Материал: ShashenkoSzdvigkovaGapeev_monograf

Внимание! Если размещение файла нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам
background image

О

ЦЕНКА

ПРОЧНОСТИ

НЕОДНОРОДНЫХ

СРЕД

С

ДЕФЕКТНОЙ

СТРУКТУРОЙ

85

для

случая

объемного

сжатия

значение

коэффициента

структурного

ослабления

равное

 0,369-0,428 [202]. 

В

США

и

ряде

других

стран

широко

применяется

методика

оценки

трещи

-

новатости

горных

пород

по

показателю

качества

породы

 RQD (Rock Qu

а

lity 

Designation), 

который

определяется

как

произведение

величины

выхода

керна

выраженного

в

процентах

 (

Z

), 

на

отношение

суммарной

длины

ненарушенных

кусков

керна

каждый

из

которых

имеет

длину

не

менее

 10 

см

 (

i

l

), 

ко

всей

длине

исследуемого

интервала

 (

L

), 

т

.

е

. RQD=

(

)

L

l

Z

i

/

Если

например

из

исследуемой

скважины

с

интервалом

 9 

м

извлечен

керн

общей

длиной

 8 

м

а

суммарная

длина

ненарушенных

кусков

керна

  (

каждый

длиной

 10 

см

и

более

составляет

 7 

м

то

 RQD = 78%. 

На

основе

показателя

ка

-

чества

 RQD 

составлены

графики

таблицы

определяющие

характер

условий

проведения

выработок

тип

и

стоимость

крепления

 [202]. 

В

отличие

от

показателя

 RQD, 

методы

Дира

и

Хансаги

 [203, 204], 

незначи

-

тельно

отличаясь

друг

от

друга

позволяют

определять

коэффициент

структур

-

ного

ослабления

учитывая

при

этом

число

образцов

диаметр

и

длину

керна

Заметим

что

и

метод

 RQD , 

и

метод

Хансаги

и

Дира

не

имеют

под

собой

ника

-

кого

аналитического

обоснования

По

сути

дела

это

способ

получения

некото

-

рой

величины

меньше

единицы

которая

годится

только

для

качественной

оце

-

нки

горных

пород

по

степени

их

нарушенности

Коэффициент

структурного

ослабления

является

очень

важной

характери

-

стикой

массива

На

стадии

проектирования

именно

с

этой

величиной

связан

прогноз

возможной

области

предельного

состояния

пород

в

окрестности

выра

-

ботки

а

следовательно

и

нагрузки

на

крепь

поскольку

как

было

показано

выше

именно

предел

прочности

на

сжатие

фигурирует

в

качестве

основной

физической

константы

в

критериальных

соотношениях

наиболее

распростра

-

ненных

феноменологических

теорий

прочности

Поэтому

величина

коэффици

-

ента

структурного

ослабления

должна

быть

достаточно

обоснована

включая

в

себя

как

объективные

предпосылки

формирования

физической

константы

так

и

субъективные

присущие

конкретным

горно

-

геологическим

условиям

background image

Р

АЗДЕЛ

86

4.5. 

Аналитические

исследования

масштабного

эффекта

Аналитическое

описание

отличия

прочности

системы

  (

агрегата

от

проч

-

ности

его

структурных

элементов

дано

в

работах

основанных

на

статистиче

-

ских

теориях

прочности

Так

опираясь

на

асимптотическое

выражение

В

Вейбулла

для

плотности

распределения

наименьших

значений

прочности

(

прочности

дефектов

в

некотором

объеме

В

.

В

Болотин

[

94

]

получил

следую

-

щую

формулу

для

математического

ожидания

прочности

тела

имеющего

за

-

данный

объем

V

 : 

dR

V

R

g

R

=

0

0

)

(

exp

.   

