Влияние тектонической трещиноватости на прочность горных пород

Прочностные свойства, которые были получены в ходе экспериментов в лабораторных условиях для образцов горных пород, не соответствуют их прочности в массиве. Это связано с неоднородностью массива, в частности, с наличием тонких прослойков слюды и угля, а также с тектонической трещиноватостью. Уменьшение коэффициента крепости горных пород по мере роста содержания микропрослойков слюды и угля, а также из-за увеличения трещиноватости учитывается в виде коэффициента структурного ослабления. То есть, тектонические трещины ослабляют прочность пород.

Рассмотрим типы природных трещин.

Из числа естественных трещин выделяют:

а) литогенетические трещины или трещины отдельности;

б) тектонические трещины.

Наиболее общепринятым считается теоретическое положение, что трещины отдельности и тектонические трещины образуются в результате действия сильных …
напряжений, превышающих прочностные свойства данной горной породы. Литогенетические трещины (трещины отдельности) в осадочных породах образовались при уменьшении объема уплотняющихся осадков. Трещины отдельности в эффузивных породах (например, столбчатая отдельность) возникли под влиянием сил поверхностного натяжения в охлаждающемся слое магмы.

Мелкие отдельности в других магматических и метаморфических породах (кливаж) образовались под влиянием неоднородных напряжений, и раскрывались в горных породах при их поднятии на поверхность. Поднятие сопровождалось боковым расширением пород, что вызвало появление хрупких трещин по осям X, Y и Z.

Тектонические трещины возникли под действием тектонических напряжений.

Рассмотрим возникновение трещин.

Согласно теории хрупкого разрушения Гриффитса, горная порода представляют собой твердое тело с множеством внутрикристаллических и структурных дефектов — мелких эллиптических трещин. Благодаря наличию дефектов, для разрушения горной породы надо приложить в 100 раз меньшую нагрузку, чем положено по теории разрушения межатомных связей. Трещины, возникающие при запредельной нагрузке, начинают расти с ускорением. Скорость распространения границы трещины максимальна для больших трещин и достигает скорости звука в этой породе. Напряжение в условиях объемной нагрузки тоже является объемным в каждой точке горной породы. Он характеризуется тензором напряжения, представляющим собой в общем случае эллипсоид вращения.

Если векторы напряжения изобразить в виде сдавливающих сил, действующих на точку со всех сторон, например, как на большой глубине в океане действует сила давления на батискаф, то эллипсоид вращения ограничивает эти векторы снаружи. А в центре эллипсоида находится сдавливаемая точка.

Рисунок 6 − Три главных напряжения (δ123), действующие на точку в массиве в условиях объемно напряженного гидростатического давления.

 

Гидростатическое давление, как на большой глубине в океане, характеризуется сферическим тензором, так как все сдавливающие силы равны. В тензоре напряжения, как и в эллипсоиде вращения, можно выделить три взаимно перпендикулярных (нормальных) напряжения: δ123. Это три главных нормальных напряжения. При негидростатическом давлении, например на крыльях складок, во время землетрясений и т.д. можно, соответствующим образом преобразовав соотношения δ123, из δ3 математически сделать растягивающие напряжения. Например, примем d > δ3. Тогда δ31 = (δ3 – d)<0. Следовательно, напряжение по оси δ3 становится растягивающим напряжением (рисунок 7).

 

Рисунок 7 – Растягивающее напряжение

δ31 = (δ3 – d)<0, при d > δ3.

 

 

По биссектрисе прямых углов можно выделить три касательных напряжения: τ1,τ2,τ3. Именно эти 6 главных напряжений являются причиной возникновения трещин отрыва и скола. Трещины отрыва возникают под действием растягивающих напряжений δ3 , поэтому эти трещины перпендикулярны к δ3 , стенки у них неровные, их полости раскрыты и по ним может перемещаться вода или газы. В плоскости трещин отрыва располагаются два других нормальных напряжения: δ1 и δ2 .

 

Рисунок 8 – Возникновение трещин отрыва и трещин скола. Трещины отрыва вертикальные, а трещины скола – наклонные

В случае простого сжатия, как правило, возникают трещины отрыва (разрыва). В условии трехосного сжатия, при всестороннем давлении образуются трещины скола 2-х систем. С плоскостями трещин скола совпадают касательные напряжения, τ1,τ2,τ3 . Обычно трещины скола направлены под углом 45° к нормальным напряжениям δ1 и δ3 .

Рисунок 9 – озникновение трещин отрыва, скола и пластическая деформация в известняке при различных соотношениях величин δ1 и δ3.(по М.С. Патерсону). Здесь δ 2 » δ3 , e — величина деформации образца путем уменьшения высоты цилиндра.