KŐZETEK KÉPLÉKENY- ÉS TÖNKREMENETELI HATÁRÁLLAPOTAINAK KRITÉRIUMAI

Átírás

1 A Miskolci Egyetem Közleményei, A sorozat, Bányászat, 76. kötet (009), p.9-8. KŐZETEK KÉPLÉKENY- ÉS TÖNKREMENETELI HATÁRÁLLAPOTAINAK KRITÉRIUMAI Dr. Somosvári Zsolt egyetemi tanár Miskolci Egyetem, Bányászati és Geotechnikai Intézet bgtszs@uni-miskolc.hu A tanulmány a kőzetek képlékeny- és tönkremeneteli határállapotai leírási módjainak bemutatása után csoportosítja a kritériumokat, Mohr-féle és általános kritériumokra. Mohr-féle kritérium alapján álló határgörbéket mutatunk be, mint pl. a Richter-parabolát és Richter-hiperbolát, majd egy általánosabb hiperbolát. Számos kritériummal ill. határgörbével foglalkozunk és ezeket mérési eredményekhez hasonlítjuk. Kimutatjuk, hogy a polyaxiális mérési eredményeket a különböző kritériumok milyen szorossággal képesek közelíteni. Bemutatjuk a kritériumok célszerű alkalmazási területeit. Az alábbi jelöléseket alkalmazzuk: σ, τ - normál és csúsztató feszültség σ, σ, σ legnagyobb, középső, legkisebb főfeszültség σ c egytengelyű nyomószilárdság σ cb biaxiális nyomószilárdság σ t húzószilárdság B = σ c /σ t Brinke-féle szám φ - belső súrlódási szög c kohézió G csúsztató rugalmassági modulus υ Poisson-tényező p w lyuknyomás. Kőzetek képlékeny- és tönkremeneteli határállapotainak leírása Kőzetek képlékeny- és tönkremeneteli határállapotait határgörbékkel írják le a τ-σ, vagy a σ -σ, ill. σ -σ síkokon, határfelületekkel a σ -σ -σ térben. 9

2 Somosvári Zsolt A képlékenységet és kőzettönkremenetelt elsősorban a legnagyobb és legkisebb főfeszültség különbsége (σ -σ ) határozza meg, de nem elhanyagolható befolyásoló tényező kőzeteknél a középső (σ ) főfeszültség, mint azt biaxiális- és polyaxiális terhelési kísérletek eredményei mutatják. Ezért a határállapotokat sokszor a feszültségtenzor, ill. a deviátor tenzor invariánsaival fejezik ki. Ezek az invariánsok függetlenek a koordinátarendszer állásától, ezért alkalmasak a jelenség (tönkremenetel) leírására. A feszültség-tenzor első invariánsa: I = σ + σ + σ A deviátor-tenzor második invariánsa: J = σ σ + σ σ + σ σ [( ) ( ) ( ) ] 6 Az un. oktaéderes feszültségek (σ okt, τ okt ) arányosak a fenti invariánsokkal, ezért sokszor ezekkel írják le a határállapotokat. Az oktaéderes feszültségek egy szabályos oktaéder lapjain ébrednek. Az oktaéder csúcsai az,, főfeszültségek irányába mutató tengelyeken vannak rajta (.. ábra). Mindegyik oktaéder síkon ugyanaz a feszültségállapot... ábra 9 Az oktaéderes normálfeszültség: σ + σ + σ σ oct = I = Az oktaéderes csúsztató feszültség: τ oct = J = σ σ + σ σ ( ) ( ) + ( σ σ )

