Failure criteria for structurally heterogeneous materials

Abstract

Purpose. To analyze the current research regarding rock failure criteria and justify the analytical failure criterion for structurally heterogeneous materials in three dimensional stress-strain state. Methods. The study is based on an integrated approach with the use of analysis and synthesis of literature on the issues related to failure of the rock with heterogeneous structure, and application of analytical and empirical failure criteria to assess the strength of rocks. Findings. The analytical failure criterion is compared with the results of testing rocks in three dimensional stress-strain state. It is proposed to assess the degree of danger of the rock media failure for any point of homogeneous rock mass in the vicinity of mine working through the safety factor , by comparing the value of equivalent stress with tensile strength in uniaxial compression . Application of structural attenuation coefficient allows to pass from assessment of the rock sample strength to the evaluation of strength of the real structurally inhomogeneous rock mass. Originality. Failure criterion for structurally heterogeneous bodies with defects in the form of joint system which allows to adequately assess stability of the rock mass is proposed. Practical implications. Comparison of the analytical criterion with the results of laboratory testing of structurally heterogeneous materials in three dimensional stress state allows to predict rock failure in the massif with the accuracy of 94%.

Цель. Анализ существующих исследований по критериям разрушения горных пород и обоснование аналитического критерия разрушения для структурно неоднородных материалов в объемном напряженно деформированном состоянии. Методика. Исследования базируются на комплексном подходе с использованием анализа и обобщения литературных источников по тематике разрушения горных пород с неоднородной структурой, применении аналитических и эмпирических критериев разрушения для оценки прочности горных пород. Результаты. Выполнено сравнение аналитического критерия разрушения с результатами испытаний горных пород в объемном напряженном состоянии. Предложено оценивать степень опасности разрушения породной среды для любой точки однородного породного массива в окрестности выработки посредством коэффициента запаса прочности , сравнивая величину эквивалентного напряжения с пределом прочности на одноосное сжатие . Применение коэффициента структурного ослабления позволяет перейти от оценки прочности породного образца к оценке прочности реального структурно неоднородного породного массива. Научная новизна. Предложен критерий разрушения для структурно неоднородных тел с дефектами в виде систем трещин, позволяющий адекватно оценивать устойчивость массива горных пород. Практическая значимость. Сравнение аналитического критерия с результатами лабораторного тестирования структурно неоднородных материалов в объемном напряженном состоянии позволяет с точностью 94% прогнозировать разрушение горных пород в массиве.

Мета. Аналіз існуючих досліджень щодо критеріїв руйнування гірських порід та обгрунтування аналітичного критерію руйнування для структурно неоднорідних матеріалів в об’ємному напружено деформованому стані. Методика. Дослідження базуються на комплексному підході з використанням аналізу та узагальнення літературних джерел з тематики руйнування гірських порід з неоднорідною структурою, застосуванні аналітичних і емпіричних критеріїв руйнування для оцінки міцності гірських порід. Результати. Виконано порівняння аналітичного критерію руйнування з результатами випробувань гірських порід в об’ємному напруженому стані. Запропоновано оцінювати ступінь небезпеки руйнування породного середовища для будь-якої точки однорідного породного масиву навколо виробки за допомогою коефіцієнта запасу міцності , порівнюючи величину еквівалентного напруження з межею міцності на одновісне стискання . Застосування коефіцієнта структурного ослаблення дозволяє перейти від оцінки міцності породного зразка до оцінки міцності реального структурно неоднорідного породного масиву. Наукова новизна. Запропоновано критерій руйнування для структурно неоднорідних тіл з дефектами у вигляді систем тріщин, що дозволяє адекватно оцінювати стійкість масиву гірських порід. Практична значимість. Порівняння аналітичного критерію з результатами лабораторного тестування структурно неоднорідних матеріалів в об’ємному напруженому стані дозволяє з точністю 94% прогнозувати руйнування гірських порід в масиві.