Dział IX

3. Własności wytrzymałościowe skał. Charakterystyka naprężeniowo-odkształceniowa.

Przez wytrzymałościowe właściwości skał rozumie się ich zdolność do przeciwstawiania się zewnętrznym obciążeniom niszczącym. Jest to największa wartość naprężeń, jaką skała może przenieść nie ulegając zniszczeniu. Charakteryzowane są przez doraźne wytrzymałości skał:

na ściskanie Rc, na rozciąganie Rr, na ścinanie Rt, na zginanie Rg.

Wytrzymałość doraźna na ściskanie Rc jest to stosunek największej krytycznej siły ściskającej F, niszczącej próbkę, do pola powierzchni jej początkowego przekroju poprzecznego:
N/m²

Wytrzymałość doraźna na ścinanie Rt —Przy czystym ścinaniu wytrzymałość doraźna na ścinanie Rt definiowana jest jako stosunek krytycznej sity F do pola powierzchni ścięcia S. Rt=F/S. Na ogół wytrzymałość na ścinanie przedstawiona jest za pomocą dwóch parametrów: spójności i kąta tarcia wewnętrznego.

τ=σ_n*tgϕ+c

τ- wytrzymałość gruntu na ścinanie, czyli graniczny opór tarcia wewnętrznego kN/m²;

σ_n -naprężenie normalne, kN/m²;

ϕ— kat tarcia wewnętrznego.

Wytrzymałość doraźna na rozciąganie Rr -jest to stosunek największej, siły rozciągającej F, przy której próbka ulega zniszczeniu do pola powierzchni jej początkowego przekroju poprzecznego: Rr=F/S [N/m²]

Wytrzymalosc dorazna na zginanie Rg —jest to krytyczna wartość naprężenia, przy którym próbka skalna poddana obciążeniu zginającemu ulega zniszczeniu. Dla próbki w kształcie beleczki o przekroju prostokątnym swobodnie podpartej na końcach, a obciążonej jedną siłą skupioną w środku długości próbki, doraźną wytrzymałość na zginanie oblicza sie za pomocą wzoru:

[N/m²]

gdzie:

F— siła łamiąca beleczkę, N;

l— odstęp podpór beleczki, m;

b — szerokość przekroju poprzecznego beleczki, m;

h —wysokość tego przekroju, m;

Mg — moment zginający odpowiadający sile niszczącej, Nm;

Wx — wskaźnik wytrzymałości przekroju na zginanie, m³.

Orientacyjne zależności miedzy wytrzymałością na ściskanie a innymi są następujące:

Rc>Rt>Rg>Rr

Charakterystyka naprężeniowo- odkształceniowa

Na wyidealizowanej (typowej) charakterystyce odkształcania się skały kruchej przy ściskaniu, na którą składają się w ogólności krzywe odkształceń podłużnych, poprzecznych i objętościowych, można wyróżnić kilka charakterystycznych odcinków reprezentujących poszczególne stadia procesu odkształcania się i zniszczenia skały. Stadia te mogą być następujące:

l — Stadium nieliniowego odkształcania się skały.

W stadium tym pod wpływem działania naprężenia (σ1 - σ3) następuje zamykanie sie mikroszczelin i mikroporów Objętość próbki maleje, a odkształcenie jest tylko częściowo odwracalne. Krzywa odkształceń podłużnych wygięta jest zwykle w kierunku osi ε. Przy czym im skała jest bardziej zbita, tym krzywizna ta jest mniejsza. Odkształcenia poprzeczne stopniowo wzrastają, a wartości modułu sprężystości i współczynnika Poissona zwiększają się. W warunkach działania ciśnienia hydrostatycznego σ1= σ2 = σ3 o wartości kilkudziesięciu megapaskali, stadium to nie występuje, a krzywe naprężenie — odkształcenie przyjmują od samego początku postać prostych.

II- Stadium liniowego odkształcania sie skały odpowiadające sprężystemu odkształcaniu się mineralnego szkieletu.

Przyrosty odkształceń są proporcjonalne do przyrostów naprężeń. Stosunek poprzecznego i podłużnego odkształcenia jest stały. Moduły sprężystości mają wartości stałe.

III- Stadium liniowości odkształceń podłużnych εz oraz nieliniowości odkształceń poprzecznych εxy i objętościowych εv.

W stadium tym zostaje zapoczątkowany proces niszczenia skały. Rozpoczyna się propagacja mikroszczelin pierwotnych, istniejących w skale. Towarzyszy jej względny wzrost objętości skały -mikrodylatancja .

IV - Stadium nieliniowego odksztalcenia się skaly, właściwego zaawansowanemu procesowi stabilnej propagacji spękań. W tym stadium następuje przyspieszony wzrost odkształceń poprzecznych; Es- maleje, ν-nadal rośnie.

V- stadium nieliniowego odkształceń się skały bezwzględnego wzrostu objętości skały- dylatacji.

W następstwie wyzwolenia się pewnej części energii sprężystej, tzw. Energii krytycznej, która zostaje zużyta na powiększenie spękań, dochodzi do niestabilnej już, niekontrolowanej propagacji makrospękań. Studium kończy się osiągnięciem przez próbkę granicy wytrzymałości σmax.

Dysponując sztywnymi maszynami wytrzymałościowymi można określić moduł sprężystości E oraz moduł spadu Ms- określony jako tangens kąta nachylenia opadającej części krzywej do osi odciętych. Stromość pozniszczeniowej części charakterystyki, może służyć za miarę kruchości materiału.

---