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

Необходимое расстояние между прокладками, при­ легающими к торцам образца, достигается перед ис­ пытанием с помощью винта 9. Упорная гайка 10 слу­ жит для предотвращения выпадения поршня 8 из осно­ вания 2 при разрушении образца.

Прибор установлен на пульсаторе гидравлического пресса (30-тонный пресс фирмы «Шоппер»), Пульса­ тор состоит из следующих основных частей: основания пульсатора 11, поршня пульсатора 12, соединенного с эксцентриковым маховиком 13, и электромотора 14. Эксцентриковый маховик пульсатора имеет ручное уп­ равление, позволяющее изменять ход поршня пульса­ тора от 0 до 60 мм. Поршень пульсатора совершает при включении пульсатора поступательное перемеще­ ние с амплитудой, установленной перед испытанием. От этой амплитуды, а также от упругости сжимаемой системы, определяемой главным образом количеством воздуха в воздушной подушке под поршнем 8, зависит амплитуда переменной нагрузки на образец. Частота пульсации может изменяться от 4 до 12 Гц.

Статическое давление масла во внутренней поло­ сти воздействует одновременно на рабочий поршень 8 и па поршень пульсатора 12. Поступательные переме­ щения поршня пульсатора создают дополнительную виброиагрузку, накладываемую на основную статиче­ скую нагрузку. Статическая нагрузка стабилизируется с помощью реверсивного электродвигателя 15 и авто­ матического устройства 16.

Статические и вибрационные нагрузки на образец, а также характер кривой изменения этих нагрузок во времени определяются с помощью тензометрического датчика 17, подключенного к тензометрической стан­ ции 18, и пьезоэлектрического датчика 19, соединенно­ го с осциллографом 20. Деформации образца измеря­ ются индикатором часового типа 21 с предохрани­ тельным антивибрационным приспособлением и фо­ тоэлектрическим тензометром 22—23, соединенным с измерительной станцией 24. Давление в гидросистеме контролируется с помощью манометров 25 и 26. Чис­ ло циклов вибрационной нагрузки определяется по специальному счетчику циклов, установленному на пульсаторе.

Для периодического заполнения компрессорным

образцов, размеры испытываемых образцов, скорость нагружения (или длительность испытания), эксцентри­ ситет прикладываемой к образцу нагрузки, торцовые условия и др. [27, 69]. При любом из известных мето­ дов испытаний на сжатие в образце возникает неодно­ родное напряженное состояние, искажающее значение предела прочности: концентрация напряжения у тор­ цов при испытаниях с трением по торцам или растя­

ками.

Неоднородность напряженного состояния в образ­ це обусловлена в основном двумя причинами: внут­ ренней, связанной с несовершенством строения и струк­ турными особенностями горных пород (неоднородность петрографического состава, наличие включений, тре­ щин и т. д.), и внешней, зависящей от торцовых условий при испытании [69]. В первом приближении можно считать, что неоднородностью напряженного состоя­ ния для слабых и пластичных горных пород, связанной с внутренним строением пород, можно пренебречь, так как размеры частиц по сравнению с размерами образ­ ца несоизмеримо малы. В этом случае внутри образца также неизбежны концентрации напряжений на гра­ ницах частиц, включении, трещин, но при достаточно большом числе последних, их малых размерах и рав­ номерном распределении в объеме образца можно оце­ нивать эти концентрации напряжений как «однород­ ность неоднородностей».

Говоря об однородном напряженном состоянии, сле­ дует иметь в виду только внешние причины, связанные со способом передачи нагрузки, обеспечивающим рав­ номерное деформирование образца по его высоте. Для образцов пород с крупными включениями, редкими трещинами, явно выраженной неравномерной слои­ стостью и т. д. принципиально невозможно обеспечить однородное напряженное состояние внутри образца при любом способе нагружения.

Для исследования влияния торцовых условий на прочность пород при испытании на одноосное сжатие были изготовлены цилиндрические образцы из кемб­ рийской глины и из эквивалентного материала, при­ меняемого при моделировании (кварцевый песок

92,5%, мика 3%, парафин 4,5%). Отношение высоты образцов h к их диаметру d было взято равным 0, 3; 0,5; 1 и 2. Торцовые условия при испытаниях: смазка торцов парафином (толщина парафинового слоя 1 мм), сухое трение и контакт торцов образца с напря­ женными прокладками из резины.

