Материал: ShashenkoSzdvigkovaGapeev_monograf

Внимание! Если размещение файла нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам
background image

Р

АЗДЕЛ

 

3 

 

 50

где

 

а

, b, c 

−

 

некоторые

 

параметры

, 

определяемые

 

из

 

испытаний

 

при

 

простей

-

ших

 

напряженных

 

состояниях

, 

(

) (

) (

)

2

1

3

2

3

2

2

2

1

2

2

σ

σ

σ

σ

σ

σ

σ

−

+

−

+

−

=

i

,  

(3.2) 

.

3

2

1

σ

σ

σ

+

+

=

I

  

 

 

 

 

 

(3.3) 

Здесь

: 

3

2

1

,

,

σ

σ

σ

 – 

главные

 

напряжения

. 

Следуя

 

гипотезе

 

Мора

, 

предположим

, 

что

 

прочность

 

материала

 

практиче

-

ски

 

зависит

 

только

 

от

 

тех

 

членов

 

выражений

 (3.2) 

и

 (3.3), 

которые

 

определяют

 

разность

 

и

 

сумму

 

наибольшего

 

и

 

наименьшего

 

компонентов

 

напряжений

. 

То

-

гда

, 

из

 (3.1) 

при

 

а

= 0 

получим

 

следующее

 

выражение

: 

(

)

(

)

c

b

=

+

+

−

3

1

2

3

1

2

1

σ

σ

σ

σ

. 

   (3.4) 

Параметры

 

b

 

и

 

с

 

определим

 

из

 (3.4) 

в

 

результате

 

испытаний

 

горных

 

пород

 

при

 

простейших

 

напряженных

 

состояниях

. 

Получим

:  

– 

при

 

одноосном

 

сжатии

 

в

 

предельном

 

состоянии

  

c

bR

R

c

c

=

+

2

2

1

;   

 

 

 

 

(3.5) 

– 

при

 

одноосном

 

растяжении

 

c

bR

R

p

p

=

−

2

2

1

.

   

 

 

 

 

(3.6) 

Решая

 

совместно

 

уравнения

 (3.5) 

и

 (3.6), 

находим

, 

что

 

)

1

(

2

1

−

=

ψ

c

R

b

;  

ψ

⋅

=

2

2

1

c

R

c

,

   (3.7) 

где

 

c

p

R

R

=

ψ

. 

Подставив

 

значения

 

параметров

 (3.7) 

в

 

соотношение

 (3.4), 

получим

 

сле

-

дующее

 

условие

 

прочности

2

: 

                                           

2

 

Условие

 

прочности

 (3.8) 

было

 

получено

 

Л

.

Я

. 

Парчевским

 

и

 

А

.

Н

. 

Шашенко

 

в

 

статье

: «

О

 

размерах

 

области

 

пла

-

стических

 

деформаций

 

вокруг

 

выработок

 // 

Изв

. 

ВУЗов

. 

Горный

 

журнал

.– 1998.– 

№

3.– 

С

. 39-42». 

background image

К

РИТЕРИИ

 

ПРОЧНОСТИ

 

В

 

ГЕОМЕХАНИКЕ

 

 

 51

(

)

(

) (

)

0

1

3

1

2

2

3

1

=

+

−

−

−

−

σ

σ

ψ

ψ

σ

σ

c

c

R

R

,

   

 (3.8) 

или

 

в

 

общем

 

случае

 

напряженного

 

состояния

 

(

)

(

)

(

)

0

1

4

2

2

2

=

+

−

−

−

+

−

y

x

c

c

xy

y

x

R

R

σ

σ

ψ

ψ

τ

σ

σ

.  

(3.9) 

Из

 

выражения

 (3.8) 

получим

 

k

2

3

1

=

−

σ

σ

,  

 

 

 

 

(3.10) 

где

  

(

) (

)

3

1

2

1

5

,

0

σ

σ

ψ

ψ

+

−

+

=

c

c

R

R

k

. 

