Файл: ShashenkoSzdvigkovaGapeev_monograf.pdf

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 06.04.2021

Просмотров: 1744

Скачиваний: 2

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
background image

О

ЦЕНКА

 

ПРОЧНОСТИ

 

НЕОДНОРОДНЫХ

 

СРЕД

 

С

 

ДЕФЕКТНОЙ

 

СТРУКТУРОЙ

 

 

 

75

лами

этим

 

они

 

отличаются

 

от

 

трещин

 

прирожденных

 (

естественных

). 

Поверх

-

ности

 

тектонических

 

трещин

 

обычно

 

покрыты

 

бороздами

 

скольжения

так

 

как

 

очень

 

часто

 

они

 

являются

 

плоскостями

 

смещения

 

пород

.  

Создавая

 

дополнительные

 

плоскости

 

ослабления

тектонические

 

трещины

 

при

 

значительном

 

их

 

развитии

 

вызывают

 

аварийные

 

обрушения

 

кровли

 

в

 

рабо

-

чем

 

пространстве

Тектоническая

 

трещиноватость

 

бывает

 

представлена

 

обычно

 

двумя

 

системами

 

трещин

наклоненных

 

в

 

разные

 

стороны

 

и

 

взаимноперпенди

-

кулярных

Направление

 

тектонических

 

трещин

 

совпадает

 

с

 

направлением

 

ос

-

новных

 

разрывных

 

нарушений

 

данного

 

района

Тектонические

 

явления

 

содей

-

ствуют

 

раскрытию

 

ранее

 

скрытых

 

естественных

 

трещин

При

   

тектонических

 

подвижках

 

может

 

происходить

 

сдвижение

 

блоков

 

друг

 

относительно

 

друга

Различают

 

тектонические

 

трещины

 

с

 

разрывом

 

сплошности

 (

трещины

 

отрыва

трещины

 

скалывания

и

 

кливаж

.  

Кливаж

 

в

 

породах

 

и

 

углях

  (

от

 

французского

 

clivage

 – 

делимость

пред

-

ставляет

 

собой

 

особую

 

структурную

 

форму

 

породного

 

массива

Под

 

этим

 

тер

-

мином

 

понимают

 

способность

 

породы

 

или

 

угля

 

разделяться

 

по

 

плоскостям

не

-

совпадающим

 

с

 

первичной

 

текстурой

 

пород

  (

для

 

осадочных

 

пород

 

не

 

совпа

-

дающим

 

со

 

слоистостью

). 

Кливаж

 

является

 

разновидностью

 

трещиноватости

Он

 

проявляется

 

в

 

виде

 

параллельных

 

едва

 

заметных

 

плоскостей

 

ослабления

 

в

 

пласте

 

угля

а

 

также

 

во

 

вмещающих

 

породах

 

кровли

 

и

 

почвы

.  

Кливаж

 

различными

 

исследователями

 

понимается

 

неодинаково

 

как

 

по

 

морфологическим

 

признакам

так

 

и

 

по

 

происхождению

что

 

обусловлено

 

боль

-

шим

 

разнообразием

 

классификации

 

этого

 

явления

Различают

 

кливаж

 

первич

-

ный

 

и

 

вторичный

.  

Первичный

 

кливаж

 

в

 

горных

 

породах

 

возникает

 

под

 

влиянием

 

внутренних

 

причин

зависящих

 

от

 

вещества

 

самой

 

породы

от

 

внутреннего

 

сокращения

 

ее

 

объема

 

в

 

процессе

 

литификации

 

и

 

метаморфизма

В

 

осадочных

 

породах

 

пер

-

вичный

 

кливаж

 

выражается

 

обычно

 

в

 

образовании

 

двух

 

перпендикулярных

 

друг

 

другу

 

и

 

к

 

наслоению

 

систем

 

параллельных

 

трещин


background image

Р

АЗДЕЛ

 

 

 

76

Вторичный

 

кливаж

 

является

 

результатом

 

деформации

 

горных

 

пород

 

под

 

влиянием

 

внешних

в

 

основном

 

тектонических

воздействий

Вследствие

 

раз

-

личной

 

направленности

 

возникающих

 

при

 

этом

 

напряжений

 

трещины

 

кливажа

 

располагаются

 

под

 

различными

 

углами

 

к

 

первичным

 

текстурным

 

элементам

 

породы

  (

в

 

осадочных

 

породах

 – 

к

 

слоистости

). 