3 A kőzetmechanika-geomechanika oktatása és kutatása a Bányászati és Geotechnikai Intézeti Tanszéken A határállapotokat, kőzettönkremeneteli kritériumokat általában I, J σ τ invariánsokkal, vagy oct, oct oktaéderes feszültségekkel fejezik ki. A határállapotokat, tönkremeneteli kritériumokat a σ σ σ térben is szokás ábrázolni. Ilyen ábrázolásnál a σ = σ = σ egyenes a térbeli felület tengelye. Erre a tengelyre merőleges síkot π-síknak nevezzük. Ebben a síkban megjelenik a tönkremeneteli felület meridián görbéje. A nevezetes feszültségállapotok: kompressziós (hagyományos) triaxiális feszültségállapot ( σ, σ = σ ) extenziós tiraxiális feszültságállapot ( σ =σ, σ ) biaxiális feszültségállapot ( σ, σ, σ = 0) polyaxiális feszültségállapot ( σ, σ, σ ) a σ σ σ térben egy-egy síkot jelentenek, amely síkok metszik a térbeli tönkremeneteli felületet. Ezeknek a síkmetszeteknek a görbéi jelennek meg a σ σ = σ σ = σ σ σ σ, σ = 0 σ σ, σ síkokon történő ábrázolásban. A Murrel kritérium szerint a σ, σ, σ térben a tönkremenetelt egy olyan paraboloid (.. ábra) ábrázolja, amelynek tengelye σ = σ = σ egyenes és amely paraboloidot σ = σ t, σ = σ t, σ = σ t egymásra merőleges síkok által képzett gúla határolja. A gúla σ = σ = σ t élei érintik a paraboloidot. A paraboloid egyenlete, azaz a Murrel-féle tönkremeneteli feltétel: τ oct = σ cσ oct ( σ σ ) + ( σ σ ) + ( σ σ ) 4σ t ( σ + σ + σ ) = 0 ahol: σ c - egytengelyű nyomószilárdság σ t húzószilárdság. A feltételnél σ c =σ t. 9

4 Somosvári Zsolt Murrel 94.. ábra Érdemes ezt a tönkremeneteli feltételt nevezetes feszültségállapotokban σ tanulmányozni. Hagyományos triaxiális vizsgálatoknál = σ helyettesítéssel a tönkremeneteli feltétel ( σ σ ) σ t ( σ + σ ) = 0 parabola, amely érintőjének iránytangense σ =0-nál dσ /dσ =4, σ =σ c =σ t. Extenziós triaxiális vizsgálatoknál σ =σ helyettesítésével a tönkremeneteli feltétel: ( σ σ ) σ t ( σ + σ ) = 0 parabola, amely érintőjének iránytangense σ =0-nál dσ /dσ =,5; σ =4 σ t =σ c =σ cb. Biaxiális feszültségállapotban σ =0 helyettesítéssel a tönkremeneteli feltétel: ( σ σσ + σ ) σ t ( σ + σ ) = 0 ellipszis, amely érintőjének iránytangense σ =0-nál dσ /dσ =. Az ellipszis a σ =σ egyenest a σ =σ =4σ t =σ c =σ cb pontban metszi. Amikor σ =0, σ =σ c =σ t Végül ha σ =0,5(σ +σ ), akkor a tönkremeneteli feltétel ( σ σ ) 4σ t ( σ + σ ) = 0 parabola, amely σ =0-nál, azaz biaxiális feszültségállapotban σ =4σ t =σ c értéket ad, amely érték megegyezik a biaxiális nyomószilárdsággel (σ cb ). A kritériumnál σ c /σ t =, σ cb /σ c =. Ez a kötöttség az egyetlen hátránya a kritériumnak. Ezeket a feltételeket kielégítő kőzeteknél igen jól írja le mind a

5 A kőzetmechanika-geomechanika oktatása és kutatása a Bányászati és Geotechnikai Intézeti Tanszéken kompressziós- és extenziós triaxiális kísérletek, mind a biaxiális- és polyaxiális kísérletek eredményeit. A Murrel tönkremeneteli kritériumnak megfelelő határgörbéket az.. ábrán látjuk. Huber-Mises szerint a második deviátor invariánssal a képlékenységi feltétel kifejezhető az alábbi alakban: Ψ = J τ F = 0 ahol: τ F a tiszta nyírásnál jelentkező folyási határ. A feszültségi főirányokba eső koordinátarendszerben Ψ = 6 [( σ σ ) + ( σ σ ) + ( σ σ ) ] τ 0. F =.. ábra Huber-Mises szerint tehát egy általános feszültségi állapotban levő pontban akkor következik be a képlékeny állapot, ha a feszültségtenzor deviátortenzorának második invariánsa egy határértéket elér. Hencky kimutatta, hogy egy általános feszültségi állapotban levő pontban a torzításra fordított munka fajlagos értéke J G értékkel egyenlő, ahol G - csúsztató rugalmassági modulus. Ezért a fenti képlékenységi feltétel úgy is értelmezhető, hogy akkor áll elő a képlékeny állapot, ha a testben felhalmozott fajlagos torzítási munka elér egy határértéket. A szóban 95

