книги из ГПНТБ / Карташов Ю.М. Ускоренные методы определения реологических свойств горных пород

мергеля, мела и искусственных материалов. Результа­ ты вибрационных испытаний сопоставляли с результа­ тами длительных статических испытаний на ползучесть тех же пород и искусственных материалов. Режим виб­ рационных испытаний на ползучесть был выбран та­ ким же, как и при вибрационном испытании на дли­ тельную прочность с постоянной амплитудой напряже­ ния: частота изменения нагрузки / = 8 Гц, характерис­ тика цикла р= 0,03 -Г 0,07. При испытании образец охлаждали потоком воздуха от вентилятора и контро­ лировали изменение температуры образца.

Кривые ползучести пород и искусственных материа­ лов при вибрационном действии нагрузок аналогичны кривым ползучести при длительных статических испы­ таниях. На рис. 33 изображены кривые ползучести алевритового мергеля и эквивалентного материала при действии вибрационных нагрузок.

• Анализ результатов вибрационных испытаний по­ казал следующие особенности деформирования слабых горных пород при действии вибрационных нагрузок:

скорость ползучести после начала испытаний до­ вольно быстро по сравнению со скоростью ползучести при статических испытаниях стабилизируется и остает­ ся постоянной в течение длительного времени;

как и при статических испытаниях, наблюдаются кривые ползучести с затухающей, с постоянной и с возрастающей скоростью деформирования;

скорость ползучести слабых горных пород выше скорости ползучести при статических испытаниях.

Скорости ползучести при различных режимах ис­ пытаний сопоставлялись следующим образом. Дефор­

ползучести образца той же породы, испытанного при вибрационной нагрузке с максимальным напряжением атах, причем необходимым элементом сопоставления являлось равенство оп,ах = аст. Скорость ползучес­ ти определялась на прямолинейном участке кривой ползучести для всех образцов, испытанных на разных уровнях напряжений. Отношение скорости ползучести

вин равенства действующих на образцы напряжений отпх==°ст) является параметром, характеризую­ щим воздействие вибрационных нагрузок как фактора, ускоряющего процессы деформируемости образцов при ползучести. Это отношение названо коэффициентом вибрационного ускорения ky.

Рис. 33. Ползучесть образцов мергеля ( а ) и эквива­ лентного материала Э-1 (б) при вибрационных испы­ таниях при нагрузке smax:

'. Испытания на ползучесть при статическом и при вибрационном приложении нагрузок показали, что для одной и той же породы коэффициент вибрационно­ го ускорения является постоянной величиной, не зави­ симой от действующего на образец напряжения. Мак­ симальные отклонения коэффициентов вибрационного ускорения при их определении на разных уровнях на­

пряжения не превышают 6—10% (для одной и той же породы).

Для различных пород и материалов коэффициент ky. имеет разные значения. Так, для алевритового мергеля, результаты испытаний которого представле­ ны соответственно на рис. 28 и 33, ky =162, для кем­ брийской глины Æy = 102, а для эквивалентного ма­ териала Э-1 k y — Б.

Для выяснения характера деформирования мате­ риалов при вибрационных испытаниях и объяснения причин, обусловливающих ускорение процессов ползу­ чести, были проведены испытания на ползучесть пара­ финовых образцов.

Изготовление образца заключалось в заливке рас­ плавленным парафином специальной формы, в которой были натянуты одиннадцать хлопчатобумажных нитей толщиной 0,1—0,2 мм. После остывания парафина нити оказывались расположенными внутри образца. После испытания на ползучесть образец разрезали ножом та­ ким образом, чтобы на плоскости среза были видны нити, по изменению расположения которых можно су­ дить о деформациях внутри образца..