Расстояние

 

между

 

соседними

 

плоскостями

 

кливажа

 

зависит

 

от

 

мощности

 

и

 

прочности

 

породных

 

слоев

и

 

со

-

ставляют

 

от

 

нескольких

 

миллиметров

 

до

 

нескольких

 

метров

 (

обычно

 10-30 

см

). 

Каждая

 

отдельная

 

трещина

 

характеризуется

 

длиной

шириной

извилисто

-

стью

 

стенок

а

 

также

 

положением

 

трещины

 

в

 

пространстве

которое

 

в

 

геологии

 

принято

 

обозначать

 

углом

 

падения

 

и

 

азимутом

 

направления

 

падения

Трещины

 

различаются

 

также

 

наличием

 

или

 

отсутствием

 

в

 

них

 

заполнителей

в

 

соответст

-

вии

 

с

 

чем

 

они

 

подразделяются

 

на

 

открытые

 (

зияющие

и

 

заполненные

По

 

раскрытости

 

или

 

мощности

 

заполнения

 

выделяются

 

трещины

 

видимые

 

невооруженным

 

глазом

  (

открытые

закрытые

 

и

  «

волосные

») 

и

 

микротрещины

Ширина

 

открытых

 

трещин

 

или

 

мощность

 

их

 

заполнения

 

определяется

 

непо

-

средственными

 

замерами

ширину

 

закрытых

 

трещин

 

можно

 

считать

 

равной

 

0,8…0,5 

мм

, «

волосных

» – 0,5…0,2 

мм

Заполнитель

 

в

 

трещинах

 

может

 

быть

 

представлен

 

рыхлыми

 

отложениями

 

типа

 

песчано

-

глинистых

 

грунтов

 

либо

 

образованиями

отличающимися

 

от

 

по

-

род

 

массива

 

по

 

минералогическому

 

составу

но

 

сходными

 

с

 

ними

 

по

 

структуре

 

и

 

физическим

 

свойствам

Частота

 

трещин

 

зависит

 

от

 

мощности

 

и

 

состава

 

пласта

Например

чем

 

меньше

 

мощность

 

пластов

 

и

 

прочность

 

пород

тем

 

чаще

 

трещины

По

 

данным

 

многих

 

исследователей

 

[

148

]

в

 

карбонатных

 

породах

 

многих

 

районов

 

в

 

пластах

 

мощностью

 

от

 0,5 

до

 2,0 

м

 

эта

 

связь

 

прямолинейна

М

.

В

Рац

 

[

149

]

 

считает

 

ее

 

параболической

В

 

зависимости

 

от

 

того

как

 

трещины

 

ориентированы

различают

 

упорядо

-

ченную

  (

одно

-, 

двухсистемную

и

 

неупорядоченную

 

трещиноватость

Пересе

-

каясь

трещины

 

разбивают

 

породный

 

массив

 

с

 

некоторым

 

характерным

 

разме

-

ром

 

Н

 

на

 

отдельные

 

структурные

 

блоки

 

со

 

средним

 

размером

 

h

ср

.

Отношение

 


background image

О

ЦЕНКА

 

ПРОЧНОСТИ

 

НЕОДНОРОДНЫХ

 

СРЕД

 

С

 

ДЕФЕКТНОЙ

 

СТРУКТУРОЙ

 

 

 

77

H/h

c

р

.

 

называется

 

интенсивностью

 

трещиноватости

.

 

Кроме

 

того

для

 

количест

-

венной

 

оценки

 

трещиноватости

 

используют

 

линейный

площадной

 

и

 

объемный

 

коэффициенты

 

интенсивности

 

трещиноватости

Они

 

представляют

 

собой

 

соот

-

ветственно

 

отношение

 

единицы

 

длины

площади

объема

 

к

 

среднему

 

расстоя

-

нию

 

между

 

соседними

 

трещинами

 

l

cp.

к

 

площади

 

S

cp

.

 

и

 

объему

 

структурного

 

блока

 

V

cp.

.  

М

.

В

Рац

 

приводит

 

слова

 

известного

 

математика

 

Г

.

П

Покровского

еще

 

в

 

30-

е

 

годы

 

начавшего

 

развивать

 

статистическое

 

направление

 

в

 

механике

 

грунтов

 

и

 

указывавшего

что

 «…

система

 

совершенно

 

устойчивая

 

с

 

точки

 

зрения

 

теории

 

идеально

 

однородных

 

тел

 

кажется

 

неустойчивой

 

с

 

точки

 

зрения

 

статистической

 

теории

 

неоднородного

 

тела

». 