(4.1) 

Здесь

функция

)

(

R

g

определяет

некоторую

область

в

которой

функция

напряжений

)

,

,

(

z

y

x

R

определенная

во

всей

рассматриваемой

области

про

-

странства

превышает

минимальную

прочность

дефекта

0

s

(

)

(

)

=

0

,

,

0

,

,

)

(

f

z

y

x

R

c

dV

z

y

x

R

R

g

ϕ

α

σ

σ

,  (4.2) 

где

0

σ

=aR

— 

минимальная

прочность

дефекта

( )

(

)

α

σ

/

1

1

+

=

Г

R

b

c

c

 – 

параметр

имеющий

размерность

напряжений

R

c

 – 

средний

предел

прочности

эталонного

образца

a, b, 

α

 – 

коэффициенты

статистического

представления

определяемые

на

основании

испытания

образцов

различного

объема

( )

α

Г

 – 

гамма

-

функция

Интеграл

 (4.2) 

представляет

собой

некоторый

приведенный

объем

V*.

По

-

сле

ряда

преобразований

выражение

для

математического

ожидания

прочности

тела

принимает

вид

α

1

0

=

V

V

R

b

R

c

,    

(4.3) 

где

V

0

 – 

эталонный

объем

испытываемого

образца

Величина

α

1

0

V

V

b

представляет

собой

по

сути

коэффициент

структурно

-

background image

О

ЦЕНКА

ПРОЧНОСТИ

НЕОДНОРОДНЫХ

СРЕД

С

ДЕФЕКТНОЙ

СТРУКТУРОЙ

87

го

ослабления

Применительно

к

горному

массиву

сложно

трактовать

понятие

приведенного

объема

Массив

изначально

напряжен

т

.

е

., 

если

положить

проч

-

ность

дефекта

равной

нулю

то

в

любой

точке

тела

 (

массива

напряжения

будут

превосходить

прочность

дефекта

т

.

е

V*

будет

стремиться

к

бесконечности

Следовательно

прочность

всего

тела

т

.

е

массива

будет

стремиться

к

нулю

Этот

результат

абсурден

и

очевидно

не

должен

рассматриваться

Но

если

да

-

же

положить

прочность

дефектного

элемента

равной

некоторой

константе

от

-

личной

от

нуля

область

где

действующие

напряжения

превосходят

минималь

-

ную

прочностную

характеристику

согласно

известным

решениям

[

205-208

]

бу

-

дет

сопоставима

с

размерами

обнажения

но

во

много

раз

превышать

величину

эталонного

образца

Отношение

*

0

V

V

опять

таки

будет

близким

к

нулю

Уравнения

полученные

В

.

В

Болотиным

хорошо

описывают

масштабный

эффект

для

тел

ограниченных

объемов

и

широко

используются

в

машинострое

-

нии

Однако

автоматическое

перенесение

их

в

геомеханику

не

дает

желаемых

результатов

Большой

вклад

в

развитие

статистических

теорий

прочности

внесли

труды

Л

.

Г

Седракяна

[

90

]

следуя

которым

породную

среду

можно

рассматривать

как

конструкцию

состоящую

из

   

отдельных

   

параллельно

работающих

элементов

различной

прочности

При

разрушении

одного

из

них

нагрузка

перераспределя

-

ется

между

уцелевшими

элементами

Пусть

на

конструкцию

действует

нагрузка

м

nR

Р

=

.   

 (4.4) 

Элементы

с

пределом

прочности

меньшим

м

R

разрушаются

Число

этих

элементов

R

n

Вероятность

встречи

такого

элемента

в

конструкции

по

класси

-

ческому

определению

вероятности

равна

( )

n

n

R

Р

R

=

.   

(4.5) 

При

известной

функции

распределения

предела

прочности

элементов

( )

R

F

вероятность

того

что

элемент

имеет

прочность

меньшую

м

R

равна

background image

Р

АЗДЕЛ 

88 

 

м

м

R

F

R

R

P

(4.6) 

Тогда 

 

м

R

R

nF

n

.  