6 Somosvári Zsolt forgó képlékenységi feltételt ezért Huber-Mises-Hencky (HMH) képlékenységi feltételnek is nevezik. E képlékenységi feltételt alapvetően a σ -σ különbség határozza meg, a középső főfeszültségnek (σ ) alig van szerepe. A HMH képlékenységi feltételt a σ- τ síkon egy sáv determinálja, amelynek szélessége 0, τ F (.4. ábra). Az anyag akkor kerül képlékeny állapotba, ha a feszültségállapotot jellemző mértékadó Mohr-kör (σ -σ ) érinti az említett sávba eső σ tengellyel párhuzamos egyenest. Az egyenes helyzetét σ határozza meg..4. ábra Minden olyan határállapot kritériumnál, amely figyelembe veszi σ befolyását a σ-τ síkon egy sávban elhelyezkedő görbe (egyenes) jelenti a képlékenységi- vagy tönkremeneteli határgörbét (határegyenest). A HMH képlékenységi feltétel olyan anyagoknál (pl. acéloknál) jön számításba, amelyeknél egytengelyű nyomásnál és húzásnál a folyási határ ugyanaz. Kőzeteknél azért nem lehet alkalmazni a HMH feltételt, mert kőzeteknél J constans, hanem a nyomófeszültségek növekedésével növekvő értékű. A HMH feltétel módosításával, továbbfejlesztésével aztán több, kőzetekre alkalmazható kritérium született. Ma kőzetmechanikában számos tönkremeneteli kritériumról, határgörbéről beszélhetünk, ezért célszerű őket csoportosítani. Alapvetően két csoportot különböztethetünk meg: Mohr-típusú kritériumnak, ill. határgörbék f(σ, σ ) Középső főfeszültséget is figyelembe vevő, általános kritériumok ill. határgörbék, f(σ, σ, σ ). 96

7 A kőzetmechanika-geomechanika oktatása és kutatása a Bányászati és Geotechnikai Intézeti Tanszéken. Mohr-féle kritériumok és határgörbék Mohr (85-98) törési elmélete szerint a határállapot akkor következik be, amikor adott pontban egy felületen az ott ébredő feszültségek (σ, τ) hatására az anyagrészecskék elcsúsznak. A törést előidéző állapotot a σ-τ-síkon egy Mohr-kör jellemzi, amelyet σ, σ főfeszültségek határoznak meg. A határállapotokhoz tartozó Mohr-körök burkolója a tönkremeneteli határgörbe, amely különböző anyagoknál más-más. Az elmélet szerint a középső főfeszültségnek (σ ) nincs, ill. elhanyagolható a hatása tönkremenetelre. Az elhanyagolás a biztonság javára történik, ezért olyan széleskörű a méréseknek egyébként jól megfelelő elmélet alkalmazása... Mohr-Coulomb (MC) határegyenes A σ-τ síkon: a σ -σ síkon: τ = c + σtgφ, σ = σ c + Bφσ [ μ + + μ] μ tgφ φ + sinφ B φ = tg 45 + = = = sinφ φ σ c = c tg 45 + = c Bφ = ccosφ /( sinφ ) A kritérium vegyes kifejezése: σ σ = c cosφ + ( σ + σ ) sinφ σ σ σ + σ = ccosφ + sinφ ahol: c kohézió φ - belső súrlódási szög σ c egytengelyű nyomószilárdság A Mohr-Coulomb kritériumnál a τ-σ, a σ -σ, a (σ -σ )/-(σ +σ )/ síkokon a kapcsolatok lineárisak. A középső főfeszültség (σ ) nem szerepel a kritériumban. Kompressziós (konvencionális) triaxiális vizsgálatoknál amikoris σ, σ =σ az egyenletek paraméterei c, φ, σ c meghatározhatók. Az egyenletek a nyomóigénybevételek tartományában érvényesek. max jelölésekkel a kritérium: ( σ σ ), σ = ( σ σ )/ τ = + / m, 97

8 Somosvári Zsolt τ max = ccosφ + σ m, sinφ Az oktaéderes csúsztató feszültség kompressziós triaxiális (σ, σ =σ ) feszültségállapotban τ oct = ( σ σ ) = τ max így a kritérium σ =σ esetében: τ oct = ccosφ + σ m, sinφ σ B c φ τ oct = + σ m, Bφ + Bφ + A... ábrán a σ -σ síkon látjuk a polyaxiális mérési eredményeket és a határgörbéket dolomit, mészkő, homokkő, agyagpala, amfibolit kőzeteknél. A polyaxiális mérési eredmények tendenciáit általában nem tudja követni a függvény, de egyes esetekben pl. agyagpalánál egész jó a közelítés. 98

