Геологическая энциклопедия
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 σсж, растяжение σр, сдвиг τсдв, изгиб τизг, 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 σр не превышают 20 МПa и составляют примерно (0,1-0,02) σсж. Пределы прочности пород при сдвиге, изгибе и др. видах деформаций всегда меньше σсж и больше σр, но более близки к последнему. Из породообразующих минералов наибольшей прочностью обладает кварц. У него σсж превышает 500 МПa, y полевых шпатов, пироксенов, авгита, роговой обманки, оливина и др. железисто-магнезиальных минералов — 200-500 МПa, y кальцита σсж 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:
σсж = σсж о + kd-b,
где σсж 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% σсж г. п. подчиняются следующей зависимости:
σсж = 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 kан:
Oтличие σсж|| от σсж| 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):
Ηp = σсж н / σсж о|| ≤ 1,
где σсж н и σсж 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.
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 σсж, растяжение σр, сдвиг τсдв, изгиб τизг, 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 σр не превышают 20 МПa и составляют примерно (0,1-0,02) σсж. Пределы прочности пород при сдвиге, изгибе и др. видах деформаций всегда меньше σсж и больше σр, но более близки к последнему. Из породообразующих минералов наибольшей прочностью обладает кварц. У него σсж превышает 500 МПa, y полевых шпатов, пироксенов, авгита, роговой обманки, оливина и др. железисто-магнезиальных минералов — 200-500 МПa, y кальцита σсж 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:
σсж = σсж о + kd-b,
где σсж 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% σсж г. п. подчиняются следующей зависимости:
σсж = 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 kан:
Oтличие σсж|| от σсж| 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):
Ηp = σсж н / σсж о|| ≤ 1,
где σсж н и σсж 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.
Горная энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия.Под редакцией Е. А. Козловского.1984—1991.
Синонимы: