книги / Свойства горных пород при разных видах и режимах нагружения.

Техническая характеристика установки.

При испытании по варианту А

зочного штока и нижнего захвата — опорного пуансона. На нижнем опорном пуансоне установлены промежуточный сферический сегмент с раскалывающим клином радиусом закругления 3 мм, имеющий возможность поворачиваться только по длине испытуемого образца, две упругие пластины равного сопротивления изгибу, предназначен­ ные для центрирования образца по оси раскалывающего клина и удержания его в первоначальном положении в процессе пульсирующе­ го нагружения. Верхний нагрузочный шток в месте контакта с испы­ туемым образцом горной породы имеет также раскалывающий клин или может иметь плоское основание.

Методика исследования прочности и деформируемости горных пород при различных режимах пульсирующего нагружения в услови­ ях объемного напряженного состояния аналогична одноосным испы­ таниям. Ее отличие состоит в изменении конструкции испытательной камеры, захватов образца и наличия всестороннего давления, вслед­ ствие чего и несколько меняется последовательность проведения опыта.

Методикой предусматривается также испытание на пульсирующее сжатие в условиях объемного напряженного состояния незащемленных (свободных) образцов, диаметром 42 мм, высотой 65 -г 84 мм и на пульсирующее растяжение путем сжатия по образующей цилиндри­ ческих образцов диаметром 42—60 мм, высотой 42 мм с измерением продольных и поперечных деформаций.

Провода от тензодатчиков, наклеенных на образец, заводят в ка­ нал проходного зажима 9 (см. рис. 6.2) при снятой крышке и выну­ том зажиме. На стержень верхнего захвата 5 навинчивают тензометри­ ческий динамометр 14 и закрепляют его винтом 15. После этого на тензометрический динамометр 14 устанавливают опору 16. Затем образец горной породы 6 с жестко закрепленными на его концах захватами 4 и 5 устанавливают во внутреннюю часть корпуса 3 каме­ ры, а основание 1 соединяют с корпусом 3 камеры болтами.

В таком виде установку при помощи подъемника размещают на траверсе 26 испытательной машины с пульсатором и закрепляют на ней болтами 25.

При испытаниях закрывают вентиль 20 и насосом 22 через муль­ типликатор 21 создают заданное всестороннее боковое давление на образец горной породы 6, предварительно поджатый осевой нагруз­ кой. После этого вентиль 23 закрывают и при закрытом вентиле 18 и открытом вентиле 20 в газожидкостном аккумуляторе 19 создают требуемое давление газа, а в гидросистеме между мультипликато­ ром 21 и газожидкостным аккумулятором 19 — заданное давление жидкости; включают испытательную машину с пульсатором и, регу­ лируя ход поршня пульсатбра, устанавливают требуемую осевую пульсирующую нагрузку.

После вывода испытательной машины с пульсатором на заданный режим, вентиль 18 открывают, при этом аккумулятор 19 соединяется с полостью низкого давления камеры, заключенной между корпу­ сом 3 камеры, промежуточным цилиндром 12 и поршнем 13.

Врезультате этого давление, развиваемое в газожидкостном ак­ кумуляторе 19, воздействует на поршень 13, а через него — на дина­ мометр 14, верхний захват — шток 5 и образец горной породы 6, создавая в образце растягивающее усилие, направленное против дей­ ствующего пульсирующего усилия сжатия.

Водном из заданных режимов воздействия осевых пульсирующих нагрузок сжатия или растяжения и заданного всестороннего бокового давления происходит испытание образца горной породы.

Для предотвращения разрушения образца под действием пульси­ рующих нагрузок сжатия во время вывода испытательной машины

вустановившийся режим вентиль 18 закрывают, создавая тем самым замкнутую жидкостную полость между корпусом 3 камеры, проме­ жуточным цилиндром 12 и поршнем 13, рабочая площадь которой больше площади поперечного сечения образца, в результате чего ос­ новная часть развиваемого осевого усилия воспринимается корпу­ сом 3 камеры.

Измерение статических и динамических пульсирующих нагрузок, действующих на образец, производится с помощью манометров мини­ мального (статического) и максимального (динамического) давле­ ний. Определение характера кривой изменения этих нагрузок во времени (для контроля) производится с помощью тензометрических датчиков опорной мембраны, соединенных через усилитель ТА-5 с осциллографом Н-700. Измерение деформаций образца осуществля­ ется тем же осциллографом Н-700.

Для испытаний подготавливается не менее 24 образцов (только для одного из значений коэффициентов асимметрии) в соответствии с изложенными выше требованиями по подготовке цилиндрических образцов.

Испытательные нагрузки Fmax выбираются такими, чтобы макси­ мальные напряжения стп1ах были равными 0,9; 0,8; 0,7; 0,6; 0,5; 0,4; 0,3 от предела статической прочности при сжатии или растяжении в условиях соответствующих боковых давлений на образцы. Предел статической прочности при сжатии и растяжении определяется предва­ рительно разрушением не менее трех образцов каждого типа пород для одного из заданных боковых давлений. Минимальные напряже­ ния omin для всех значений атах принимаются в соответствии с приня­ тым коэффициентом асимметрии цикла.

