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

резисов (отставание в изменении деформации от изме­ нения напряжений). Стадия разупрочнения, при кото­ рой развиваются разрушения междуатомных связей, подготовляет развитие 'М.икротрещин в материале.

Статистическая теория, разработанная примени­ тельно к вибрационным испытаниям [54], основана на предпосылке, что реальный материал состоит из от­ дельных неоднородных кристаллитов, имеющих внут­ ренние напряжения, причем механические свойства зерен различны. Усталостная трещина возникает в том случае, когда амплитуда приведенного напряже­ ния (произведение амплитуды относительных удлине­ ний па модуль упругости) для данного зерна дости­ гает сопротивления отрыву. Статистическая теория по­ зволила объяснить некоторые закономерности в де­ формировании и разрушении материалов, например, влияние масштабного фактора на прочность.

Большое распространение получили теории, привле­ кающие для объяснения явлений усталости дисло­ кационные представления о механизме пластических деформаций [22, 54]. Дислокационная теория основа­ на на том, что в реальном твердом теле имеются струк­ турные дефекты (вакансии, внедренные атомы, дисло­ кации), распределенные по определенным статистиче­ ским законам. При воздействии вибрационных нагру­ зок происходит возвратно-поступательное движение дислокаций и их взаимодействие между собой и иными дефектами кристаллической решетки, что приводит к образованию трещин. Теория дислокаций является об­ щепризнанной теорией физики твердого тела, однако ее применимость к другим материалам требует особо­ го рассмотрения, так как эта теория отражает харак­ терную особенность строения металлов, имеющих пра­ вильную кристаллическую решетку.

Характерной особенностью приведенных теорий яв­ ляется то, что они дают объяснение зарождению мик­ ротрещин в материале и их развитию в процессе на­ гружения.

Усовершенствование теории наследственной пол­ зучести применительно к переменным нагрузкам про­ ведено П. И. Васильевым и изложено в обобщенной трактовке А. А. Гвоздевым [55]. Смысл корректировки теории ползучести заключается в том, что для различ-

ных видов нагрузок («убывающих» и «неубывающих») применяются различные ядра ползучести. Новое рео­ логическое уравнение, учитывающее одновременно оба ядра ползучести, отражает эффект вибрационной ползучести: деформации ползучести при вибрационных нагрузках оказываются больше, чем деформации пол­ зучести при постоянном напряжении, равном макси­ мальному напряжению при вибрационных испытаниях.

Анализ физических явлений, определяющих дефор­

до его разрушения. Развитие микротрещин обус­ ловливает процесс постепенного разрушения мате­ риала. При вибрационных нагрузках происходит усиленное развитие микротрещин, создающих раз­ рыхление материала и приводящих к снижению прочности. Теория микроразрушения некоторых мате­ риалов при их нагружении дает объяснение развитию деформаций и понижению предела прочности как при длительном статическом 'нагружении, так и при виб­ рационном испытании. Многие общие закономерности, по мнению О. Я- Берга, действительны для всех твер­ дых тел. Микроразрушение материалов при их нагру­ жении, как доказано А. Н. Ставрогиным, является ос­ новной причиной особенностей процессов деформи­ рования и разрушения горных пород [10].

Вибрационные воздействия нагрузок на глинистые грунты обусловливают (для некоторых типов грунтов) возникновение в них тиксотропных изменений. При этом за счет трансформации физически связанной воды и освобождения иммобилизованной воды облег­ чается переориентировка глинистых частиц, что пред­ определяет значения показателей прочностных и де­ формационных свойств глинистых грунтов. Повтор­ ные приложения нагрузки на грунт, деформация ко­ торого после первого приложения нагрузки полностью прекратилась, вызывают дальнейший прирост дефор­ мации в связи с нарушением неустойчивого взаимного расположения структурных агрегатов грунта [56]. Среди основных причин, влияющих на деформацион-

ные и прочностные характеристики грунтов и глин при воздействии на них вибрационных нагрузок, мно­ гие исследователи называют также ускорение, прикла­ дываемое к материалу образца, и инерционные силы, нарушающие связность тела и зависящие от массы гли­ нистых частиц [17].

Экспериментальные исследования. Анализируя де­ формационные процессы, протекающие в бетоне, О. Я- Берг отмечает общность в закономерностях развития

s

«'S

Деформация,

Вррмоуcÿm

Рис. 2. Результаты испытаний образцов бетона на ползучесть:

напряжению в 1 кгс/см2); 1 \\ 2 — нагрузки на образец

деформаций при длительных статических и вибрацион­ ных испытаниях [22]. В некоторых случаях кривые пол­ зучести, полученные при статических и вибрационных испытаниях, были совершенно аналогичны. На рис. 2 представлены результаты длительных статических ис­ пытаний бетонных образцов, проведенных Р. Девис и Г. Девис [27], и результаты вибрационных испытаний бетона, приведенные в книге [22].