9 A kőzetmechanika-geomechanika oktatása és kutatása a Bányászati és Geotechnikai Intézeti Tanszéken... ábra 99

10 Somosvári Zsolt.. Másodfokú határgörbék A Mohr-Coulomb féle lineáris közelítés csak a nyomóigénybevételek tartományában érvényes. Ezért olyan feladatoknál, ahol húzófeszültségek is előfordulnak az MC-kritérium nem alkalmazható. Ilyen feladatok pedig a kőzetmechanikában, geomechanikában szép számmal előfordulnak. Ezért be kellett vezetni olyan határgörbéket, amelyek a húzóigénybevételek tartományában kezelhetővé teszik a szilárdságot. A Griffith-féle tönkremeneteli elmélet ilyen, amelyből következően a σ-τ síkon a határgörbe parabola τ = 4σ t ( σ t + σ ) A Griffith-féle parabola azonban csak abban az esetben érvényes, ha Brinkeféle szám σ B = c = 8 σ Kőzetek Brinke-száma pedig 5-5, tág határok között változik, de gyakran 8- körüli érték. Általánosabb parabolikus tönkremeneteli határgörbe a Richter-féle (96): τ = σ t ( B + ) ( σ t + σ ) = σ tb' ( σ t + σ ) amely B=8 esetén a Griffith parabolát adja. A határgörbét a... ábrán látjuk. t... ábra 970-ban született a Richter-féle hiperbolikus tönkremeneteli határgörbe: B B B + τ = σ + σ t σ + σ t

11 A kőzetmechanika-geomechanika oktatása és kutatása a Bányászati és Geotechnikai Intézeti Tanszéken A határgörbét a... ábrán látjuk.... ábra Ezek a határgörbék két paraméteresek, legegyszerűbben a húzószilárdság (σ t ) és az egytengelyű nyomószilárdság (σ c =Bσ t ) alapján írhatók le a σ-τ síkon. 986-ban a tanszéken Richter-hiperbolát továbbfejlesztettük. Az egyenlet: τ = tg ϕ σ + σ (tg ϕ + k) σ + σ (tg ϕ + k) t t ahol: ϕ - a hiperbola aszimptótájának irányszöge, k a τ=0 hely simulókörének sugarát (ρ) befolyásoló állandó ρ=kσ t A határgörbét a... ábrán látjuk. 0

12 Somosvári Zsolt... ábra Az általánosított hiperbolikus határgörbénél ( B + ) 0,5 k Ha k az alsó érték, akkor lineárissá válik a határgörbe, ha k a felső érték, akkor pedig parabolikussá válik a határgörbe. B= esetében a..4. ábrán látjuk különböző k-értékeknél a hiperbolikus tönkremeneteli határgörbéket, ill. a szélső eseteket (parabola, egyenes). Az általánosított hiperbolikus határgörbe háromparaméteres, célszerűen a húzószilárdság (σ t ) egytengelyű nyomószilárdság (σ c ) és egy nagyobb köpenynyomás (pl. σ =σ =0 MPa) mellett megmért kompressziós triaxiális nyomószilárdság (σ ) határozza meg a határgörbét, azaz egy széles terhelési tartomány mérési eredményei. Ez a határgörbe minden igényt kielégít. A húzóigénybevételek tartományában jól közelíti a Griffith-féle tönkremeneteli elméletnek megfelelő viselkedést, eleget tesz a triaxiális húzókísérletek eredményeinek, a nagy nyomóigénybevételek tartományában pedig jól közelíti a nyírásos törést. 0

13 A kőzetmechanika-geomechanika oktatása és kutatása a Bányászati és Geotechnikai Intézeti Tanszéken.. Hoek-Brown (HB) határgörbe..4. ábra Mohr típusú határgörbe annyiban különbözik a Mohr-Coulomb kritériumtól, hogy a σ -σ síkon nem egyenes, hanem σ =σ tengelyű másodfokú parabola írja le a határgörbét σ σ = σ + σ c m + s σ c alakban, ahol m, s konstansok. Laboratóriumi vizsgálatoknál s=, m=m i, így σ σ = σ + σ c m σ i + c Különböző kőzeteknél m i 5-. A... ábrán a σ -σ síkon látjuk a polyaxiális mérési eredményeket és a határgörbéket dolomit, mészkő, homokkő, agyagpala, amfibolit kőzeteknél. A határgörbék általában nem tudják követni a mérési eredmények tendenciáit, palánál azonban jó a közelítés. A kritérium alkalmas a repedezett kőzettest ("in situ" állapot) szilárdságának leírására is. Ilyenkor = m f GSI ), s = f ( GSI ); f <, f m i ( < ahol: GSI - az un. geológiai szilárdsági index. 0

