Механика горных пород (Джон Митчелл)

Для того чтобы определить прочность породы, нужно провести лабораторные испытания, подвергая образцы породы сжатию в гидравлическим прессе (рис20). Сжимающее усилие постепенно повышают до разрушения образца. Напряжение, действующее в породе в момент разрушения, называется пределом прочности породы при одноосном сжатии.

 

Рис. 20 Прочность породы

В процессе сжатия образца очень тщательно измеряют штангенциркулем или с помощью датчиков деформаций его длину и диаметр. Результаты измерений показывают, что при сжатии длина образца уменьшается, а диаметр увеличивается. Это объясняется там, что образец стремится сохранить свой первоначальный объем. Изменение длины под нагрузкой называется продольной деформацией, а изменение диаметра под нагрузкой называется поперечной деформацией.

 

Отношение поперечной деформации к продольной выражается через коэффициент Пуассона, который будет рассмотрен позже.

 

Если поместить образец в цилиндр, чтобы ограничить увеличение его диаметра, то добиться уменьшения его длины будет труднее (рис.20). Кроме того, для разрушения образца потребуется большее сжимающее усилие. Это объясняется тем, что порода становится прочнее при воздействии на нее ограничивающей силы. Нагрузка, требуемая для разрушения породы при действии ограничивающей силы, соответствует кажущейся прочности породы. Увеличение ограничивающей силы приводит к увеличению кажущейся прочности породы. Иногда, говоря об ограничивающей силе, используют термин "боковое давление" (рис.21).

С увеличением бокового давления порода становится также менее упругой и более пластичной. При очень большом боковом давлении деформация становится более вероятной, чем разрушение.

При увеличении бокового давления порода становится прочнее и пластичнее.

Для того чтобы образец разрушился или изменил форму, отдельные зерна породы должны переместиться относительно друг друга. Одна часть образца движется в одном направлении, а другая - в противоположном. Трение и присутствие цемента в пространстве между отдельными зернами препятствуют этому движению, придавая прочность породе.

Прочность породы определяется величиной трения и степенью цементации межзернового пространства.На трение влияет нагрузка от веса вышележащих пород, а также форма и ориентация зерен.Возраст породы влияет как на степень цементации, так и на форму и ориентацию зерен.

Возраст породы влияет как на степень цементации, так и на форму и ориентацию зерен.

Прочность горных пород обусловлена, главным образом, трением между зернами. На трение влияют несколько факторов, в том числе:

 

• Размер и форма зерен

• Ориентация зерен

• Сжимающие нагрузки, действующие на зерна

• Количество смазывающей жидкости в поровом пространстве

 

Рис. 21 Кажущаяся прочность породы

Цемент образуется из минералов, осаждающихся из воды, протекающей через пласт. Можно заметить похожий на породу материал, образующийся на дне электрического чайника. Он сходен с осадками, которые выпадают из раствора в пласте. Эти осадки цементируют зерна, в результате чего увеличивается прочность породы.

Роль трения и цемента можно проиллюстрировать на примере песка на пляже (рис.22). Когда песок сухой, то при высыпании он образует конус, похожий на вулкан или пирамиду. Песок не растекается тонким слоем, поскольку этому препятствует трение между отдельными зернами. Трение между зернами обеспечивает прочность песка, достаточную для образования конуса и сохранения параметра, называемого углом естественного откоса.

Если песок влажный, он достаточно прочен, чтобы из него можно было строить замки. Вертикальные стенки из влажного песка будут стоять, не разрушаясь. Вода, обладающая когезивными и адгезивными свойствами, действует как цемент, удерживающий зерна вместе. Кроме того, вода способствует более плотной упаковке песчаных зерен, в результате чего возрастает трение между зернами. Влажный песок является более прочным строительным материалом, чем сухой.

Однако если песок полностью насыщен водой, он становится непрочным и растекается тонким слоем. Это объясняется тем, что вода действует как смазочный материал. Без заметного трения песок не обладает прочностью.

Рис. 22 Аналогии прочности горных пород

Относительную прочность песочного конуса можно определить по углу откоса. Трение между зернами обеспечивает прочность песка, достаточную для образования конуса. Зерна влажного песка расположены ближе друг к другу, благодаря чему возрастает внутреннее трение и песок приобретает прочность, достаточную для строительства неразрушающихся вертикальных стенок. Чрезмерно количество воды в насыщенном песке приводит к разъединению зерен, причем вода смазывает их. Поскольку трение между зернами очень мало, песок растекается тонким слоем.

Дата: 2019-02-02, просмотров: 266.