Какими показателями характеризуется механические свойства пород

Механические свойства горных пород являются разновидностью физических свойств. Они выражаются в способности горных пород оказывать сопротивление деформированию и разрушению под действием внешних сил. К ним относятся: прочность, абразивность, упругость, хрупкость, пластичность и др.
Прочностью горной породы называется способность ее сопротивляться внешним силам, стремящимся разрушить связь между зернами, слагающими эту породу. Она в значительной степени зависит от способа деформации. Поэтому различают прочность на сжатие, растяжение, изгиб и скалывание. Прочность пород также зависит от их минералогического состава, структуры, текстуры, пористости, характера связи между зернами, твердости частиц и степени выветривания. Мелкозернистые породы обладают большей прочностью, чем крупнозернистые. Прочность сцементированных пород зависит от рода цемента. Прочность глинистых пород падает с увеличением влажности.
С увеличением плотности прочность, как правило, возрастает. Небольшая прочность горных пород проявляется при сжатии. Она характеризуется отношением усилия, разрушающего образец (Рк, Н), к площади поперечного сечения образца (F, м2):

При всестороннем объемном сжатии (забой шпура, скважины) сопротивление пород увеличивается. Сопротивление горных пород сжатию изменяется в зависимости от направления действия сил по отношению к кристаллографическим осям, слоистости и сланцеватости пород. Так, у сланцевых пород прочность вдоль плоскости сланцеватости составляет 0,5—0,75 от прочности в направлении, перпендикулярном к этой плоскости.
Прочность при скалывании в 10—15 раз меньше прочности на сжатие, а прочность при растяжении в 1,5—2 раза меньше, чем прочность при скалывании.
Прочность наиболее распространенных пород на одноосное сжатие приведена в табл. 6.

Твердостью называется способность пород оказывать сопротивление проникновению в нее другого, более твердого тела и является частным случаем прочности при местном приложении разрушающих нагрузок. Это очень важное свойство горных пород, определяющее величину внедрения лезвия головки буров (резцов) и поэтому существенно влияющее на скорость бурения шпуров, скважин.
Различают агрегатную твердость, т. е. твердость породы в целом, и твердость отдельных минералов, из которых состоит порода. Агрегатная твердость зависит от твердости отдельных минеральных зерен, цементирующего вещества и плотности горной породы. Она в основном влияет на скорость разрушения породы при бурении шпуров. Твердость отдельных минералов влияет на износ резцов породоразрушающего инструмента и сказывается на интенсивности разрушения породы только во времени.
Твердость горных пород зависит также от способа приложения нагрузок, которые могут быть статическими и динамическими. Динамическая твердость почти в 10 раз меньше статической.
Твердость можно определять различными методами: царапаньем, затухающими колебаниями, вдавливанием штампа, истиранием, резанием, отскоком бойка и др.
Абразивностью называется способность горной породы изнашивать контактирующие с ней поверхности горных машин или горного оборудования в процессе их работы.
Абразивность пород зависит от твердости породообразующих минералов, характера сцепления зерен друг с другом, крупности и формы зерен, плотности пород и степени ее трещиноватости. Чем тверже и крупнее зерна минералов, чем острее их ребра, тем выше абразивность пород. Наибольшей абразивностью обладает порода с мягким цементом.
Абразивность горных пород имеет существенное влияние на технико-экономические показатели проведения горноразведочных выработок (выбор более или менее энергоемких и трудоемких средств бурения шпуров, погрузки породы, обмена вагонеток и пр.).

Механические свойства горных пород определяют их поведение под влиянием внешних нагрузок – усилий. Они проявляются и непосредственно оцениваются прочностью и деформируемостью горных пород.

Прочность – свойство горных пород (материалов) сопротивляться разрушению и образованию больших деформаций, т.е. не разрушаться под действием определенной нагрузки.

Деформация – свойство материала под действием нагрузки изменять свою форму и объем.

Прочность материала может изменяться под влиянием различных факторов в широких пределах: они могут быть очень прочными, прочными, средней прочности, малой прочности и очень малой прочности. Разрушение горных пород может происходить сразу, без образования больших деформаций, т.е. происходит хрупкое разрушение, в том случае говорят о условно-мгновенной прочности или стандартной и длительной прочности.

Деформации и напряжения в горных породах, как и для других материалов, связаны между собой определенными соотношениями.

Одним из свойств материала, горной породы является свойство упругости. Упругость это свойство материала восстанавливать первоначальные размеры после снятия нагрузки.