  (3.11) 

Заметим

, 

что

 

при

 

осесимметричном

 

распределении

 

напряжений

  

σ

1

+

σ

3

=

σ

r

+

σ

θ

 =const

.   

 

 

 

 

 

Из

 

этого

 

следует

, 

что

 

выражение

 (3.10) 

является

 

по

 

своей

 

сути

 

условием

 

прочности

 

Треска

-

Сен

-

Венана

. 

В

 

общем

 

же

 

случае

 

напряженного

 

состояния

 

пра

-

вая

 

часть

 

условия

 (3.10) 

зависит

 

от

 

значений

 

компонентов

 

напряжения

. 

Для

 

материалов

, 

одинаково

 

сопротивляющихся

 

сжатию

 

и

 

растяжению

, 

ψ

=1

. 

В

 

этом

 

случае

 

из

 

выражения

 (3.8) 

получим

 

теорию

 

прочности

 

Кулона

. 

Обозначим

 

соответственно

 

максимальное

 

касательное

 

напряжение

 

и

 

величину

, 

характеризующую

 

вид

 

напряженного

 

состояния

, 

как

 

2

3

1

σ

σ

τ

−

=

 

и

 

2

3

1

σ

σ

σ

+

=

. 

То

-

гда

 

выражение

 (3.8) 

с

 

учетом

 

принятых

 

обозначений

 

примет

 

вид

 

(

)

0

1

2

4

2

2

=

−

−

−

ψ

ψ

σ

τ

c

c

R

R

. 

   (3.12) 

Зависимость

 (3.12) 

в

 

системе

 

координат

  «

σ

τ

−

» 

представляет

 

уравнение

 

параболы

, 

которая

 

является

 

выпуклой

 

и

 

непрерывной

 

кривой

. 

В

 

системе

 

же

 

координат

  «

3

1

σ

σ

−

» 

уравнение

 (3.8) 

имеет

 

вид

 

параболы

, 

равнонаклоненной

 

к

 

осям

 

и

 

открытой

 

со

 

стороны

 

сжимающих

 

напряжений

, 

что

 

соответствует

 

требованию

 

симметричности

 

условия

 

возникновения

 

предельно

-

го

 

напряженного

 

состояния

 (

рис

. 3.1). 

background image

Р

АЗДЕЛ

 

3 

 

 52

С

 

увеличением

 

ве

-

личины

 

ψ

 

от

 0 

до

 1 

па

-

рабола

 

вытягивается

 

в

 

сторону

 

всестороннего

 

растяжения

, 

что

 

под

-

тверждается

 

опытами

 

Г

.

В

. 

Ужика

 [40]. 

И

, 

на

-

конец

, 

при

 

ψ

= 1 

парабо

-

ла

 

вырождается

 

в

 

две

 

параллельные

 

прямые

, 

соответствующие

 

теории

 «

энергии

 

формоизменения

». 

Таким

 

образом

, 

полученное

 

условие

 

прочности

 

отвечает

 

требованиям

 

постулата

 

Друккера

 [74] 

и

 

соответствует

 

современным

 

представлениям

 

о

 

природе

 

разрушения

 

твердых

 

тел

 [73, 65]. 

Если

 

в

 

изложенных

 

выше

 

рассуждениях

 

не

 

прибегать

 

к

 

гипотезе

 

Мора

 

о

 

независимости

 

прочности

 

материала

 

от

 

среднего

 

по

 

величине

 

касательного

 

на

-

пряжения

 

2

σ

, 

то

 

на

 

основе

 

зависимости

 (3.1) 

при

 

а

 = 0 

может

 

быть

 

получена

 

теория

 

прочности

 

П

.

П

. 

Баландина

 [74], 

аналитический

 

критерий

 

которой

 

для

 

предельного

 

состояния

 

имеет

 

вид

: 

[

]

.