Характер деформирования образцов парафина при действии статических и вибрационных нагрузок виден на рис. 34. При действии длительных статических на­ грузок торцовое трение препятствует свободному рас­ ширению торцов, и образец принимает бочкообразную форму. Распределение деформаций внутри образца по каждому поперечному сечению равномерное, макси­ мальные деформации относятся к среднему сечению. При испытании образцов вибрационными нагрузками характер распределения деформаций значительно рав­ номернее, чем при статических испытаниях, так как торцы образца периодически освобождаются от нагруз­ ки, что способствует уменьшению торцового трения. Равномерное распределение деформаций, естественно, обусловливает увеличение продольных деформаций об­ разца, но это увеличение не может быть сравнимо с наблюдаемыми при испытаниях коэффициентами виб­

мергеле (Южно-Белозерское месторождение). Для нс-

кут тела с меньшей упругостью («слабые»), а другие («сильные») упруго изменяются. Ускорение процессов, деформирования, на основании рассмотренных работ, зависит от соотношения в материале «сильных» и «сла­ бых» зерен, т. е. от соотношения упругих и вязких эле­ ментов.

Результаты вибрационных испытаний грунтов пока­ зывают, что интенсивность накопления деформаций за­ висит от модуля деформаций грунтов, причем прирост деформаций за цикл «нагрузка — разгрузка» объясня­ ется тем, что часть сместившихся структурных агрега-

б

Рис. 35. Анализ поведения модели Максвелла при статических и вибрационных нагрузках

тов или грунтовых частиц заклинивается в неустойчи­ вом положении, нарушаемом при частичном восстанов­ лении деформации после снятия нагрузки [56, 60J.

Таким образом, можно предполагать, что вязкость некоторых материалов, у которых наблюдается изме­ нение скорости ползучести при вибрационных нагруз­ ках, представляет собой сочетание двух типов вязкос­ тей: статической, проявляющейся при статических и при вибрационных испытаниях и являющейся одним из основных элементов обычных реологических моде­ лей, и структурной, проявляющейся только при вибра­ ционных нагрузках и не оказывающей влияния на де­ формируемость при постоянных нагрузках. Структур­ ная вязкость должна зависеть от соотношения в мате­ риале упругих и вязких частиц (или «сильных» и «сла­ бых» зерен).

Обычные реологические модели непригодны для описания процессов деформирования при вибрацион­ ных нагрузках. Рассмотрим одну из простых реологиче­

шем деформация растет с постоянной скоростью, обу­ словленной вязкостью системы. Приложение к модели вибрационной нагрузки с максимальным значением на­ пряжения о=Отах и с минимальным, равным нулю, вы­ зывает соответствующую деформацию, изменяющуюся по синусоидальному закону (см. рис. 35, 3). Кривая деформации, соответствующая напряжению GmaX) Харастеризует ползучесть модели при вибрации (см. рис. 35, 2). Так как время воздействия нагрузки на вяз­ кий элемент во время вибрационных испытаний меньше, чем при статических, то скорость ползучести при вибра­ ции должна быть меньше скорости при статических ис­ пытаниях. При синусоидальном изменении напряжений (от 0 до зтах) скорость ползучести должна умень­ шиться вдвое. Это противоречит экспериментальным данным о вибрационной ползучести многих материа­ лов.

Для качественного объяснения процесов деформи­ рования при статических и вибрационных нагрузках нами предлагается реологическая модель, аналогичная модели Максвелла и содержащая упругий и вязкий элементы (рис. 36). Отличие от модели Максвелла со­ стоит в параллельном соединении двух элементов: структурной и статической вязкостей. Статическая вяз­ кость обусловлена диаметром полого отверстия в поршне, а структурная вязкость — диаметром второго отверстия. Подпружиненный клапан в элементе струк­ турной вязкости имитирует дополнительные деформа­ ции модели за цикл «нагрузка — разгрузка» (увеличе­ ние деформации за счет освобождения частиц материа­ ла от заклинивания при разгрузке). При длительном действии статической нагрузки на данную систему де­ формирование во времени происходит так жё, как и на модели Максвелла. Структурная вязкость не оказывает влияния на величину деформации, так как клапан, пре­ одолевая усилие своей внутренней пружины, под дей­ ствием давления жидкости в поршне поднимается вверх и перекрывает своим заплечиком нижнюю часть отверстия. При вибрационном приложении нагрузок клапан периодически открывает отверстие, и система