н. Кузнецовым паспортами прочности. Существует несколько экспериментальных методов по­ строения паспортов прочности горных пород. Наибольшее распростра­ нение из них получили метод объемного неравномерного сжатия при а, > а2 = а3, метод среза со сжатием и метод соосных пуансонов. М.Ф. Кунтыш и Гунь-Бень-И выполнили анализ этих методов и неза­ висимо друг от друга пришли к одинаковому вы воду, что наиболее достоверные прочностные характеристики м огут быть получены при испытаниях пород в объемном напряженном состоянии в приборах типа Кармана. Ряд исследователей предложили для этого уравнения, позволяющие построить расчетные паспорта прочности. Для проверки соответствия расчетных паспортов прочности экспериментальным, полученным при испытании как в камерах Кармана, так и методом соосных пуансонов нами выполнены соответствующие исследования. Установлено, что расчетные паспорта прочности, построенные по мето­ дике проф. М.М. Протодьяконов а и по уравнению Г.Н. Кузнецова, удовлетворительно описывают прочностные свойства углей в преде­ лах небольших напряженных состояний. В области сжимающих на­ пряжений расчетные и экспериментальные кривые расходятся. Кри­ вая, полученная по уравнению Г.Н. Кузнецова проходит, как правило,

ниже экспериментальной, а кривая, полученная по методу М.М. Протодьяконова или совпадает с экспериментальной или проходит выше. В области весьма высоких нормальных сжимающих напряжений кри­ вые пересекутся: пёрвая уйдет в бесконечность, а вторая, достигнув максимума, пойдет параллельно оси абсцисс. Установлено также, что имеющиеся расхождения расчетных огибающих практически не ока­ зывают влияния на результаты аналитических расчетов. Это позволи­ ло рекомендовать для практического использования оба расчетных метода построения паспортов прочности. Учитывая, что огибающая, построенная по методике М.М. Протодьяконова, лучше соответствует экспериментальным данным и физически более обоснована, были выполнены работы по упрощению и совершенствованию методики М.М. Протодьяконова, что способствовало более широкому ее исполь­ зованию [14].

М.Ф. Кунтыш на шести горных породах различной прочности срав­ нил огибающие к наибольшим кругам напряжений Мора, построен­ ные расчетным методом, с огибающими, полученными при испытании этих же пород в объемном напряженном состоянии. В результате под­ тверждено совпадение паспортов прочности, полученных расчетным методом М.М. Протодьяконова и экспериментально.

Орасположении огибающей предельных кругов напряжений Мора

вусловиях объемного сжатия ранее судили на основе теоретических предпосылок и испытаний модели трещиноватого массивна. Так, по гипотезе М.М. Протодьяконова и В.С. Вобликова огибающая для трещиноватых горных пород должна быть круче и стремиться к одно­ му пределу с монолитной горной породой.

Аналогичный вывод сделан Г.Л. Фисенко и С.Е. Чирковым для углей [18, 19]. Для меломергеля, известняков и песчаников были выполнены исследования как на монолитных, так и на разбитых трещинами образцах [3]. В образцах всех пород наносили три взаим­ но перпендикулярных системы трещин отрыва. Две из них были параллельны оси призматических образцов. Расстояние между трещи­ нами составляло 1/5 часть стороны квадратного основания призм. Установлено, что с увеличением всестороннего сжатия степень ослаб­ ляющего влияния трещиноватости уменьшается. Коэффициенты структурного ослабления, являющиеся отношениями прочности тре­ щиноватых образцов к нетрещиноватым, увеличиваются. Так, для меломергеля этот коэффициент при одноосном сжатии составляет 0,76, при боковом давлении в 5 МПа — 0,87, а при 10 МПа — 0,97. Огибающие предельных кругов напряжений Мора для трещиноватых

имонолитных образцов немного расходятся. Аналогичные результа­ ты получены и для известняков. При испытании трещиноватых песча­ ников образец не изолировали от жидкости, создающей боковое давление, и она проникала по трещинам в образец. В этом случае с увеличением бокового давления прочность песчаников увеличивалась незначительно, что согласуется с результатами исследований о влия­ нии порового давления на прочность горных пород в условиях объем­ ного неравномерного сжатия. Здесь необходимо отметить, что прово-