Отсчеты (измерения) по приборам берутся через определенные интервалы времени, выбор величины которых зависит от типа горной породы (прочности образца) и от степени его нагружения (макси­ мального напряжения). Число циклов пульсирующей нагрузки опре­ деляется по счетчику, установленному на пульсаторе, или по времени проведения опыта при заданной частоте колебаний нагрузки от мо­ мента ввода испытательной машины на заданный режим.

Испытание считается законченным в момент разрушения образца или по достижении кривой циклической прочности прямолинейного участка — предела циклической прочности.

При заданной нагрузке Fmax испытывают не менее трех образцов

и выводят среднеарифметическое значение числа циклов, соответству­ ющих принятым условиям испытаний. Затем продолжают испытания при других намеченных значениях атах и строят функцию отач от числа циклов нагружения при заданном значении коэффициента асим­ метрии и заданном неизменном боковом давлении на образец.

Момент разрушения образца можно наблюдать по показаниям регистрирующей аппаратуры. После этого пульсатор пресса отключа­ ется и производится извлечение образца из камеры с предваритель­ ным отсоединением провода от коллектора токоввода, сливом масла из камеры высокого давления через специальный клапан, отсоедине­ нием трубопровода высокого давления. Стрела крана стыкуется с камерой, после небольшого подъема для снятия с центровочного кольца поворачивается на 90 или 180° и спускается посредством руч­ ной лебедки на специальный монтажный стол. Отсоединяется основа­ ние камеры, камера приподнимается, основание удаляется. Далее, придерживая нижний захват, отвинчивают упор в верхней части каме­ ры (при испытании по варианту А) и извлекают остатки образца вместе с верхним захватом. В случае заклинивания стержня верхнего захвата его выталкивают через верх после удаления распорного винта.

Установку образца, испытание и разборку камеры необходимо вести осторожно, чтобы не повредить специального уплотнения и дат­ чиков с их проводами, а также следует строго соблюдать требования по эксплуатации сосудов, стендов и установок вы сокого давления.

б.З. ВЛИЯНИЕ ПУЛЬСИРУЮЩЕГО НАГРУЖЕНИЯ И НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД

Особенности деформирования и разрушения горных пород при пуль­ сирующих нагрузках изучались на образцах нескольких типов моно­ литных горных пород, существенно различающихся по механическим свойствам в обычных (стандартных) условиях нагружения.

Известными методами [8, 27] определены характеристики проч-

где -КСж (р).д> £ сж (р).д — соответственно пределы прочности и моду­ ли упругости при сжатии и растяжении при любой скорости нагру­ жения; Д е к р е т , £ Сж (р).д “ соответственно пределы прочности и модули упругости при сжатии и растяжении и статическом нагруже­

деформации ^еждо.д можно рассчитывать и из осциллограмм нагру­ жения образцов.

Изменение характеристик прочности и упругости в условиях од­ ноосного пульсирующего нагружения образцов. Результаты испыта­ ний образцов горных пород на пульсирующее сжатие и растяжение (р = 0) с частотой со = 10 Гц показали снижение прочности с ростом числа нагружений N.

Экспериментальные точки соответствуют графическим зависимо­ стям, показанным на рис. 6.3.

Близкое расположение точек для группы исследованных пород дает основание с некоторой погрешностью получить единые эмпири­

Рис. 6.3. Изменение прочности горных пород атах при пульсирующем сжатии (а) и растяжении (б) по отношению к значениям статического предела прочности

^сж.р (линии /) и динамического -/?сж.р (линии//), соответствующего скорости нагружения при частоте 10 Гц:

/ — мрамор; 2 — габбро; 3 — песчаник; 4 — известняк; 5 — сильвинит

вили соответственно 0,97 ± 0,013 (с надежностью 72) и 0,99 ± 0,006 (с надежностью 180).

Пределы усталости 7?СЖ(Р) <у опытных образцов при р = 0 имеют значения, приблизительно равные 0,50 /?сж ст и 0,45 /?р ст.

При анализе зависимостей (6.13.) и (6.14) на рис. 6.3 нетрудно установить, что при значениях атах/Лст = 1,0 прямые пересекают ось ординат примерно на 30 % выше этой точки. Это значит, что предел статической прочности определяется при значительно меньших ско­ ростях нагружения, чем при воздействии динамических пульсирую­ щих односторонних нагрузок.

Если учесть изменение характеристик прочности от скорости дина­ мического нагружения по уравнениям (6.13) и (6.14) и внести в рас­ чет соответствующие коррективы на скорости изменения напряжений

Пределы усталости при этом составляют при сжатии Я сж у ***

* 0,4 Rçx д, а при растяжении /?р у «= 0,35 д.