Результаты испытаний представлены на рис. 18. Испытания со смазкой и с трением по торцам образцов кембрийской глины подтвердили результаты других ис­ следователей: с увеличением отношения высоты образ-

Рнс. 18. Прочность образцов кембрийской глины ( а ) и эквивалент­ ного материала (б) на одноосное сжатие с различными торцовыми условиями:

/ — испытание с трением по торцам; 2 — испы тание со см азкой торцов; 3 — испытанно в приборе с напряж енны м и прокладкам и

ца к его диаметру прочность образцов, испытанных со смазкой торцов, увеличивается, ,а с трением по торцам —уменьшается. Результаты же испытаний образ­ цов пород с применением напряженных прокладок по­ казали, что прочность образцов остается постоянной при изменении отношения h/d от 0,3 до 2. Несколь­ ко неожиданными явились результаты испытаний на сжатие образцов эквивалентного материала, у кото­ рых прочность на сжатие как со смазкой, так и без смазки торцов уменьшалась при уменьшении высоты образца (одним из возможных объяснений этому факту может быть то, что в образце имеется парафин, играющий роль смазки при испытаниях), однако при испытании с напряженными прокладками прочность образцов также не изменялась,

кн, контактирующие с торцами образца и помещенные в жесткие обоймы. Отличие этого устройства от уст­ ройства, изображенного на рис. 7, заключается в том, что жесткие обоймы являются составными (напри­ мер, цанговое исполнение) для изменения диаметра обойм и осуществления податливости прокладок в по­ перечном направлении. Высота образца при этих ис­ пытаниях в 2—2,5 раза превышала их диаметр. В ка­ честве прокладок для слабых пород использовали плотную черную резину.

На каждой ступени нагрузки измеряли поперечные деформации образца, после чего изменяли податли­ вость прокладки в поперечном направлении таким об­ разом, чтобы деформации образца у торцов и в его средней части были равными. Увеличение диаметра обоймы под нагрузкой обеспечивает деформации про­ кладки, которая, расширяясь, «тянет» за собой торец образца. Подобным образом уменьшали деформации у торцов. Диаметр обоймы при этом уменьшался. Управлять деформациями образца удавалось до на­ грузки, составляющей 85—95% разрушающей, после чего из-за начинающегося интенсивного процесса де­ формирования практически невозможно было обеспе­ чить это управление. Одиако этот процесс является процессом разрушения, подготовленным предыдущей историей деформирования, и поэтому, как показали ис­ следования, отличия в последней стадии характера де­ формирования образца от равномерного ие оказывают существенного влияния ип па прочность образца, пи иа его характер разрушения.

При обеспечении равенства деформаций у торцов и в средней части образца его напряженное состояние можно считать однородным (или довольно близким к однородному). Ступени нагрузки выбираются в зави­ симости от разницы между деформациями у торцов об­ разца и в его средней части. Предложенный способ позволил проводить испытания на сжатие образцов по­ род и при других торцовых условиях деформирования: отсутствие поперечных деформаций у торцов, превыше­ ние деформаций у торцов над деформациями в средней части.

Весьма интересным оказался характер разрушения при испытаниях на сжатие образцов пород с различны­

ми торцовыми условиями. При испытаниях с трением по торцам разрушение, как правило, происходит по наклонной плоскости, образец разрушается от дейст­ вия касательных напряжений. При внимательном рас­ смотрении разрушенного образца у торцов его видны два конуса, вершины которых направлены к централь­ ной части образца. При испытании образцов со смаз­ кой торцов разрушение происходит по плоскости, параллельной направлению действия нагрузки (разру­ шение от отрыва). В большинстве случаев наблюда­ ется одна основная плоскость разрушения, проходя­ щая через центр образца. Характер разрушения образцов пород при однородном напряженном состоя­ нии материала образца внешне напоминает характер разрушения образцов со смазкой: разрушение про^ исходит по плоскостям, параллельным направлению действия нагрузки. Однако в этом случае число плос­ костей разрушения составляет не менее двух-трех (в некоторых случаях наблюдалось шесть — восемь плос­ костей разрушения).

В опытах со смазкой торцов характер разрушения легко может быть объясним действием растягивающих напряжений, обусловленных влиянием смазки: разры­ вающее действие смазки, неоднородность распределе­ ния напряжений по торцу с максимумом в центре тор­ ца и т. д. О наличии растягивающих напряжений при смазке торцов свидетельствует и тот факт, что проч­ ность образцов уменьшается при уменьшении высоты образца, а поперечные деформации образца у торцов, как показали результаты испытаний [70], превышают деформации в средней части образца.

Появление вертикальных трещин отрыва в образце, находящемся в однородном напряженном состоянии, на первый взгляд, представляется неожиданным. На­ помним, что, если безоговорочно принимать положе­ ния классических теорий прочности, в направлении, перпендикулярном оси образца при его одноосном сжа­ тии, растягивающие напряжения отсутствуют. Пред­ полагается, что продольные деформации образца вы­ зываются осевым усилием, а поперечное расширение образца происходит без действия напряжений в этом направлении, вплоть до момента разрушения. Однако известно, что всякое изменение расстояния между ча­

стицами материала при постоянной температуре со­ провождается соответствующим изменением напря­ женного состояния [71]. Поэтому свободному попе­ речному расширению образца должны сопутствовать растягивающие напряжения. В противном случае не­ возможно объяснить физически разрушение образца путем отрыва при одноосном сжатии. Подобныйхарактер разрушения наблюдался для всех испытанных по­ род и материалов (эквивалентные материалы, глины, мел, мергель, соль, песчаник, мрамор и др.) при изме­ нении отношения h/d от 0,5 до 3.

Предположение о наличии растягивающих напря­ жений внутри образца при его одноосном сжатии и экспериментальные данные о характере разрушения образца в виде отрыва при его однородном напряжен­ ном состоянии приводят к следующим следствиям.

