Основні показники механічних властивостей гірських порід
Механічні властивості гірських порід визначають їхню поведінку під впливом зовнішніх навантажень – зусиль. Вони проявляються і безпосередньо оцінюються міцністю та деформованістю гірських порід.
Міцність – властивість гірських порід (матеріалів) чинити опір руйнуванню й освіті високих деформацій, тобто. не руйнуватись під дією певного навантаження.
Деформація – властивість матеріалу під впливом навантаження змінювати свою форму та обсяг.
Міцність матеріалу може змінюватися під впливом різних факторів у широких межах: вони можуть бути дуже міцними, міцними, середньою міцністю, малою міцністю та дуже малою міцністю. Руйнування гірських порід може відбуватися одночасно, без утворення великих деформацій, тобто. відбувається крихке руйнування, у тому випадку говорять про умовно-миттєву міцність або стандартну і тривалу міцність.
Деформації та напруги у гірських породах, як і для інших матеріалів, пов'язані між собою певними співвідношеннями.
Однією з властивостей матеріалу, гірської породи є властивість пружності. Гнучкість це властивість матеріалу відновлювати початкові розміри після зняття навантаження.
Скельні породи мають високу міцність, пружність і малі деформації і переміщення, слабку водопроникність. Руйнуються вони тендітно, миттєво, із втратою суцільності. Деформації, що розвиваються у часі, тобто. пружні або пружнопластичні для них нехарактерні. Для цих порід визначається так звана миттєва міцність
Полускальні породи відрізняються від скельних меншою міцністю та стійкістю, більшою деформованістю, значною водопроникністю. Вони мають крихкопластичний чи пластичний характер руйнування. Їх характерно розвиток деформацій у часі, тобто. явищеповзучості. Для таких порід необхідно враховувати як миттєву, а й тривалу міцність, враховувати реологічні властивості. Для забезпечення стійкості споруд як у будівельній, так і в гірничій практиці потрібні складні інженерні заходи.
Породи пухкі незв'язні та м'які зв'язкові порівняно з попередніми характеризуються значно меншою міцністю та стійкістю та більшою деформованістю, сильною водопроникністю.
Для розуміння природи властивостей великоуламкових, піщаних і особливо глинистих порід важливо враховувати як їх геолого-петрографічні особливості, а й властивості, зумовлені дисперсністю, оскільки ці породи – багатофазні системи, які з мінеральних частинок, води та повітря чи інших газів.
При вивченні та оцінці міцності, стійкості, деформованості та водопроникності гірських порід важливо враховувати їхню анізотропію, обумовлену поверхнями та зонами ослаблення, зменшенням напруг при розвантаженні, що супроводжується утворенням зон розвантаження, тріщин пружної відсічі. Тому перелічені властивості гірських порід важливо охарактеризувати як середніми показниками, а й дирекційними, обумовленими за характерними напрямами. Ці показники можуть використовуватися як розрахункові.
Зразок, застосовуваний при випробуванні, має більш однорідну структуру, менше дефектів, тому міцність зразка вище, ніж міцність породи, в цьому випадку необхідно враховувати масштабний фактор. Але при випробуванні зразка потрібно враховувати розташування шарів, зовнішніх дефектів, поверхонь ослаблення, іноді при випробуванні отримуємо занижену міцність.
Якщо порода буде служити природною основою для якоїсь споруди або середовищем для неї, її властивості повинні вивчатися приприродному складанні та вологості (на монолітах). Якщо вона використовуватиметься як будівельний матеріал для відсипання насипів, дамб, земляних гребель, її властивості потрібно вивчати на зразках порушеного додавання, при вологості близької природної.
При вирішенні різних інженерно-геологічних завдань, пов'язаних з проектуванням та будівництвом споруд необхідно мати такі характеристики: речовий склад, особливості будови, фізичні властивості, водні властивості, механічні властивості, показники спеціального призначення.
До механічних властивостей гірських порід відносяться міцність при стисканні та розтягуванні, опір сколюванню та зсуву, загальна деформованість, стисливість і просідання, повзучість і тривала міцність. Міцність гірських порід зазвичай характеризується межами міцності на стиск σсж, зсув, вигин σз і розтягнення σр.
Гірські породи в умовах одновісного стиснення, вигину і розтягування зазвичай мають високу міцність на стиск і незначну міцність на розтяг, вигин, зсув.
При цьому, як правило, у всіх твердих породах сж > σіз> σр.
Наприклад, для граніту межа міцності при розтягуванні становить 0,02…0,04 межі міцності на стиск, зсув – 0,08, на вигин – 0,09. Шаруваті гірські породи дають різні значення міцності при стисканні та розтягуванні їх паралельно та перпендикулярно до шаруватості і, як правило, стиснення перпендикулярно до шаруватості дає більш високі показники міцності, а при розтягуванні – навпаки.
Випробування гірських порід за умов всебічного рівномірного стиску показали, що з досить однорідному і суцільному будові породи руйнація її відбувається навіть за дуже великих тисках.
Крихкість - властивість гірської породи порівняно легко руйнуватися пристатичному навантаженні без помітної залишкової деформації.
Майже всі гірські породи при існуючих способах руйнування та швидкостях застосування навантаження руйнуються крихко. Для цих порід межа плинності дорівнює межі міцності.
Для скельних порід характерні пружні властивості, а напівскельні є лише частково пружними.
У пухких уламкових незв'язкових та глинистих м'яких зв'язкових породах пружні властивості мають підлегле значення.
Для вивчення напівскельних порід крім показників пружних властивостей велике значення мають показники, що характеризують їхню здатність чинити опір загальним деформаціям: оборотним (пружним) та незворотним (залишковим).
Різні групи гірських порід мають неоднаковий характер руйнування, для оцінки їх міцності застосовують різні види випробувань. Для скельних, напівскельних і зв'язкових глинистих порід основними показниками міцності є тимчасовий опір стиску (межа міцності при стисканні) породах, тимчасовий опір розтягуванню (межа міцності при розтягуванні), опір сколюванню. Для м'яких зв'язкових та пухких незв'язних порід – показники опору зсуву: кут внутрішнього тертя, загальне зчеплення та у деяких випадках коефіцієнт зсуву.