2

)

(

)

(

)

(

4

)

(

)

1

(

2

)

)(

1

(

2

1

3

2

3

2

2

2

1

2

3

2

1

2

3

2

1

ψ

σ

σ

σ

σ

σ

σ

ψ

σ

σ

σ

ψ

ψ

σ

σ

σ

ψ

−

+

−

+

−

+

+

+

−

+

+

+

+

−

=

c

R

 (3.13) 

Выражение

 (3.8) 

можно

 

привести

 

к

 

такому

 

же

 

виду

 

ψ

σ

σ

ψ

σ

σ

ψ

σ

σ

ψ

2

)

(

4

)

(

)

1

(

)

)(

1

(

2

3

1

2

3

1

2

3

1

−

+

+

−

+

+

−

=

c

R

.  

(3.14) 

Из

 (3.13) 

при

 

0

2

=

σ

 

получим

 

критерий

 

прочности

 

для

 

плоского

 

напряжен

-

ного

 

состояния

 

Рис

. 3.1. 

Поверхность

 

предельных

 

состояний

  

background image

К

РИТЕРИИ

 

ПРОЧНОСТИ

 

В

 

ГЕОМЕХАНИКЕ

 

 

 53

(

)

(

) (

)

(

)

[

]

2

1

3

2

3

2

1

2

3

1

2

3

1

4

1

2

1

2

1

σ

σ

σ

σ

ψ

σ

σ

ψ

ψ

σ

σ

ψ

ψ

−

+

+

+

+

−

+

+

−

=

c

R

. (3.15) 

Сравнение

 

выражений

 (3.14) 

и

 (3.15) 

показывает

, 

что

 

это

 

разные

 

критерии

, 

различие

 

между

 

которыми

 

увеличивается

 

по

 

мере

 

роста

 

пластических

 

свойств

 

материала

  (

1

→

ψ

). 

Поведение

 

же

 

хрупких

 

материалов

  (

0

→

ψ

) 

оба

 

критерия

 

описываются

 

примерно

 

одинаково

 

и

 

достаточно

 

хорошо

 [73]. 

В

 

аналитических

 

же

 

исследованиях

 

упругопластического

 

состояния

 

более

 

удобным

 

является

 

вы

-

ражение

 (3.8), 

которое

 

симметрично

 

относительно

 

входящих

 

в

 

него

 

компонен

-

тов

 

напряжений

 

1

σ

 

и

 

3

σ

. 

Величина

 

ψ

 

для

 

большинства

 

горных

 

пород

 

редко

 

превышает

 0,1-0,2. 

Как

 

показывает

 

анализ

 

зависимости

 (3.8), 

даже

 

при

 

столь

 

высоком

 

значении

 

ψ

 

ее

 

можно

 

принять

 

равной

 

нулю

, 

обеспечивая

 

при

 

этом

 

в

 

области

 

сжимающих

 

на

-

пряжений

 

достаточную

 

точность

. 

Это

 

обстоятельство

 

отражено

 

на

 

рис

. 3.2, 

где

 

в

 

системе

 

безразмерных

 

координат

 

показаны

 

предельные

 

кривые

 

для

 

различ

-

ных

 

значений

 

ψ

. 

Уравнение

 

предельных

 

огибающих

 

получено

 

из

 (3.12) 

путем

 

деления

 

всех

 

его

 

членов

 

на

 

c

R

. 

При

 

0

=

ψ

 

из

 (3.9) 

получим

 

следующее

 

частное

 

выражение

 

прочности

 

(

)

3

1

3

1

σ

σ

σ

σ

+

=

−

c

R

.   

 

 

 

(3.16) 

Рассмотрим

 

поведение

 

кривых

 

в

 

области

 

растяжения

  (

см

. 

рис

. 3.2). 

При

 

значении

 

5

,

0

p

ψ

 

графики

 

пересекают

 

ось

 

абсцисс

 

в

 

точке

, 

находящейся

 

от

 

на

-

чала

 

координат

 

на

 

расстоянии

, 

меньшем

 

p

R

. 

