Критерии прочности горных пород

Работа посвящена установлению закономерностей пластического деформирования и разрушения горных пород. На основе выявленных закономерностей предложен аналитический критерий пластичности и прочности горных пород, который сравнивается с известными аналогами — критериями Кулона и Хука-Брауна — и верифицируется с подробным анализом. Приводится классификация горных пород по характерным особенностям их пластического деформирования. Рассматриваются достоинства и недостатки существующих критериев прочности. Подробно обсуждается и предлагается новый взгляд на механизм пластического деформирования горной породы на стадии упрочнения. Указывается на трансляционно-ротационный характер пластического деформирования в окрестности сдвиговых площадок, следствием чего и является повышение прочности пород (упрочнение) и явление дилатансии. То есть появляющиеся на стадии деформационного упрочнения микротрещины не реализуются в полноценные плоскости скольжения, секущие весь образец даже при возрастании девиатора напряжений. Это связано с перераспределением напряжений в окрестности концов трещины (рост нормальных напряжений), вызванного разворотом сдвиговой площадки и упругим отпором боковых пород, что, в свою очередь, приводит к смыканию устьев трещины и невозможности ее дальнейшего прорастания. В работе приводятся количественные зависимости для определения силовых факторов, вызывающих дилатансию и разворот элементов среды, то есть рассматривается динамика процесса пластического деформирования. Делается вывод о том, что главным недостатком критерия Кулона является низкая точность прогноза разрушения для большинства горных пород, а достоинством — простота в использовании. Напротив, критерий Хука-Брауна достаточно точно прогнозирует паспорт прочности, но в силу своей эмпирической сути никак не объясняет физику или механику пластического деформирования. В этой связи предпочтение отдается предлагаемому критерию, который помимо предела прочности определяет также предел упругости и функцию пластического потенциала, а также позволяет получить количественные оценки процесса пластического деформирования горных пород.

Жабко А. В. Критерии прочности горных пород // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2021. — № 11-1. — С. 27—45. DOI: 10.25018/0236_1493_ 2021_111_0_27.

Жабко Андрей Викторович — докт. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой маркшейдерского дела, Уральский государственный горный университет, 620144, Екатеринбург, ул. Куйбышева, д.30, Россия, zhabkoav@mail.ru.

1. Coulumb C. Application des regles de maximis et minimis a quelques problemes de staticue relatifs a l’architecture / C. Coulumb // Memoires de savants entranges de l’Academie des scieces. P.,1773.

2. Marinos V. A. Revised geotechnical classification GSI system for tectonically disturbed rock masses, such as flysch. Bulletin of Engineering Geology and the Environment 2017; № 19: pp 1—14.

3. Bewick R. P., Kaiser P. K., Amann F. Strength of massive to moderately jointed hard rock masses. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering 2019; №11(3): pp 562—575.

4. Marinos V, Carter T. G. Maintaining geological reality in application of GSI for design of engineering structures in rock. Journal of Engineering Geology 2018; № 239: pp 282—297.

5. Hoek E., Carter T. & Diederichs M. Quantification of the GSI Chart / Geomechanics Symposium held in San Francisco, USA, 2013.

6. Hoek E., Martin C. D. / Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering № 6 (2014): pp 287—300.

7. E. Hoek, E. T. Brown / Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering №XXX (2018): pp 1—19.

8. Жабко А. В. Теоретические и экспериментальные аспекты пластического деформирования и разрушения горных пород / А. В. Жабко // Известия УГГУ. — 2018. — № 1 (49). — С. 68–79.

9. Жабко А. В. Континуальная концепция сдвиговой дезинтеграции твердых тел / А. В. Жабко // Известия УГГУ. — 2019. — № 3 (55). — С. 111–123.

10. Жабко А. В. Критерий прочности блочных сред и обратные геомеханические расчеты / А. В. Жабко // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. 2020. № 6. С. 37—47.

11. Макаров П. В. Самоорганизованная критичность деформационных процессов и перспективы прогноза разрушения / П. В. Макаров // Физическая мезомеханика. — 2010. — № 13 (5). — С. 97—112.

12. Панин В. Е. Основы физической мезомеханики пластической деформации и разрушения твердых тел как нелинейных иерархически организованных систем / В. Е. Панин, В. Е. Егорушкин // Физическая мезомеханика. — 2015. — № 18 (5). — С. 100—113.

13. Викулин А. В. О волновых и реидных свойствах земной коры / А. В. Викулин, Х. Ф. Махмудов, А. Г. Иванчин и др. // Физика твердого тела. — 2016. — Т. 58. — Вып. 3. — С. 547—557.

14. Гарагаш И. А. Уединенные тектонические волны в верхней мантии / И. А. Гарагаш // Тектонофизика и актуальные вопросы наук о Земле. Четвертая тектонофизическая конференция ИФЗ РАН. — 2016. — С. 456—460.

15. Быков В. Г. Нелинейные волны и солитоны в моделях разломно-блоковых геологических сред / В. Г. Быков // Геология и геофизика. — 2015. — Т. 56. — № 5. — С. 1008—1024.

16. Тарасов Б. Г. Веерный механизм как инициатор землетрясений и горных ударов на глубоких горизонтах / Б. Г. Тарасов // Горный журнал. — 2020. — № 3 (2272). — С. 18 — 23.