14 Somosvári Zsolt A σ -σ -σ térben a HB, valamint továbbfejlesztett változatát a HBMN kritériumot a... ábrán látjuk ábra

15 A kőzetmechanika-geomechanika oktatása és kutatása a Bányászati és Geotechnikai Intézeti Tanszéken... ábra. Általános kritériumok és határgörbék.. Mogi (M) kritériumok (967, 97) 97-ben Mogi az MC-kritérium általánosításaként σ + σ τ oct = f = f ( σ m, ) alakban írta le tönkremeneteli kritériumát. Ennek lineáris alakja: τ = a + bσ oct Ezt akár lineáris Mogi-Mohr-Coulomb kritériumnak is nevezhetjük, ahol σ B c φ a = ccosφ =, b = sinφ = B + B + φ Konvenciális triaxiális feszültségállapotban (σ, σ =σ ) tehát a lineáris Mogi kritérium megegyezik a Mohr-Coulomb kritériummal. Ilyen mérési eredményeket látunk a... ábrán. Az ábra τ oct -σ m, síkon mutatja a konvenciális triaxiális 05 m, φ

16 Somosvári Zsolt vizsgálatok eredményeit különböző kőzeteknél: dolomitnál, mészkőnél, trahytnál, homokkőnél, amfibolitnál, márgánál, gránitnál. Az ábra mutatja tönkremeneteli határegyenest és annak paramétereit (a, b) és a korrelációs együtthatót (r ). A lineáris Mogi kritérium polyaxiális kísérletek (σ, σ, σ ) kiértékelésére is alkalmas. Ezt látjuk a... ábrán. Az ábra τ oct -σ m, síkon mutatja a poliaxiális mérések eredményeit különböző kőzeteknél: dolomitnál, mészkőnél, trachytnál, homokkőnél, ambifolitnál, márgánál, agyagpalánál, gránitnál. Az ábrán a teli pontok a triaxiális mérési eredményeket, az üres pontok a polyaxiális mérési eredményeket jelölik. Az ábra mutatja a tönkremeneteli határegyenest és annak paramétereit (a, b) valamint a korrelációs együtthatót (r ). A lineáris Mogi kritérium (97) alkalmas tehát konvenciális triaxiális kísérletek (σ, σ =σ ), extenziós triaxiális kísérletek (σ =σ, σ ), biaxiális kísérletek (σ, σ, σ =0) kiértékelésére és általános polyaxiális kísérletek kiértékelésére. Mogi 967-ben általánosabb empirikus kritériumot javasolt σ σ σ + βσ + σ = f. β < alakban. A... ábrán a σ -σ síkon látjuk polyaxiális mérési eredményekkel az általános (967) Mogi határgörbét dolomit, mészkő, homokkő, agyagpala, amfibolit kőzeteknél. Ebben az ábrázolásban általában nem adják vissza a határgörbék a mérési eredmények tendenciáját, a palánál azonban igen. A..4. ábrán a τ oct -σ m, síkon látjuk a mérési eredményeket és az 97-ben adott általános (nem lineáris) kritériumot dolomit, mészkő, homokkő, agyagpala, amfibolit kőzeteknél. A határgörbék közel lineárisak. A..5. ábrán a σ -σ síkon látjuk polyaxiális mérési eredményekkel az általános (97) Mogi határgörbét dolomit, mészkő, homokkő, agyagpala, amfibolit kőzeteknél. Az ábrán jó közelítéseket látunk. 06

