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

Длительная прочность тон же глины, определенная при испытании образца возрастающими нагрузками, составляет 22,5 кгс/см2. Эта нагрузка соответствует на­ пряжению, при котором наблюдалось увеличение объ­ ема образца и уменьшение прочности после испытания на ползучесть. Аналогичные результаты получены при испытании других пород и эквивалентных материалов

Э-1 и Э-2 (табл. 2).

Интересные результаты получены в последние го­ ды некоторыми исследователями, занимающимися изу­ чением свойств бетона. Так, в работе [74] рассмотрен

Рис. 20. Изменение объема образцов мер­ геля при испытании нагрузками возраста­ ющими ступенями

характер изменения прочности бетона под действием длительно приложенной сжимающей нагрузки. Уста­ новлено, что под действием напряжений, превышаю­ щих предел длительной прочности, в бетоне возникают нарушения структуры, способные привести к разруше­ нию. Если уровень напряжений меньше предела дли­ тельной прочности, то прочность образцов после ис­ пытаний может быть даже больше, чем прочность об­ разцов, не подвергавшихся длительному действию на­ грузки.

В работах [16, 17] приведеныданные об измене­ нии прочности горных пород, длительное время под­ вергавшихся действию постоянных нагрузок. Начало увеличения объема образца при достижении предела длительной прочности отмечалось в работе [23].

Результаты проведенных испытаний позволяют сде­ лать предположение, что предел длительной прочности является своеобразным барьером, разделяющим физи­ чески различные явления при длительном деформиро-

[711 обусловлено методикой испытаний, при которой образцы длительное время выдерживались под на­ грузкой, меньшей предела длительной прочности.

На основании анализа результатов проведенных исследований предложены новые способы определе­ ния длительной прочности слабых горных пород, в ос­ нову которых положены некоторые физические законо­ мерности протекания пластических деформаций.

Первый способ основан на явлении упрочнения и разупрочнения образцов пород, длительное время на­ ходящихся под постоянными нагрузками. При этом можно использовать образцы пород после их испыта­ ния на ползучесть или поставить специальные испы­ тания образцов под постоянными нагрузками, состав­ ляющими 10—90% прочности на одноосное сжатие. Длительность испытаний во втором случае составляет, в зависимости от типа породы, от трех дней до пятнад­ цати суток. После этого образцы испытывают на одно­ осное сжатие при кратковременном приложении на­ грузки. Результаты испытаний откладываются на гра­

снижение прочности. Точность определения предела длительной прочности по предложенной методике за­ висит от числа ступеней нагрузки, при которой испыты­ вают образцы на ползучесть.

Сущность второго способа заключается в следую­ щем. Образец породы испытывают на ползучесть при ступенчатом приложении нагрузки с измерением из­ менения объема образца при испытании. На каждой ступени нагрузки образец выдерживают в течение оди­ накового времени (одни-двое суток). По данным изме­ нения во времени объема образца строят график. Пре­ дел длительной прочности соответствует нагрузке, при которой произошло увеличение объема образца. Точ­ ность определения предела длительной прочности в этом случае также зависит от величины ступейи на­ грузки. Преимуществом второго способа испытаний является то, что определение предела длительной прочности производится на одном образце.

Испытание образцов возрастающими нагрузками с измерением изменения объема и прочности позволяет во много раз сократить длительность испытаний и

уменьшить число образцов для испытаний. Основой полученного значения предела длительной прочности является оценка физической сущности процесса де­ формирования материала образца при постоянных (или возрастающих ступенями) нагрузках, не связан­ ная с экстраполяцией полученных данных и не зави­ сящая от степени предварительного нагружения.

К сожалению, имеющиеся данные о длительной прочности горных пород не позволяют в настоящее вре­ мя полностью объяснить процессы деформирования и разрушения пород при различных длительных режи­ мах нагружения. Экспериментально установлено, что при скорости нагружения, близкой к нулю, или при ступенчатом нагружении образца с длительной вы-

.держкой на каждой ступени нагрузки прочность по­ роды близка к пределу длительной прочности. С дру­ гой стороны, опыты показали, что при длительно дейст­ вующих нагрузках, меньших предела длительной проч­ ности, материал образца уплотняется и упрочняется. Таким образом, при медленном нагружении образец «подходит» к пределу длительной прочности в макси­ мальной степени уплотненным и упрочненным, а после преодоления этого предела сразу же разрушается. Для объяснения этого явления необходимо провести специ­ альные длительные испытания пород при различных режимах нагружения с детальным изучением дефор­ мирования образца в области, близкой к пределу дли­ тельной прочности.

Испытания образцов на кратковременное сжатие после их длительного деформирования позволили вы­ явить интересное явление «памяти» горных пород. При испытании на сжатие измеряли продольные деформа­ ции образца. В точке, соответствующей уровню напря­ жений, при которой образец испытывался на ползу­ честь, на кривой «напряжение — деформация» наблю­ дался резкий перелом, Образец «запоминал» напряже­ ние, при котором его длительное время выдерживали. Это явление может быть полезно при разработке мето­ дов оценки напряженного состояния горных пород в массиве по результатам испытаний кернов. Для полу­ чения информации при этом могут быть использованы результаты измерений деформаций образцов, скорости ультразвука, изменения объема и др.

грузке образца относительные деформации, измерен­ ные между торцами, на 10—13% меньше относитель­ ных деформаций, измеренных в средней части образ­ цов.

Были поставлены также опыты с измерением дефор­ мации при кратковременной ползучести, длитель­ ностью до 1 ч, на образцах глинистого мергеля. Отно­ сительная деформация, при измерении индикатором часового типа между торцами образца, во время пол­ зучести была на 5—7% меньше относительной де­ формации, замеренной в средней части образца фо­ тотензометром.

Результаты сопоставительных испытаний образцов слабых горных пород на одноосное сжатие с измере­ нием деформаций показали следующее:

модули деформации, определенные при измерении деформации между торцами образца, получаются за­ ниженными на 12—30% по сравнению с модулями де­ формации, определенными при измерении деформа­ ций в средней части образца; наибольшее расхожде­ ние (200—300%) соответствует диапазону нагрузки от 0 до 5—7 кгс/см2;

деформации ползучести, измеренные между тор­ цами и в средней части образца, с достаточной для практики точностью можно считать одинаковыми приотношении высоты образца к его диаметру, равном 2; модули упругости и деформации слабых и пластич­ ных горных пород необходимо определять при измере­ нии деформации в средней части образцов для исклю­ чения погрешностей, обусловленных влиянием торцо­

вых условий.

§ 14. РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ ПОРОД НА ОБЪЕМНУЮ ПРОЧНОСТЬ

ПРИ КРАТКОВРЕМЕННОМ ДЕЙСТВИИ НАГРУЗОК

На объемную прочность были испытаны мел, мер­ гели и глины (табл. 3).

Огибающая кругов Мора почти для всех испыта­ ний типов пород оказалась прямолинейной для иссле­ дуемого диапазона давлений. Как видно из табл. 3, лишь в пяти случаях из 29 огибающая не могла быть представлена одной прямой линией. Для упрощения

f h М / \ К W V W м