(4.7) 

Число  неразрушенных  элементов  составит 

 

м

R

F

n

1

.  Значение  напря-

жений в  уцелевших элементах после перераспределения нагрузки между ними 

возрастает и станет равным 

 

м

м

R

F

n

nR

1

/

(4.8) 

Теперь  разрушатся  элементы,  предел  прочности  которых  хотя  и  больше 

м

R

, но меньше последнего выражения. После разрушения этой группы элемен-

тов нагрузка передается на еще меньшее количество элементов. Процесс посте-

пенного  разрушения  элементов  прекратится,  когда  напряжения  в  уцелевших 

элементах  станут  меньше  предела  их  прочности.  Значение  напряжений  в  уце-

левшем элементе обозначим 

R

. Число разрушенных элементов, соответствую-

щее устойчивому состоянию конструкции, равно 

 

R

nF

. Число уцелевших эле-

ментов определится выражением 

 

R

F

n

1

. С другой стороны 

 

 

R

F

n

nR

R

F

n

P

R

м

1

/

1

/

.   

(4.9) 

Отсюда  

 

R

F

R

R

м

1

   

(4.10) 

или  

R

м

dR

R

P

R

R

0

)

(

1

,   

(4.11) 

где 

 

R

P

 – плотность распределения прочности элементов. 

Соотношение  (4.11)  дает  связь  между  средним  напряжением 

м

R

  и  мест-

ным  напряжением 

R

.  Значение  предела  прочности  конструкции  равно  макси-

мальному значению 

м

R

, определенному из (4.11). Таким образом, предел проч-

background image

О

ЦЕНКА

ПРОЧНОСТИ

НЕОДНОРОДНЫХ

СРЕД

С

ДЕФЕКТНОЙ

СТРУКТУРОЙ

89

ности

породного

массива

в

варианте

Л

.

Г

Седракяна

определится

выражением

  

{

}

))

(

1

(

max

R

F

R

R

м

=

.   

(4.12) 

Конкретный

вид

выражения

 (4.12) 

зависит

от

выбора

функции

распределе

-

ния

прочности

структурных

элементов

массива

в

отношении

которой

могут

выдвигаться

различные

гипотезы

Например

авторы

[

116

]

связывая

масштаб

-

ный

эффект

со

структурой

и

видом

напряженного

состояния

деформированного

твердого

тела

рассмотрели

ряд

статистических

задач

в

которых

функция

веро

-

ятности

разрушения

принимается

по

В

Вейбуллу

[

215

]

Разрушение

структур

-

ного

элемента

можно

рассматривать

как

 «

отказ

» 

системы

связанный

с

выходом

из

строя

наиболее

слабого

звена

Распределение

Вейбулла

получено

именно

как

распределение

крайних

значений

в

выборке

и

широко

используется

в

статисти

-

ческих

моделях

связанных

с

надежностью

систем

например

как

распределе

-

ние

времени

безотказной

работы

системы

Интегральная

функция

распределения

Вейбулла

имеет

вид

)

)

/

(

exp(

1

)

(

)

(

0

0

ξ

σ

=

=

R

R

dR

R

P

R

F

, (4.13) 

где

ξ

,

σ

0

– 

параметры

распределения

Тогда

средняя

прочность

системы

 (

массива

в

соответствии

с

выражением

(4.12) 

равна

{

}

ξ

σ

)

/

(

exp(

max

0

R

R

R

m

=

.   

Минимизируя

выражение

в

фигурных

скобках

получим

ξ

ξ

ξ

σ

/

1

0

)

/

1

exp(

=

m

R

   (4.14) 

Выражение

 (4.14) 

определяет

прочность

пород

в

массиве

с

учетом

случай

-

но

распределенных

дефектов

Используя

его

можно

получить

коэффициент

структурного

ослабления

Лабораторные

образцы

пород

можно

рассматривать

как

структурные

элементы

системы

Их

средняя

прочность

в

соответствии

с

Источник: https://files.student-it.ru/previewfile/15175