Влияние дефектов и минерального состава на прочность пород

На основе теоретического расчета потенциальной энергии ионов в кристаллах можно установить усилия, требуемые для разрушения твердых тел. Однако экспериментально получаемые величины прочности в сотни, а иногда и в тысячи раз меньше теоретических (для меди, например, в 1500 раз). Причина расхождений заключается в наличии множества различных дефектов в кристаллах, снижающих связи между частицами в их кристаллической решетке (рис. 26).

Различают следующие дефекты:

точечные — вакансии (отсутствие атомов в узлах кристаллической решетки), или атомы внедрения (вклинившиеся в междуузлие другие атомы, в том числе и инородные атомы);

линейные — винтовые дислокации, вызванные сдвигом одной части кристалла относительно другой, и краевые дислокации — линии искажения, которые проходят вдоль края лишней атомной плоскости;

поверхностные — несовершенства, возникающие на плоскостях контакта различных кристаллов.

Для горных пород наибольшее значение имеют поверхностные и линейные дефекты, обуславливающие их прочность.

Плотность (количество) дислокаций в кристаллах высока и может составлять от 10² до 10¹² на 1 см². Увеличение плотности дислокаций ослабляет минералы, вызывает в них пластические деформации и т. п. Вместе с тем пересыщенность дислокациями может привести и к упрочнению кристаллов по сравнению с кристаллами, имеющими меньшее количество дефектов, за счет запутывания и закрепления концов дислокаций и исчезновения свободных плоскостей скольжения кристаллов. При этом хрупкость кристаллов увеличивается.

В поликристаллических горных породах прочность в основном определяется силами взаимного сцепления непосредственно соприкасающихся между собой частиц и в первую очередь зависит от их макростроения.

Поскольку в любом куске горной породы существует некоторое количество макроскопических дефектов — мелкие трещины, поры, неоднородности, плоскости ослабления, картину хрупкого разрушения породы, согласно теории, разработанной А.А. Гриффитсом и академиком П.А. Ребиндером, можно представить так: при нагрузке образца в углах трещин и на неоднородностях создаются микроконцентрации напряжений σ. В момент, когда σ превысит предел прочности, в данной точке происходит микросдвиг, напряжение мгновенно снижается и перераспределяется на другие точки, в которых, в свою очередь, возникают микросдвиги. Нарастание этого процесса приводит к разрушению породы.

У большинства пород прочность сцепления между зернами ниже прочности самих зерен и линия разрыва при разрушении проходит между кристаллами.

Из породообразующих минералов наибольшей прочностью обладает кварц, предел прочности на сжатие которого превышает 5000 кгс/см²; у полевых шпатов, пироксенов, авгита, роговой обманки, оливина и других железисто-магнезиальных минералов он составляет 2000—5000 кгс/см²; у кальцита — около 200 кгс/см². В связи с этим наибольшей прочностью обычно обладают кварцсодержащие породы объемным весом около 2,65-10³ кгс/м³.

Если в горной породе присутствуют слабые минералы (кальцит, слюда), то ее предел прочности значительно снижается. Прочностные характеристики пород очень чувствительны к их структуре. Прочность сцементированных пород в первую очередь определяется прочностью цемента (матрицы), а не прочностью заполнителя.

Горные породы хорошо выдерживают напряжения сжатия и очень плохо — напряжения растяжения; пределы прочности на растяжение редко превышают 10% прочности на сжатие. Это объясняется большим количеством нарушений и неоднородностей в породах, слабыми силами сцепления между частицами. У металлов, например, отношение находится в пределах 1—3.

Пределы прочности пород на сдвиг, изгиб и другие виды деформаций всегда меньше σ_сж и больше σ_р, причем по своей величине более близки к σ_р (см. приложение 7).

Наивысшие значения предела прочности на сжатие имеют плотные мелкозернистые кварциты и нефриты — 5000—6000 кгс/см². Значительной прочностью (более 3500 кгс/см²) обладают плотные мелкозернистые граниты, несколько меньшей — габбро, диабазы и крупнозернистые граниты. Прочность углей изменяется в зависимости от степени их метаморфизации от 10 (коксовые угли) до 350 кгс/см² (антрациты).

Пределы прочности на растяжение большинства пород не превышают 200 кгс/см². Наивысшая прочность на растяжение характерна для кварцитов и малопористых перекристаллизованных мелкозернистых мраморов.