17 A kőzetmechanika-geomechanika oktatása és kutatása a Bányászati és Geotechnikai Intézeti Tanszéken... ábra 07

18 Somosvári Zsolt ábra

19 A kőzetmechanika-geomechanika oktatása és kutatása a Bányászati és Geotechnikai Intézeti Tanszéken... ábra 09

20 Somosvári Zsolt..4. ábra 0

21 A kőzetmechanika-geomechanika oktatása és kutatása a Bányászati és Geotechnikai Intézeti Tanszéken..5. ábra

22 Somosvári Zsolt.. Drucker-Prager (DP) kritérium Elsősorban a talajmechanikában (laza kőzeteknél) alkalmazható kritérium, amely a Mises (HMH) kritériumtól származik: J = k + αi ahol: I a feszültség tenzor első invariánsa J a deviátor tenzor második invariánsa τ oct csúsztató oktaéderes feszültség k, α - anyagjellemzők A k-paraméter a kohéziót, az α-paraméter a belső súrlódási szöget reprezentálja a kritériumban, ha Mohr-Coulomb kritériumhoz hasonlítjuk. α=0-nál a HMH kritériumot kapjuk vissza. A... ábrán a σ -σ síkon látjuk a polyaxiális mérési eredményeket és a határgörbét dolomit, mészkő, homokkő, agyagpala, amfibolit kőzeteknél. A határgörbék egyes esetekben alig követik a mérési eredmények tendenciáját, más esetekben egyáltalán nem követik a mérési eredmények tendenciáját. 980-ban részletesen vizsgáltuk a Drucker-Prager kritériumot, ennek kapcsán a σ középső főfeszültség hatását a tönkremenetelre. A tönkremeneteli feltétel kifejtve: α ( σ + σ + σ ) + [( σ σ ) + ( σ σ ) + ( σ σ ) ] k = σ =σ esetében σ α + σ + α = k. Ha σ =0, azaz σ =σ c, akkor k = α + σ c. Ezzel a Drucker-Prager egyenlet αi + J σ c α + = 0. Az egyenletet kifejtve + 6α σ σ σ c = 0 6α eredményre jutunk. Ezt összehasonlítva a Mohr-Coulomb egyenlettel azt kapjuk, hogy

23 A kőzetmechanika-geomechanika oktatása és kutatása a Bányászati és Geotechnikai Intézeti Tanszéken Ebből α = Ezzel a Drucker-Prager egyenlet: B I + ill. + 6α = B φ. 6α ( Bφ ) ( B + ) φ = ( Bφ ) ( B + ). ( ) ( B + ) J σ 0, ( B )( σ + σ + σ ) φ φ φ c = + [ ] σ = 0 ( B + ) ( σ σ ) + ( σ σ ) + ( σ σ ) + φ c σ =σ, azaz extenziós triaxiális feszültségállapotban a tönkremeneteli feltétel: ( Bφ )( σ + σ ) + ( Bφ + )( σ σ ) σ c = 0 ill. Bφ + σ = σ c + σ. 4 Bφ 4 Bφ B ( ) ha φ =, φ = 0 σ = σ c + σ = σ cb + σ Bφ =, ( φ = 9,5 ) σ =,5σ c +,5σ = σ cb +, 5σ ha B ( ) ha φ =, φ = 0 σ = σ c + 7σ = σ cb + 7σ σ =0 esetén σ =σ cb, a biaxiális nyomószilárdság σ cb = c B σ 4 φ csak B φ <4 esetén értelmezhető. B φ =, (φ=0 )-nál σ cb =σ c, ilyen nagy értéket nem igazolnak vissza a mérési eredmények. σ, σ, σ =0 biaxiális feszültség állapotban a σ -σ síkon a... ábrán látjuk a határgörbéket különböző B φ értékeknél. A mérési eredményeknek B φ, (0 φ 0 ) intervallumban felelnek meg a határgörbék. Ezért csak laza kőzetek (talajok) esetében alkalmazhatjuk sikerrel a Drucker-Prager kritériumot. A σ -σ -σ térben a... ábra mutatja a kritériumot. φ

24 Somosvári Zsolt... ábra 4

25 A kőzetmechanika-geomechanika oktatása és kutatása a Bányászati és Geotechnikai Intézeti Tanszéken... ábra Drucker-Prager... ábra 5

26 Somosvári Zsolt 6.. Módosított Wiebols-Cook (WC) kritérium Az eredeti kritérium a torzítási energia számbavételén alapszik. A módosított kritérium a Drucker-Prager kritérium kiterjesztése: CI BI A J + + = ahol: A, B, C anyagjellemzők. Az A, B, C paramétereket kompressziós triaxiális (σ, σ =σ ) és biaxiális (σ =σ, σ =0) mérési eredményekből lehet meghatározni. ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) [ ] C B A B C B B B tg C B B B C B C B C C c c c c c c c c 9 0,6 ) ( 7 σ σ σ σ σ σ φ σ σ φ σ σ σ σ φ φ φ φ φ φ φ = = + = = A... ábrán a σ -σ síkon látjuk a polyaxiális mérési eredményeket és a határgörbéket dolomit, mészkő, homokkő, agyagpala, amfibolit kőzeteknél. A határgörbék mindegyik kőzetnél igen jól követik a mérési eredményeket.