При построении графиков зависимости между на­ пряжением Ош х и числом циклов до разрушения п, в лолулогарифмических координатах (стщах, In п) кри­ вые выносливости могут быть представлены прямой линией. На рис. 3, а представлены результаты длитель­

ных статических испытании на прочность образцов бе­ тона і[22], иа рис. 3, б — результаты вибрационных ис­ пытаний образцов цемента [57].

В. В. Ленским [58] экспериментально доказано, что наложение на основную статическую нагрузку до­ полнительных колебаний заметно ускоряет процесс ползучести. С ростом амплитуды деформаций наблю­ дается увеличение скорости ползучести.

цемента на прочность (/?2s — прочность цемента в возрасте 28 дней при кратковременном испытании)

В работе [59] отмечается, что при циклических из­ менениях напряжений ползучесть каменной соли и глинистых пород значительно возрастает вследствие появления усталостных явлений. Значительное увели­ чение ползучести при вибрациях наблюдается и на прочных горных породах [25, 53].

Аналогичные испытания слабых грунтов также по­ казали увеличение скорости деформирования по срав­ нению со статическими испытаниями [17, 56, 60], при­ чем было отмечено, что процесс деформирования при повторных нагрузках качественно сходен с процессом деформирования при статической нагрузке. На рис. 4 приведены опытные данные H. Н. Иванова о возраста­ нии деформаций грунта при повторных приложениях нагрузки [56].

В. Д. Казарновский на основе результатов прове­

Глава II

ОТБОР ПРОБ ГОРНЫХ ПОРОД И ПОДГОТОВКА ОБРАЗЦОВ ПОРОД К ИСПЫТАНИЯМ

К слабым горным породам относятся породы (мел, мергель, глина), имеющие прочность на одноосное сжатие от 10 до 100 кгс/см2. По характеру деформиро­ вания при длительном статическом нагружении они относятся ко второму типу (по Ю. М. Либерману). Вы­ бор для проведения исследований слабых горных пород был обусловлен тем, что реологические процессы наи­ более интенсивно протекают именно в таких породах.

Исследования проводили в основном на породах Яковлевского месторождения КМА и Южно-Белозер- ского железорудного месторождения, характеризую­ щихся довольно сложными инженерно-геологическими и гидрогеологическими условиями залегания. Мощная толща осадочных пород (300—500 м) представлена в основном слабыми, неустойчивыми и высокопластич­ ными породами. Определение реологических свойств этих пород является одним из необходимых условий для обоснованного расчета давления на крепь стволов.

Кроме пород Яковлевского месторождения КМА и Южно-Белозерского железорудного месторождения были также испытаны: кембрийская глина из района Таллина; кембрийская глина из района Ленинграда; искусственные материалы (парафин и эквивалентные материалы), применяемые при моделировании, типа Э-1 (80% кварцевого песка, 10% мики, 10% парафи­ на) и Э-2 (97% кварцевого песка, 2% канифоли, 1% па­ рафина).

§4. ОТБОР ПРОБ ГОРНЫХ ПОРОД ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ ИСПЫТАНИЙ

Отбор проб горных пород является ответственной операцией, так как от него зависят многие, в том чис­ ле и реологические, показатели пород, определяемые в лаборатории. Для повышения достоверности и на­ дежности получаемых при испытаниях физико-меха­ нических характеристик горных пород во ВНИМИ разработана методика отбора проб горных пород [62],

предусматривающая требования, предъявляемые к пробам, способы извлечения проб пород из массива, меры, обеспечивающие сохранность и целостность проб, и т. д.

Краткие основные положения этой методики за­ ключаются в следующем. При выборе места отбора проб необходимо стремиться к максимальной типич­ ности отбираемых проб, т. е. к их соответствию по структуре и свойствам пород в местах, для которых решается поставленная задача. Состояние породы в обнажении (ее влажность и целостность) должно быть в месте отбора пробы также наиболее представительно. Пробы горных пород, в зависимости от возможности отбора, могут быть представлены кернами буровых скважин или монолитами, тщательно отделяемыми от забоев проводимых выработок, кровли или почвы пластов, боковых стенок выработок.

Извлечение проб из массива следует проводить та­ ким образом, чтобы целостность и влажность пробы по возможности приближалась к целостности и влажности породы в массиве. При отделении проб от массива предпочтительны операции вращательного бурения, почти не нарушающие структуру и свойства отделяе­ мых кернов. При отделении монолитов рекомендует­ ся, если есть возможность, не применять взрывных ра­

Естественную влажность породы в массиве необхо­ димо определять одновременно с отбором проб. Влаж­ ность отобранных образцов должна быть типичной для внутренней части массива в месте отбора проб.

