8.4.1.3. Определения показателей прочности скального грунта при срезе со сжатием

Пределом прочности горной породы при срезе со сжатием называется предельное напряжение, при котором происходит разрушение породы под воздействием силы, в одной плоскости под разными углами среза.

Для определения пределов прочности горных пород применяют: установку колонкового бурения или станок сверлильный для выбуривания образцов из проб горных пород; машину камнерезную, машины испытательные или прессы, максимальное усилие которых не менее чем на 20 % превышает предельную нагрузку на образец; устройство испытательное, размещаемое на опорной плите испытательной машины (пресса), содержащее сменные разъемные матрицы (рис. 8.43) с вкладышами с разрезными обоймами для установки образца под углами наклона -(Θ=25, 35, 45) и опорное приспособление в виде стальных плит с роликовой постелью. Режущие кромки вкладышей должны быть расположены в одной диаметральной или срединной плоскости образца [24].

Для испытания цилиндрические или призматические образцы выбуривают или вырезают на камнерезной машине из штуфов и кернов, их торцевые поверхности шлифуют. Образцы из гигроскопических пород изготовляют без применения промывочной жидкости и до начала испытания хранят в эксикаторе.

Образцы пород для испытаний должны иметь форму цилиндра с предпочтительным диаметром 42±2 мм, допускаемым от 30 до 75 мм, с отношением высоты к диаметру 1,0±0,1. Средний диаметр образца должен быть меньше внутреннего диаметра обоймы не более чем на 0,2 мм. Торцевые поверхности образца должны быть плоскими, параллельными друг другу и перпендикулярными к боковой поверхности. Значения отклонений должны быть не более 0,2 мм. Образцы одной выборки должны иметь одинаковые размеры: допускаются отклонения значений диаметра (стороны квадрата) каждого образца от среднего арифметического значения не более ± 0,1 мм и высоте не более ± 2,0 мм. Количество образцов для испытания при каждом из углов наклона (Θ=25, 35, 45) должно быть не менее 6 при условии обеспечения надежности результатов – не менее 80 % и относительной погрешности – не более 30 %.

Образец помещают в матрицу испытательного устройства. Между образцом и обоймами матрицы прокладывают фольгу. Собранную с образцом матрицу вместе с опорным приспособлением устанавливают в центре опорной плиты пресса, располагая оси роликов параллельно срезающим кромкам матрицы. Образец нагружают равномерно со скоростью роста срезающих напряжений 1 5 МПа/с до полного разрушения по плоскости среза. Значение разрушающей силы Р определяют в килоньютонах, зафиксированное силоизмерителем испытательной машины (пресса).

При необходимости определяют влажность испытанного образца. Для этого выбирают обломки образца, помещают их в бюксы не позже чем через 10 мин после выполнения испытаний. Влажность фиксируют в журнале испытаний.

Предел прочности при срезе () и нормальное сжимающее напряжение () – в мегапаскалях для каждого образца вычисляют по формулам:

-

Условные обозначения: 1 – роликовая постель; 2 – нижняя матрица; 3 – вкладыш; 4 – обоймы; 5 – фольга; 6 – верхняя матрица; 7 – образец; 8 – плиты

Рис. 8.43. Разъемные матрицы с вкладышами с разрезными обоймами для установки образца под углами наклона (Θ=25, 35, 45)

где Р – разрушающая сила, кН; Θ – угол между плоскостью среза и направлением действия разрушающей силы, град; S = h d – площадь плоскости среза образца, см².

Обработку результатов испытаний образцов при одном угле среза Θ производят в следующем порядке: вычисляют среднее арифметическое значение предела прочности, среднее квадратическое отклонение и коэффициент вариации [24].

Сопротивление сдвигу скальных грунтов. К основным внутренним факторам, свойственным грунту и влияющим на его прочность при сдвиге, отно­сятся: комплекс структурно-текстурных особенностей (тип структурных свя­зей, их прочность, зернистость, однородность структуры, тип текстуры, пористость, трещиноватость), а также наличие, состав и количество поровой жидкости.

Скальные грунты обладают высоким сцеплением, намного превышающим сцепление связных дисперсных грунтов. Особенно велико сцепление у монолитных скальных грунтов по сравнению с трещиноватыми и выветрелыми разностями. Величина сцепления скальных грунтов соизмерима с прочностью на одноосное сжатие и у некоторых типов грунтов достигает сотен мегапаскалей. Как отмечалось выше, тип преобладающих структурных связей и их прочность, тип контакта между структурными элементами в первую очередь влияют на прочность грунта при сдвиге. Соответственно, при испытаниях грунтов на сдвиг (по любой схеме) или трехосное сжатие величины внутреннего трения и сцепления также будут зависеть от преобладающего типа контактов: максимальные значения φ и с будут у скальных грунтов с прочными фазовыми контактами, а наименьшие – у скальных грунтов с преобладанием смешанных и переходных контактов. Величина сцепления скальных грунтов зависит от зернистости: мелкокристаллическим разностям свойственно большее сцепление, чем крупнокристаллическим. Сцепление также зависит от однородности структуры грунта, с увеличением доли различных микротрещин, пустот и дефектов его величина снижается.

Анизотропные скальные грунты обладают различными значениями сцеп­ления и угла внутреннего трения при сдвиге по разным направлениям. Осо­бенно сильно это проявляется в слоистых скальных грунтах с ориентирован­ной текстурой. Грунты со слоистой текстурой будут иметь явно выраженную анизотропию прочности вдоль и поперек слоистости. Для ее характе­ристики используют коэффициент анизотропии прочности: К_a=R₌/R_┴,где R₌ и R_┴ – значения предела прочности грунта (сцепления, угла внутреннего трения) соответ­ственно вдоль и поперек слоистости [50].