27 A kőzetmechanika-geomechanika oktatása és kutatása a Bányászati és Geotechnikai Intézeti Tanszéken... ábra 7

28 Somosvári Zsolt.4. Módosított Lade (L) kritérium Ez a kritérium abból a felismerésből született, hogy a Mohr-Coulomb kritérium σ -vel egyáltalán nem számol, a Drucker-Prager kritérium pedig túlbecsüli σ szerepét. A módosított Lade-Duncan kritérium: ' I = 7 +η ' I ' ahol: I - módosított első feszültségi invariáns ' I - módosított harmadik feszültségi invariáns ' I = σ + S + σ + S + σ + S I ' = ( ) ( ) ( ) ( σ + S )( σ + S )( σ + S ) c S = ; tgϕ ϕ > 0 σ c c = B ( tg φ )( 9 7sinφ ) 4 η = sinφ ahol: η, S kőzetszilárdsági paraméterek. A.4.. ábrán a σ -σ síkon látjuk a polyaxiális mérési eredményeket és a határgörbéket dolomit, mészkő, homokkő, agyagpala, amfibolit kőzeteknél. A határgörbék igen jól követik a mérési eredményeket. A Lade kritérium a polyaxiális kőzetszilárdságot a Mohr-Coulomb kőzetszilárdság fölé, a Drucker-Prager kőzetszilárdság alá becsüli. A kritériumot kimondottan fúrólyukak stabilitásának vizsgálatához hozták létre. φ 8

29 A kőzetmechanika-geomechanika oktatása és kutatása a Bányászati és Geotechnikai Intézeti Tanszéken.4.. ábra 9

30 Somosvári Zsolt 4. A tönkremeneteli kritériumok összehasonlítása A 4.. ábrán a σ -σ síkon látjuk különböző σ értékeknél (polyaxiális feszültségállapot) a Mohr-Coulomb, Hoek-Brown, módosított Lade, módosított Wiebols-Cook, belül írt Drucker-Prager, kívül írt Drucker-Prager határgörbéket. A legjobb közelítést a Lade (L) és Wiebols-Cook (WC) határgörbéktől várhatjuk. A 4.. ábrán σ -σ síkon látjuk a polyaxiális mérési eredményeket és a MC, HB, L, WC, M(967) M(97), DP tönkremeneteli határgörbéket dolomit, mészkő, homokkő, agyagpala, amfibolit kőzeteknél. A polyaxiális mérési eredmények tendenciáját leginkább a Lade (L) és a Wiebols-Cook (WC) kritériumok követik. A Druker-Prager (DP) közelítésnél jobb a Mohr-Coulomb (MC) és a Hoek-Brown (HB) közelítés is ábrákon a σ -σ síkon polyaxiális mérési eredményeket és MC, M(97), H, HBMN, L, WC határgörbéket látunk, amfibolit, trachyt, márga, gránit kőzeteknél. Leginkább a Lade és a Wiebols-Cook határgörbék követik a mérési eredmények tendenciáit. 0

