Механические свойства (часть 1)

Механические свойства горных пород характеризуют их поведение в различных механических силовых полях, создаваемых ударом механического инструмента, взрывом заряда взрывчатого вещества, действием гравитационных сил и др. Под действием внешних механических силовых полей в породах появляются противодействующие внешним внутренние силы, плотность которых называют напряжениями. Следовательно, напряжение σ, Па, — отношение внутренней силы F, Н, действующей на площадке S, м2:
σ = F/S.
Сила является величиной векторной, т.е. действующей в определенном направлении. Если внешние силы действуют на породу только в одном направлении, по одной оси координат, то считается, что они вызывают в породе одноосное напряженное состояние; если в направлении двух или трех осей, то соответственно двухосное, т.е. плоское, или трехосное, т.е. объемное напряженные состояния. Напряжения, направленные перпендикулярно к рассматриваемой площадке, называют нормальными σ, напряжения, направленные вдоль площадки, — касательными τ. Так, на каждой грани элементарного объема породного массива можно выделить по три вектора напряжений — два взаимно перпендикулярных вектора касательных напряжений и один вектор нормального напряжения (рис. 1.19, а).

Под действием внешних сил в породе могут появляться деформации сжатия, растяжения, сдвига, соответствующие возникающим напряжениям (см. рис. 1.19, б, в). Нормальным напряжениям соответствуют относительные линейные деформации ε = Δl/l, где l — линейный размер образца породы; Δl — изменение линейного размера образца. Касательным напряжениям соответствуют деформации сдвига δ = tga, где a — угол сдвига у граней образца; вследствие малости углов сдвига принимаем tga ≈ а. Деформации считают упругими в том случае, когда порода почти мгновенно восстанавливает свою форму и размеры после снятия нагрузки, пластическими, — когда в породе сохраняется остаточная деформация после снятия нагрузки, и разрушающими, — когда порода теряет свою сплошность и разделяется на части. Упругости — способность горных пород к накоплению энергии в потенциально обратимой форме. Связь между напряжениями и деформациями в горных породах выражают через параметры механических свойств пород. К таким параметрам относят модуль продольной упругости, коэффициент Пуассона, пределы прочности при сжатии, растяжении и сдвиге, сцепление, угол внутреннего трения, для рыхлых, сыпучих пород — угол естественного откоса.