Консервация и упаковка проб горных пород долж­ ны предохранить пробы от высыхания, увлажнения и обмерзания, а также от механических повреждений. Консервация проб должна проводиться немедленно после их извлечения. Пробы, представленные керна­ ми буровых скважин или монолитами, консервируют­ ся подогретой мастикой (85—90% парафина и 10— 15% битума). Не следует использовать для изоляции только один парафин, так как он растрескивается при транспортировании и не предохраняет пробу от изме­

нения влажности. Надежная изоляция пробы обеспе­ чивается следующим образом: после смачивания про­ бы в мастике пробу обертывают в смоченную масти­ кой бумагу, а затем покрывают двумя-тремя слоями марли, также смоченной мастикой. Законсервирован­ ные пробы должны быть уложены в прочные дощатые ящики без щелей (выложенные толем) с досыпкой опилками или стружками для смягчения ударов и толчков при транспортировании.

Отбор проб пород, проведенный по разработанной методике, позволил получить высококачественный ма­ териал для изготовления и испытания образцов сла­ бых и сильно увлажненных горных пород. Необходи­ мо отметить, что породы, обладающие высокой есте­ ственной влажностью (до 35%), практически не изме­ няли свою влажность к моменту изготовления из них образцов.

§ 5. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОБРАЗЦОВ ГОРНЫХ ПОРОД

Изготовление образцов горных пород состоит из вы­ буривания цилиндрических заготовок из монолитов или кернов, отрезки и, если необходимо, шлифовки торцов образцов.

В образцах, подготовляемых для испытаний, долж­ ны сохраняться их естественная структура и влаж­ ность. Учитывая, что слабые горные породы обычно гидрофильны, образцы изготовляли ^вращающейся трубчатой коронкой, армированной резцами из твер­ дых сплавов, без применения воды. Однако применяе­ мые в настоящее время камнерезные коронки не могут использоваться при выбуривании образцов из трещи­ новатых или из слоистых, со слабыми прослойками, горных пород, а также из слабого эквивалентного ма­ териала, так как вращающаяся коронка при пересече­ нии трещины или слабого прослойка «захватывает» верхнюю часть образца, отрывает ее (по трещине или прослойку) от глыбы и разбивает о стенки коронки. Отдельные образцы, которые не разрушаются при вы­ буривании из подобных пород, не могут, естественно, быть достаточно представительными, так как при та­ ком выбуривании происходит непроизвольный отбор

размеры изготовленных образцов должны соответство­ вать размерам естественной неоднородности горной по­ роды. Как доказано Б. В. Матвеевым [63], хорошая представительность образцов получается, если их раз­ меры в 20 раз превышают размер структурного элемен­ та породы. Так как максимальные структурные элемен­ ты исследуемых пород (глины, мел, мергель) и искус­ ственных материалов весьма малы (не более долей миллиметра), то необходимые абсолютные размеры образцов выбирали исходя из технологии их изготовле­ ния и размеров испытательной аппаратуры.

Высоту образца при испытаниях принимали рав­ ной двум диаметрам, так как при таком соотношении размеров ие наблюдается продольный изгиб при сжа­ тии и значительно уменьшается влияние торцов на на­ пряженное состояние и па деформации в средней части образца. Прочность образцов пород, испытан­ ных с трением по торцам, при таком соотношении раз­ меров близка к прочности при однородном напряжен­ ном состоянии материала. Известно также, что ползу­ честь материалов увеличивается при увеличении отно­ шения высоты образца h к его диаметру d [64]. Уве­

высота 70± 0,5 мм; диаметр 36±0,1 мм; плоскостность торцов ±0,05 мм и параллельность торцов ±0,5 мм.

Исследованиями Н. Ф. Ренжиглова [52] доказано, что влажность значительно влияет на реологические свойства горных пород. Поэтому при подготовке образ­ цов к испытаниям, а также после испытаний необходи­ мо проводить строгий контроль их влажности. Для обеспечения идентичности испытываемых образцов применялся ультразвуковой метод.

После изготовления образцы покрывали изолиру­ ющим покрытием (несколькими чередующимися сло­ ями клея № 88 и парафина), предохраняющим образцы от высыхания при длительных испытаниях и от проник­ новения масла при объемных испытаниях. В послед­ нем случае достаточно два-три слоя клея № 88. В тех случаях, когда методикой испытаний предусматрива­ лось измерение общей деформации образца, торцы об­ разцов не смазывали изолирующим покрытием, а плот-