31 A kőzetmechanika-geomechanika oktatása és kutatása a Bányászati és Geotechnikai Intézeti Tanszéken 4.. ábra

32 Somosvári Zsolt 4.. ábra

33 A kőzetmechanika-geomechanika oktatása és kutatása a Bányászati és Geotechnikai Intézeti Tanszéken 4.. ábra

34 Somosvári Zsolt 4.4. ábra 4

35 A kőzetmechanika-geomechanika oktatása és kutatása a Bányászati és Geotechnikai Intézeti Tanszéken 4.5. ábra 5

36 Somosvári Zsolt 4.6. ábra 6

37 A kőzetmechanika-geomechanika oktatása és kutatása a Bányászati és Geotechnikai Intézeti Tanszéken 5. A tönkremeneteli kritériumok alkalmazási területei Kőzet-stabilitási kérdések megoldásánál a legkedvezőtlenebb feszültségállapotot hasonlítják össze valamelyik kőzettönkremeneteli kritériummal. Ennek alapján dönthető el, hogy állékony-e a kőzetkörnyezet, vagy nem, ill. milyen az állékonyság biztonsága. Üregek (fúrólyukak) szabad, biztosítatlan felületén σ =0, σ, σ biaxiális feszültségállapot áll elő. σ =0 normálfeszültség az üregfelületre merőlegesen ébred. Az üreg kőzetköpenyében pedig σ, σ, σ polyaxiális a feszültségállapot. A szabad üregfelületen előálló feszültségállapot tönkremenetel szempontjából általában veszélyesebb mint a kőzetköpenyben előálló, ezért ezt a feszültségállapotot kell vizsgálni. A tönkremenetelt alapvetően a két szélső főfeszültség (σ, σ ) határozza meg, ezért leggyakrabban Mohr-Coulomb (MC) tönkremeneteli kritériumot, vagy Mohr-típusú tönkremeneteli kritériumot alkalmazunk. Tudjuk, hogy a σ középső főfeszültségnek is van befolyása a tönkremenetelre, növeli a szilárdságot - ezt biaxiális, polyaxiális terhelési kísérletek mutatják -, de ezt a befolyást sokszor elhanyagolhatjuk, mert a biztonság javára történik. A biztosítatlan üregfelületen a primer (üregnyitás előtti) feszültségállapottól függően a biaxiális feszültségállapot igen változatos lehet. A primer főfeszültségek: σ v vertikális totális feszültség (zρg) σ H nagyobbik horizontális totális feszültség σ h kisebbik horizontális totális feszültség A gyakorlatban primer feszültség állapotban az alábbi relációk lehetségesek:. σ v >σ H >σ h (normál vetős feszültségmező). σ H >σ v >σ h (eltolódásos vetős feszültségmező). σ H >σ h >σ v (rátolódásos vetős feszültségmező) A fúrólyuk falán (r=r) a maximális feszültségekkel jellemzett biaxiális feszültségállapot: σ r =0 σ ϕmax =σ H -σ h σ zmax =σ v +ν(σ H -σ h ) ahol: ν - Poisson-tényező. A σ v, σ H, σ h feszültség-relációknak ( db) megfelelően igen változatos lehet a lyukfal biaxiális feszültségállapota. Mindig más, σ c -nél nagyobb, sokszor jóval nagyobb nyomószilárdság érvényesül. Fúrólyukban, ha a fúrólyuk falát a lyuktalp közelében p w lyuknyomás (fúróiszap nyomás) támasztja, akkor polyaxiális feszültségállapot alakul ki a lyukfalon (r=r). Itt még bonyolultabb a primer feszültségrelációknak megfelelő 7

38 Somosvári Zsolt feszültségállapot. Az sem biztos, hogy mindig σ r = p w a legkisebb (σ ) főfeszültség, mint előbb volt. Ilyen esetben a szükséges fúrólyuk stabilitását biztosító lyuknyomás meghatározásához σ -t figyelembe vevő tönkremeneteli kritériumot kell alkalmazni annak érdekében, hogy ne biztosítsuk túl az állékonyságot. Ugyanis a túlbiztosítás, a valóban szükségesnél jóval nagyobb lyuknyomás (p w ) alkalmazása hidraulikus kőzettörést eredményezhet, amely gáztelepeknél váratlan gázkitörést okozhat. Ebben az esetben tehát az általános, σ, σ, σ főfeszültségeket figyelembe vevő tönkremeneteli kritériumoknak igen lényeges szerepük van. IRODALOM [] A. M. Al-Ajmi, R. W. Zimmerman : Relation between the Mogi and the Coulomb failure criteria. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. 4(005) [] T. Benz-R. Schwab: A quantitatíve comparison of six rock failure criteria Int. J. Rock Mech. Min. Sci. 45(008) [] T. Benz et. al: A Hoek-Brown criterion with intrinsie material strength factorization. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. 45(008) 0-. [4] L. B. Colmenares- M. D. Zoback: A statistical evaluation of intact rock failure criteria constrained by polyaxial test data for five differenct rocks Int. J. Rock Mech. Min. Sci. 9/00) [5] J. C. Jaeger-N. G. W. Cokk: Fundamentals of Rock Mechanics. Methuen 8. Co. Ltd [6] Mészáros, Z.: A hiperbolikus törési határgörbe általánosítása. OMBKE Egyetemi Osztályának Jubileumi Kiadványa, 986. p. -6. [7] Richter, R.: A törési határgörbe analitikájáról Bányászati Lapok, 95. évf.)96). 6. sz. p [8] Richter, R.: A Mohr-féle határgörbék hiperbolikus kőzelítéséről. Tatabányai Szénbányák Műsz. Gazd. Közleményei, 0. évf.(970).. sz. [9] Somosvári, Zs.: Geomechanika I. Tankönyvkiadó, Bp p. 0. [0] Somosvári, Zs.: A kőzetek képlékenységi és tönkremeneteli határállapotai II. rész. Bányászati és Kohászati Lapok BÁNYÁSZAT. évf. (990). sz. p [] Somosvári, Zs.: A kőzetek képlékenységi és tönkremeneteli határállapotai III. rész. Bányászati és Kohászati Lapok BÁNYÁSZAT. évf. (990) 4. sz. p