Скальные породы обладают высокой прочностью, упругостью и малыми деформациями и перемещениями, слабой водопроницаемостью. Разрушаются они хрупко, мгновенно, с потерей сплошности. Деформации, развивающиеся во времени, т.е. упруговязкие или упругопластичные для них нехарактерны. Для этих пород определяется так называемая мгновенная прочность

Полускальные породы отличаются от скальных меньшей прочностью и устойчивостью, большей деформируемостью, значительной водопроницаемостью. Они имеют хрупкопластический или пластический характер разрушения. Для них характерно развитие деформаций во времени, т.е. явление ползучести. Для таких пород необходимо учитывать не только мгновенную, но и длительную прочность, учитывать реологические свойства. Для обеспечения устойчивости сооружений, как в строительной, так и в горной практике требуются сложные инженерные мероприятия.

Породы рыхлые несвязные и мягкие связные по сравнению с предыдущими характеризуются значительно меньшей прочностью и устойчивостью и большей деформируемостью, сильной водопроницаемостью.

Для понимания природы свойств крупнообломочных, песчаных и особенно глинистых пород важно учитывать не только их геолого-петрографические особенности, но и свойства, обусловленные дисперсностью, так как эти породы – многофазные системы, состоящие из минеральных частиц, воды и воздуха или других газов.

При изучении и оценке прочности, устойчивости, деформируемости и водопроницаемости горных пород важно учитывать их анизотропию, обусловленную поверхностями и зонами ослабления, уменьшением напряжений при разгрузке, сопровождающейся образованием зон разгрузки, трещин упругого отпора. Поэтому перечисленные свойства горных пород важно охарактеризовать не только средними показателями, но и дирекционными, определяемыми по характерным направлениям. Эти показатели могут использоваться в качестве расчетных.

Повышенное содержание тонкодисперсных частиц в породах определяют в значительной степени их глинистые свойства и принципиальные отличия по свойствам глинистых пород от песчаных и других обломочных.

Образец, применяемый при испытании, имеет более однородную структуру, меньшее количество дефектов, поэтому прочность образца выше, чем прочность породы, в этом случае необходимо учитывать масштабный фактор. Но при испытании образца нужно учитывать расположение слоев, наличие внешних дефектов, поверхностей ослабления, иногда при испытании получаем заниженную прочность.

Если порода будет служить естественным основанием для какого-либо сооружения или средой для него, ее свойства должны изучаться при естественном сложении и влажности (на монолитах). Если она будет использоваться как строительный материал для отсыпки насыпей, дамб, земляных плотин, ее свойства нужно изучать на образцах нарушенного сложения, при влажности близкой естественной.

При решении различных инженерно-геологических задач, связанных с проектированием и строительством сооружений необходимо иметь следующие характеристики: вещественный состав, особенности строения, физические свойства, водные свойства, механические свойства, показатели специального назначения.

К механическим свойствам горных пород относятся прочность при сжатии и растяжении, сопротивление скалыванию и сдвигу, общая деформируемость, сжимаемость и просадочность, ползучесть и длительная прочность. Прочность горных пород обычно характеризуется пределами прочности на сжатие σсж, сдвиг, изгиб σиз и растяжении σр.

Горные породы в условиях одноосного сжатия, изгиба и растяжения обычно обладают высокой прочностью на сжатие и незначительной прочностью на растяжение, изгиб, сдвиг.

При этом, как правило, во всех твердых породах σсж > σиз> σр.

Например, для гранита предел прочности при растяжении составляет 0,02…0,04 предела прочности на сжатие, на сдвиг – 0,08, на изгиб – 0,09. Слоистые горные породы дают различные значения прочности при сжатии и растяжении их параллельно и перпендикулярно слоистости и, как правило, сжатие перпендикулярно слоистости дает более высокие показатели прочности, а при растяжении – наоборот.

Испытания горных пород в условиях всестороннего равномерного сжатия показали, что при достаточно однородном и сплошном строении породы разрушение ее не происходит даже при очень больших давлениях.

Хрупкость – свойство горной породы сравнительно легко разрушаться при статической нагрузке без заметной остаточной деформации.

Почти все горные породы при существующих способах разрушения и скоростях приложения нагрузки разрушаются хрупко. Для этих пород предел текучести равен пределу прочности.

Для скальных пород характерны упругие свойства, а полускальные являются только частично упругими.

В рыхлых обломочных несвязных и глинистых мягких связных породах упругие свойства имеют подчиненное значение.

Для изучения полускальных пород кроме показателей упругих свойств большое значение имеют показатели, характеризующие их способность сопротивляться общим деформациям: обратимым (упругим) и необратимым (остаточным).

Различные группы горных пород имеют неодинаковый характер разрушения, поэтому для оценки их прочности применяют различные виды испытаний. Для скальных, полускальных и связных глинистых пород основными показателями прочности являются временное сопротивление сжатию (предел прочности при сжатии) породах , временное сопротивление растяжению (предел прочности при растяжении) , сопротивление скалыванию. Для мягких связных и рыхлых несвязных пород – показатели сопротивления сдвигу: угол внутреннего трения, общее сцепление и в некоторых случаях коэффициент сдвига.