Согласно

 

принципам

 

статистической

 

механики

развиваемой

 

в

 

работах

 

Дж

Гиббса

 [150], 

микроструктура

 

массива

 

образуется

 

в

 

результате

 

сложных

 

физи

-

ко

-

химических

 

процессов

для

 

ранней

 

стадии

 

которых

 

характерно

 

равновесие

 

и

 

строгое

 

соблюдение

 

соотношений

 

между

 

компонентами

фазами

 

и

 

степенями

 

свободы

Однако

 

эти

 

равновесные

 

состояния

 

неодинаково

 

реализуются

 

в

 

каж

-

дой

 

точке

 

породной

 

среды

что

 

порождает

 

статистическую

 

совокупность

 

ее

 

свойств

 

и

 

признаков

Таким

 

образом

неоднородность

 

является

 

естественным

 

свойством

 

горных

 

пород

.  

 

4.3. 

Гипотезы

 

о

 

природе

 

масштабного

 

эффекта

 

Неоднородность

 

реальных

 

твердых

 

тел

в

 

том

 

числе

 

и

 

горных

 

пород

явля

-

ется

 

главной

 

причиной

 

того

что

 

по

 

отношению

 

к

 

ним

 

наблюдается

 

существен

-

ное

 

отклонение

 

от

 

закона

 

подобия

Это

 

невыполнение

 

является

 

следствием

 

геометрических

 

размеров

 

деформируемых

 

твердых

 

тел

и

 

в

 

связи

 

с

 

этим

при

-

чины

его

 

вызывающие

называют

 

масштабным

 

фактором

а

 

само

 

явление

 - 

масштабным

 

эффектом

.  

Известен

 

масштабный

 

эффект

 

давно

Еще

 

в

 1907 

г

Дэниэлс

 

и

 

Мур

 [151] 

показали

что

 

с

 

увеличением

 

линейных

 

размеров

 

образцов

 

антрацита

 

прочность

 


background image

Р

АЗДЕЛ

 

 

 

78

их

 

существенно

 

снижается

Первой

 

аналитической

 

работой

объясняющей

 

мас

-

штабный

 

эффект

имевший

 

место

 

в

 

опытах

 

со

 

стеклом

была

 

работа

 

А

Гриффитса

 [152], 

появившаяся

 

в

 1921 

г

Позднее

в

 1933 

г

., 

А

.

П

Александ

-

ров

 

и

 

С

.

Н

 

Журков

 [85] 

также

экспериментируя

 

подобно

 

А

Гриффитсу

 

со

 

стек

-

лянными

 

нитями

наиболее

 

полно

 

исследовали

 

зависимость

 

их

 

удельной

 

проч

-

ности

 

от

 

диаметра

Было

 

показано

что

 

с

 

увеличением

 

диаметра

 

средняя

 

проч

-

ность

 

нитей

 

уменьшается

 

с

 

одновременным

 

уменьшением

 

разброса

 

данных

.  

Работами

 

А

.

Ф

Иоффе

 

и

 

его

 

учеников

 [14] 

было

 

установлена

 

интересная

 

и

 

важная

 

особенность

масштабный

 

эффект

 

существенно

 

проявляется

 

при

 

де

-

формировании

 

материалов

склонных

 

к

 

хрупкому

 

разрушению

и

 

значительно

 

менее

 

выражен

 

при

 

испытаниях

 

материалов

разрушающихся

 

вязко

.  

Обширные

 

исследования

 

проявлений

 

масштабного

 

эффекта

 

по

 

отношению

 

к

 

металлам

 

были

 

выполнены

 B.B. 

Чечулиным

 [141], 

а

 

применительно

 

к

 

углям

 – 

С

.

Е

Чирковым

 [153]. 