При проведении усталостных испытаний исследовался вопрос влияния пределов изменения напряжений в течение цикла. При на­ гружении серии образцов песчаника и габбро циклическим сжатием получены уравнения прямолинейной связи для описания зависимо­ сти изменения показателей их прочности в функции коэффициента асимметрии р.

Влияние коэффициента асимметрии на предел усталости выража­ ются уравнениями:

причем коэффициенты регрессии а и b для песчаника и габбро в ис­ следованном интервале р = 0-^0,75 находятся приближенно в линей­ ной зависимости от величины р, т.е.

Методом наименьших квадратов получены числовые связи: для песчаника а = 2,42 р — 4,11; b = —1,40 р + 2,75 с коэффициентами корреляции 0,94 и 0,96; для габбро а = 0,21 р — 0,18, b = —1,25 р + + 1,76 с коэффициентами корреляции соответственно 0,92 и 0,87.

Подставляя выражения (6.20) и (6.21) в уравнение (6.19) нахо­ дим общую, эмпирическую зависимость между относительным изме­ нением прочности 0тах/^сж.ст логарифмом числа циклов до разруше­ ния N и коэффициентом асимметрии р в форме

На рис. 6.4,а в трехмерной прямоугольной системе координат представлена поверхность, соответствующая результатам испытаний образцов песчаника, а на рис. 6.4, б — для образцов габбро в приня­ том интервале р по уравнению (6.22).

Как видно, с увеличением коэффициента асимметрии р от 0 до 0,75 пределы усталости песчаника и габбро существенно возрастают и соответственно при одинаковых действующих максимальных на­ пряжениях растет число пульсирующих нагружений.

Наряду с установлением пределов усталости, проведена серия

Рис. 6.4. Изменение относительной прочности ®тах/Ясж габбро (а) и песчаника

(б) от коэффициента асимметрии цикла р и логарифма числа циклов нагруже­ ния N при сжатии

опытов для выяснения влияния пульсирующих нагрузок на остаточ­ ную прочность горных пород.

Все неразрушенные под воздействием 0,5 •10б циклов при на­ грузках и амплитудах колебания ниже предела усталости образцы доводились до разрушения статической однократной нагрузкой. Установлено практическое совпадение прочности, полученной в этих условиях, с прочностью образцов, не подвергавшихся пульсирующим нагрузкам.

При исследовании деформационных характеристик горных пород по данным осциллограмм рассчитывались модули пропорционально­ сти (упругости) и коэффициенты поперечной деформации (Пуассона) ь>сж д при тех же действующих амплитудах напряжений и коэффициентах асимметрии показателей прочностных свойств.

Анализ диаграмм деформирования напряжение — относительные деформации показывает, что при увеличении числа пульсирующих нагружений идет процесс изменения предельных значений продоль­ ных ер и поперечных es деформаций.

На рис. 6.5 представлены опытные зависимости относительного

логарифма числа пульсирующих нагружений при р - 0. Как следует из рисунка, деформации слабой породы (известняк) развиваются интенсивнее, чем у крепкой (песчаник) и при значительно меньших числах циклов при одном и том же уровне отношения еШа\/^сж. сг-

И ' Ш ' И ' ' C D * '

Рис. 6.5. Относительное изменение максимальных продольных (а) и поперечных

(б) деформаций при пульсирующем сжатии (р = 0) образцов песчаника (1, 1 ) и известняка (2, 2'):

Установлено, что продольные деформации развиваются медлен­ но0 поперечных. При первых 10 циклах абсолютные значения про­ дольных и поперечных деформаций меньше, чем при однократном на­ гружении.

Исследования деформационной способности горных пород при циклических нагрузках показали также, что чем выше действующее напряжение и меньше коэффициент асимметрии р при оср = (amin +

+ amax)/2 = const, тем интенсивнее процесс развития микротрещин

иувеличения ширины петель гистерезиса продольных и поперечных деформаций при возрастании числа нагружений.

Изменение характера деформирования в зависимости от действу­ ющих напряжений, коэффициента асимметрии и числа нагружений

соответствуют значениям модуля упругости и коэффициента попереч­ ной деформации при любом числе циклов переменного динамиче­ ского нагружения сжатия, а Е сж , и исж 1 значениям этих величин при однократном нагружении.

Модули упругости всех испытанных пород до десятого цикла возрастают в среднем на 25 %, а затем резко убывают, снижаясь в м о­ мент разрушения примерно на 30 % от максимального значения.

Изменение коэффициента поперечной деформации идет в обрат­ ном порядке — с начальным уменьшением его значений на 25—30 % и последующим возрастанием к моменту разрушения до 40 %.

Рассмотрение данных о деформируемости образцов пород при усталостных испытаниях с коэффициентами р в интервале от 0 до 75 показало, что наиболее интенсивные изменения упругих харак­ теристик при одном и том же значении аср наблюдаются при р = 0.

Характерно, что значения модуля упругости Е и коэффициента