Точка

 

пересечения

 

соответствует

 

двухосному

 

равнокомпонентному

 

растяжению

 (

3

1

σ

σ

=

). 

Следовательно

, 

проч

-

ность

 

горных

 

пород

, 

которые

 

по

 

структурным

 

особенностям

 

приближаются

 

к

 

хрупким

, 

при

 

двухосном

 

равнокомпонентном

 

растяжении

 

определяется

 

значе

-

нием

 

одного

 

из

 

компонентов

 

напряжения

, 

меньшим

 

величины

 

прочности

 

на

 

одноосное

 

растяжение

. 

Таким

 

образом

, 

двухосному

 

чистому

 

растяжению

 

такие

 

материалы

 

сопротивляются

 

хуже

, 

чем

 

одноосному

 

растяжению

. 

Эта

 

особен

-

ность

 

для

 

хрупких

 

горных

 

пород

 

нашла

 

отражение

 

в

 

работе

 [125].  

background image

Р

АЗДЕЛ

 

3 

 

 54

При

 

значении

 

5

,

0

f

ψ

 

предельные

 

кривые

 

пересе

-

кают

 

ось

 

абсцисс

 

в

 

точке

, 

на

-

ходящейся

 

на

 

расстоянии

 

от

 

начала

 

координат

, 

большем

 

величины

 

p

R

, 

т

.

о

., 

с

 

увеличе

-

нием

 

пластических

 

свойств

 

сопротивление

 

материала

 

двухосному

 

чистому

 

растя

-

жению

 

становится

 

больше

 

сопротивления

 

одноосному

 

растяжению

. 

Это

 

обстоятельство

 

было

 

подтверждено

 

известными

 

опытами

 

Г

.

В

. 

Ужика

 

с

 

пластичными

 

металлами

 [40]. 

Подобное

 

же

 

поведение

 

кривых

 

в

 

области

 

растягивающих

 

усилий

 

применительно

 

к

 

горным

 

породам

 

предполо

-

жил

 

и

 

обосновал

 

М

.

М

. 

Протодьяконов

 [126]. 

В

 

частности

, 

с

 

точки

 

зрения

 

со

-

противляемости

 

внешним

 

усилиям

 

влажные

 

глины

 

ведут

 

себя

 

как

 

пластичные

 

металлы

: 

на

 

диаграмме

 

деформирования

 

выражена

 

площадка

 

текучести

, 

при

 

небольшом

 

значении

 

предела

 

прочности

 

на

 

одноосное

 

сжатие

 

глины

 

имеют

 

практически

 

линейную

 

зависимость

 «

ε

σ

−

» (

см

. 

рис

. 2.6). 

Анализ

 

выражения

 (3.12) 

показывает

, 

что

 

при

 

0

=

σ

 

из

 

него

 

вытекает

 

про

-

стое

 

состояние

, 

связывающее

 

основные

 

прочностные

 

характеристики

: 

пределы

 

прочности

 

на

 

одноосное

 

сжатие

 

c

R

, 

растяжение

 

p

R

 

и

 

сдвиг

 

τ

R

: 

p

c

R

R

R

5

,

0

=

τ

.   

 

 

 

(3.17) 

Таким

 

образом

, 

по

 

двум

 

известным

 

предельным

 

характеристикам

 

всегда

 

можно

 

определить

 

третью

. 

Это

 

обстоятельство

 

может

 

быть

 

полезным

 

при

 

установле

-

нии

 

величины

 

p

R

, 

определение

 

которой

 

в

 

экспериментальных

 

условиях

 

сопря

-

жено

 

со

 

значительными

 

трудностями

. 

Рис

. 3.2. 

Огибающие

 

предельных

 

напряжен

-

ных

 

состояний

 

для

 

горных

 

пород

 

разной

 

сте

-

пени

 

хрупкости

  

Источник: https://files.student-it.ru/previewfile/15175