В

 

последней

 

работе

 

отмечается

что

 

все

 

исследователи

 

масштабного

 

эффекта

 

в

 

углях

 

приходят

 

к

 

единому

 

выводу

увеличение

 

разме

-

ров

 

испытуемых

 

образцов

 

приводит

 

к

 

существенному

 

снижению

 

их

 

прочности

Результаты

 

же

 

испытаний

 

горных

 

пород

 

и

 

некоторых

 

иных

 

материалов

выполненных

 

различными

 

авторами

 

на

 

геометрически

 

подобных

 

образцах

да

-

леко

 

не

 

столь

 

однозначны

По

 

итогам

 

их

 

можно

 

разделить

 

на

 

четыре

 

группы

– 

с

 

увеличением

 

размеров

 

образцов

 

относительная

 

прочность

 

их

 

падает

 

[85, 154, 155 

и

 

др

.]; 

– 

с

 

увеличением

 

размеров

 

образцов

 

относительная

 

прочность

 

их

 

растет

 

[156-158]; 

– 

с

 

увеличением

 

размеров

 

образцов

 

до

 

определенного

 

предела

 

относитель

-

ная

 

прочность

 

их

 

растет

а

 

затем

 

асимптотически

 

падает

 

до

 

некоторой

 

постоян

-

ной

 

величины

 [159]; 

– 

с

 

изменением

 

размеров

 

образцов

 

прочность

 

их

 

остается

 

постоянной

 [160-

162]. 

Результаты

 

второй

 

группы

 

опытов

 

были

 

получены

 

при

 

испытаниях

 

образ

-

цов

 

каменной

 

соли

обладающей

 

существенной

 

вязкостью

Они

 

требуют

види

-


background image

О

ЦЕНКА

 

ПРОЧНОСТИ

 

НЕОДНОРОДНЫХ

 

СРЕД

 

С

 

ДЕФЕКТНОЙ

 

СТРУКТУРОЙ

 

 

 

79

мо

особого

 

анализа

 

и

 

трактовки

Испытания

 

других

 

литологических

 

разностей

 

не

 

показали

 

однозначного

 

увеличения

 

относительной

 

прочности

 

с

 

увеличением

 

размеров

 

образцов

Результаты

 

опытов

отнесенные

 

к

 

четвертой

 

группе

немно

-

гочисленны

 

и

 

резко

 

отличаются

 

от

 

большинства

 

известных

 

аналогичных

 

иссле

-

дований

Анализируя

 

результаты

 

своих

 

опытов

 

и

 

известных

 

в

 

литературе

М

.

И

Койфман

 

в

 1959 

г

предложил

 

различать

 

масштабные

 

эффекты

 

первого

 

и

 

второго

 

рода

Масштабный

 

эффект

 

первого

 

рода

или

 

объемный

связан

 

со

 

структурной

 

неоднородностью

 

испытываемого

 

материала

наличием

 

случайно

 

распределен

-

ных

 

по

 

объему

 

дефектов

Масштабный

 

эффект

 

второго

 

рода

или

 

поверхностный

связан

 

с

 

качеством

 

обработки

 

поверхности

 

испытуемых

 

образцов

 

и

 

степенью

 

разрушения

  (

дест

-

рукции

приповерхностного

 

слоя

Масштабный

 

эффект

 

первого

 

рода

 

М

.

И

Койфман

 

назвал

 

главным

 [163]. 

Поверхностный

 

масштабный

 

эффект

 

существенно

 

сказывается

 

при

 

испытаниях

 

образцов

 

малых

 

размеров

В

 

зависимости

 

от

 

характера

 

поверхностных

 

дефек

-

тов

 

он

 

может

 

в

 

одних

 

случаях

 

усилить

 

главный

 

масштабный

 

эффект

а

 

в

 

других

 

– 

уменьшить

При

 

переходе

 

же

 

от

 

образца

 

к

 

массиву

 

основным

 

является

 

глав

-

ный

 

масштабный

 

эффект

Интересная

 

классификация

 

проявлений

 

масштабного

 

эффекта

 

предложена

 

М

.

В

Рацем

 [149, 164]. 

В

 

горных

 

породах

 

выделяются

 

неоднородности

 

четырех

 

порядков

 

в

 

зависимости

 

от

 

размеров

 

исследуемой

 

области

  (

от

 10

-6

 

до

 10

6

 

см

). 

Масштабный

 

эффект

 

проявляется

 

в

 

том

что

 

все

 

моменты

 

вероятностного

 

рас

-

пределения

 

конкретного

 

признака

 

изменяются

 

с

 

изменением

 

размеров

 

области

 

воздействия

В

 

соответствии

 

с

 

этим

 

выделяются

 

масштабные

 

эффекты

 I, II 

и

 III 

рода

которые

 

характеризуются

соответственно

распределениями

 

Вейбулла

логарифмически

 

нормальным

 

и

 

нормальным

Масштабный

 

эффект

 I 

рода

 

соот

-

ветствует

 

тому

который

 

имеет

 

место

 

при

 

испытаниях

 

породных

 

образцов

 

раз

-

ных

 

размеров

.