2.3. Определение предела прочности горных пород на растяжение.

Для испытаний прочности горных пород на растяжение наибольшее распространение получил метод, основанный на положениях теории упругости.

Сущность метода заключается в определении разрушающих напряжений при сжатии цилиндрических образцов равномерно распределенной нагрузкой F, приложенной к диаметрально противоположным образующим (рис. 2.1).

В результате нагружения в диаметральной плоскости образца возникают растягивающие (раскалывающие) напряжения (_р), действующие перпендикулярно к этой плоскости.

Эти напряжения постоянны по величине и равномерно распределены по диаметру образца.

Их величина определяется выражением: _р = 2F/( ·d ·l ), где F - нагрузка на образец, Н; d - диаметр образца, м; l - длина образца, м.

Для испытаний рекомендуется использовать образцы диаметром 4050мм, высотой 0,91,1 диаметра. Боковая поверхность образцов должна быть гладкой.

Оборудование и материалы: пресс с силоизмерительным устройством, штангенциркуль, образцы испытуемой породы.

Порядок проведения испытаний. Подготавливают к работе пресс, установив стрелку силоизмерительного устройства в нулевое положение. Измеряют диаметр и длину образца в нескольких точках. Образец укладывают боковой поверхностью в центре опорной плиты пресса и нагружают. Скорость нагружения (0,1–5 МПа в секунду) выбирают в зависимости от прочности породы так же, как и при испытаниях на сжатие. После раздавливания образца пресс выключают и по шкале силоизмерителя определяют разрушающее усилие, эксперимент повторяют для каждого из образцов.

Рис. 2.1. Схема нагружения (а) и характер распределения напряжений внутри образца (б)

Обработка полученных результатов. Предел прочности породы на растяжение определятся по формуле: _р = 0,64 F_max./(d · l), где, F_max - разрушающее усилие, Н; d - диаметр образца, м; l - длина образующей образца, м.

Порядок оформления работы. Приводится схема нагружения образцов и краткое описание методики испытаний. Измерения и расчеты представляются в виде таблицы (форма 8).

Форма 8

Номер образца	Наименование породы	Диаметр образца, d, м	Длина образца, l, м	Разрушающая нагрузка, Fmax, Н	Предел прочности, р, Па

Результаты испытаний анализируют и обрабатывают с целью определения среднего арифметического значения, доверительного интервала и коэффициента вариации.

2.4. Определение угла внутреннего трения и прочности породы на сдвиг при наличии сжимающей нагрузки

Для определения временного сопротивления пород сдвигу наиболее подходящим является метод, в основу которого положен сдвиг с одновременным приложением различной по значению сжимающей нагрузки. При этом производятся испытания пород на сдвиг со сжатием в наклонных матрицах (рис. 2.2).

Передаваемая от пресса к образцу вертикальная сила (Р) раскладывается на две составляющие: нормальную (N) к плоскости сдвига образца и сдвигающую (Т), расположенную в той же плоскости. Напряжения, возникающие в плоскости сдвига под влиянием этих двух сил, определяются выражениями:

где S - площадь сдвига, м²;  и  - нормальные и касательные напряжения в плоскости сдвига, Па;  - угол наклона плоскости сдвига к направлению внешней силы, град; Р - сжимающая сила, Н.

Рис. 2.2. Схема приспособления для испытания пород на сдвиг со сжатием.

1- образец; 2 - матрицы; 3- подшипник.

Используя значения нормальных и касательных напряжений в момент сдвига, в системе координат    можно построить зависимость  = f () (рис. 2.3.), которая рассматривается как огибающая к предельным кругам напряжений Мора или паспорт прочности. Величина _о, называемая "сцеплением" или прочностью породы на сдвиг, может быть получена при продолжении графика зависимости до пересечения с осью ординат.

Оборудование и материалы. Образцы горных пород имеют цилиндрическую форму, диаметр образцов d = 40  45мм, длина (l) образца равна диаметру; штангенциркуль для измерения размеров образцов. Испытания на срез проводятся на прессе с использованием матриц с углом наклона 30⁰, 50⁰ и 60⁰.

Порядок проведения эксперимента. Испытуемый образец породы укладывают в нижнюю матрицу и закрывают сверху верхней матрицей. При наличии зазоров между образцом породы и матрицами в них закладывают тонкие пластинки из медной фольги. Сверху матриц размещают плоский роликовый подшипник (3). Всё приспособление с образцом устанавливают в центре между плитами пресса.

Скорость нагружения должна быть в пределах от 0,5 до 1MПа/c. В расчет должно приниматься максимальное значение сжимающей силы P. По приведенным выше формулам определяют напряжения, возникающие в плоскости сдвига. Для каждого угла наклона матриц производят по 3-5 опытов, вычисляют коэффициент вариации K_вар, (%). По полученным средним значениям строят кривую прочности породы при сдвиге в функции нормального напряжения. Для этого нормальные напряжения ( ) откладывают по оси абсцисс, а соответствующие напряжения сдвига ( ) - по оси ординат.

По полученным точкам проводят сглаживающую кривую, которую продолжают до пересечения с осью ординат.

Рис 2.3. Диаграмма

  

По предельной кривой определяют предел прочности горной породы на сдвиг _о и угол внутреннего трения .

Данные измерений и вычислений заносят в таблицу (форма 9).