Материал: ShashenkoSzdvigkovaGapeev_monograf

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

. 

Р

АЗДЕЛ

4 

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

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

Р

АЗДЕЛ

4 

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

-

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

.