1. Действующие на образец сжимающие или растя­ гивающие напряжения, вызывающие равномерные де­ формации по его высоте, не соответствуют напряжен­ ному состоянию внутри образца. Поэтому обеспечить одноосное напряженное состояние материала образца как при одноосном сжатии, так и при одноосном рас­ тяжении принципиально невозможно.

2. Прочность на одноосное сжатие образца поро­ ды, находящегося в однородном напряженном состо­ янии, характеризует сопротивление материала образ­ ца отрыву в условиях одновременного действия сжима­ ющих и растягивающих напряжений. Разрушение об­ разцов вызывается действием растягивающих напря­ жений, направление которых перпендикулярно оси образца и плоскости разрушения.

3. При однородном напряженном состоянии мате­ риала образца как при сжатии, так и при растяжении разрушение происходит путем отрыва. Поэтому харак­ теристика прочности породы на растяжение является основной константой горных пород. Разрушение путем среза по наклонным плоскостям объясняется не свой­ ствами материала образца, а неоднородностью напря­ женного состояния, обусловленного влиянием торцовых условий (жесткая заделка торцов образца, сухое тре­ ние и т. д.), при которых исключена возможность рав­ номерного деформирования образца.

Критерием однородности напряженного состояния

материала образцов при их испытании на одноосное сжатие является наличие следующих основных усло­ вий: равномерность деформаций по всей высоте об­ разца, независимость прочностных показателей от от­ ношения высоты образца к его диаметру и характер разрушения в виде отрыва по плоскостям, направле­ ние которых совпадает с направлением действия на­ грузки.

Значительный объем изложения вышеописанных результатов испытаний обусловлен важностью проб­ лемы одноосного сжатия, которая до настоящего вре­ мени еще не разрешена полностью. В то же время проч­ ностные показатели и характер1разрушения образцов при одноосном сжатии являются определяющими при разработке или уточнении теории прочности, постанов­ ке длительных испытаний, разработке эталонных и уп­ рощенных методов испытаний и т. д.

Конструктивные особенности реологических уста­ новок не позволяют до настоящего времени проводить испытания при однородном напряженном состоянии. При длительных испытаниях применялась методика испытаний с трением по торцам. Поэтому значения прочности пород на одноосное сжатие, приведенные в таблицах настоящей работы, получены при испытании образцов с трением по торцам, при таком отношении высоты образца к диаметру, при котором прочностные показатели близки к показателям прочности породы при однородном напряженном состоянии. Это отноше­ ние для различных типов горных пород составляет от 1,5 до 3,5. Для слабых горных пород, рассматриваемых в данной работе, это отношение на основании резуль­ татов испытаний было взято равным 2.

§ 12. РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ ПОРОД НА ДЛИТЕЛЬНУЮ ПРОЧНОСТЬ

ПРИ ОДНООСНОМ СЖАТИИ

Классическим способом определения предела дли­ тельной прочности различных материалов является испытание образцов под нагрузками, составляющими 0,9; 0,8; 0,7, ..., 0,1 предела прочности при кратковре­ менном испытании. По результатам испытаний строят график зависимости прочности породы от времени

действия нагрузки до разрушения. Недостатком этого метода является большая длительность испытаний — от нескольких недель до нескольких лет.

Длительная прочность материалов тесно связана со скоростью приложения нагрузки: с уменьшением ско­ рости приложения нагрузки прочность многих мате^ риалов уменьшается. При испытании некоторых мате-і риалов, в том числе и горных пород, за предел дли­ тельной прочности принимают прочность материала при бесконечно медленном загружении [16, 17J.

Для определения предела длительной прочности пород применялись различные методы, в том числе и широко распространенная ускоренная методика испы­ таний, заключающаяся в испытании одного образца на­ грузкой, возрастающей ступенями до разрушения об­ разца [28].

Следует установить, насколько результаты данных ускоренных испытаний соответствуют результатам обычных длительных испытаний, существует ли вообще предел длительной прочности для испытанных пород или же предел длительной прочности соответствует только определенной длительности испытаний. Необ­ ходимо отметить, что единого мнения о длительной прочности, как величине, меньшей кратковременной прочности, у исследователей, занимающихся изучени­ ем свойств грунтов, нет. В некоторых работах отме­ чается, что длительная прочность должна быть выше кратковременной прочности из-за уплотнения и упроч­ нения грунтов [72]. В других работах приведены проти­ воположные высказывания [9, 16, 17].

Автором совместно с А. А. Репко проведены допол­ нительные исследования по определению предела дли­ тельной прочности слабых горных пород [73]. Образцы пород и искусственных материалов испытывали на пол­ зучесть. Длительность испытаний составляла: 2,5 мес. для алевритового мергеля и 7—15 дней для эквива­ лентных материалов. После испытания на ползучесть образцы пород и эквивалентных материалов были ис­ пытаны на одноосное сжатие. Результаты испытаний представлены на рис. 19. По оси абсцисс отложено от­ ношение напряжения оп , при котором образец испы­ тывался на ползучесть, к прочности на одноосное сжа­ тие осж, а по оси ординат — прочность образцов, испы-