З. Определение 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 и 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 0 = 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.

Рис. 8.43. Разъемные матрицы с вкладышами с разрезными обоймами для установки образца под углами наклона 25°, 35°, 45°.

Образцы пород для испытаний должны иметь форму цилиндра с 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 (0 = 25°, 35°, 45°) должно быть не менее 6.

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 15 МПа’с до полного разрушения по плоскости среза. Значение разрушающей силы Р, зафиксированное силоизмерителем испытательной машины (пресса), определяют в килоньютонах.

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

Предел прочности при срезе (г) и нормальное сжимающее напряжение а, МПа, вычисляют по формулам:

где Р — разрушающая сила, кН; 0 — угол между плоскостью среза и направлением действия разрушающей силы, град.; 5 = Л; о — площадь плоскости среза образца, см².

Обработку результатов испытаний образцов при одном угле среза 0 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, но сравнению с трещиноватыми и вывстрелыми 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 <�р 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" = R_t/ R±. где R| и R-l — значения предела прочности грунта (сцепления, угла внутреннего трения) соответственно вдоль и поперек слоистости [50].