![](/user_photo/2706_HbeT2.jpg)
- •1. Основные понятия предмета физики горных пород
- •2. Минералы
- •3. Горные породы
- •4. Пористость пород
- •5. Плотность пород
- •6. Трещиноватость пород
- •7. Содержание воды в породах
- •8. Методы изучения состава и строения пород
- •9. Физико-технические параметры пород
- •10. Влияние минерального состава и строения пород на их свойства
- •11. Влияние внешних факторов на физические свойства пород
- •12. Напряжения и деформации в горных породах
- •13. Понятие о диаграмме деформирования
- •14. Упругие свойства горных пород
- •15. Распространение упругих колебаний в породах
- •16. Акустические характеристики пород
- •17. Действие упругих колебаний на горные породы
- •18 Теории прочности твердых тел Теоретическая прочность идеального кристалла
- •19. Влияние дефектов и минерального состава на прочность пород
- •20. Пластические свойства пород
- •21. Теплопроводность пород
- •22. Основные понятия электродинамики
- •23. Поляризация пород
- •24. Электропроводность горных пород
- •25. Естественные электрические поля в породах
- •26. Магнитные свойства пород
19. Влияние дефектов и минерального состава на прочность пород
На основе теоретического расчета потенциальной энергии ионов в кристаллах можно установить усилия, требуемые для разрушения твердых тел. Однако экспериментально получаемые величины прочности в сотни, а иногда и в тысячи раз меньше теоретических (для меди, например, в 1500 раз). Причина расхождений заключается в наличии множества различных дефектов в кристаллах, снижающих связи между частицами в их кристаллической решетке (рис. 26).
Различают следующие дефекты:
точечные — вакансии (отсутствие атомов в узлах кристаллической решетки), или атомы внедрения (вклинившиеся в междуузлие другие атомы, в том числе и инородные атомы);
линейные — винтовые дислокации, вызванные сдвигом одной части кристалла относительно другой, и краевые дислокации — линии искажения, которые проходят вдоль края лишней атомной плоскости;
поверхностные — несовершенства, возникающие на плоскостях контакта различных кристаллов.
Для горных пород наибольшее значение имеют поверхностные и линейные дефекты, обуславливающие их прочность.
Плотность (количество) дислокаций в кристаллах высока и может составлять от 102 до 1012 на 1 см2. Увеличение плотности дислокаций ослабляет минералы, вызывает в них пластические деформации и т. п. Вместе с тем пересыщенность дислокациями может привести и к упрочнению кристаллов по сравнению с кристаллами, имеющими меньшее количество дефектов, за счет запутывания и закрепления концов дислокаций и исчезновения свободных плоскостей скольжения кристаллов. При этом хрупкость кристаллов увеличивается.
В поликристаллических горных породах прочность в основном определяется силами взаимного сцепления непосредственно соприкасающихся между собой частиц и в первую очередь зависит от их макростроения.
Поскольку в любом куске горной породы существует некоторое количество макроскопических дефектов — мелкие трещины, поры, неоднородности, плоскости ослабления, картину хрупкого разрушения породы, согласно теории, разработанной А.А. Гриффитсом и академиком П.А. Ребиндером, можно представить так: при нагрузке образца в углах трещин и на неоднородностях создаются микроконцентрации напряжений σ. В момент, когда σ превысит предел прочности, в данной точке происходит микросдвиг, напряжение мгновенно снижается и перераспределяется на другие точки, в которых, в свою очередь, возникают микросдвиги. Нарастание этого процесса приводит к разрушению породы.
У большинства пород прочность сцепления между зернами ниже прочности самих зерен и линия разрыва при разрушении проходит между кристаллами.
Из породообразующих минералов наибольшей прочностью обладает кварц, предел прочности на сжатие которого превышает 5000 кгс/см2; у полевых шпатов, пироксенов, авгита, роговой обманки, оливина и других железисто-магнезиальных минералов он составляет 2000—5000 кгс/см2; у кальцита — около 200 кгс/см2. В связи с этим наибольшей прочностью обычно обладают кварцсодержащие породы объемным весом около 2,65-103 кгс/м3.
Если в горной породе присутствуют слабые минералы (кальцит, слюда), то ее предел прочности значительно снижается. Прочностные характеристики пород очень чувствительны к их структуре. Прочность сцементированных пород в первую очередь определяется прочностью цемента (матрицы), а не прочностью заполнителя.
Горные породы хорошо
выдерживают напряжения сжатия и очень
плохо — напряжения растяжения; пределы
прочности на растяжение редко превышают
10% прочности на сжатие. Это объясняется
большим количеством нарушений и
неоднородностей в породах, слабыми
силами сцепления между частицами. У
металлов, например, отношение
находится в пределах 1—3.
Пределы прочности пород на сдвиг, изгиб и другие виды деформаций всегда меньше σсж и больше σр, причем по своей величине более близки к σр (см. приложение 7).
Наивысшие значения предела прочности на сжатие имеют плотные мелкозернистые кварциты и нефриты — 5000—6000 кгс/см2. Значительной прочностью (более 3500 кгс/см2) обладают плотные мелкозернистые граниты, несколько меньшей — габбро, диабазы и крупнозернистые граниты. Прочность углей изменяется в зависимости от степени их метаморфизации от 10 (коксовые угли) до 350 кгс/см2 (антрациты).
Пределы прочности на растяжение большинства пород не превышают 200 кгс/см2. Наивысшая прочность на растяжение характерна для кварцитов и малопористых перекристаллизованных мелкозернистых мраморов.