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

расчетов в этом случае огибающую представляли не' сколькими, чаще всего двумя прямолинейными отрез­ ками. Типичные паспорта прочности для некоторых ис­ пытанных типов пород изображены на рис. 22. Уравне­ ние огибающей кругов Мора (для одной прямолиней­ ной огибающей) выражается формулой

кгс/см2; с —сцепление, кгс/см2; а — нормальное напря­

среза по наклонной площадке (рис. 24). Момент раз­ рушения отчетливо фиксируется по резкому падению стрелки манометра и осевого давления. При больших боковых давлениях (Ü2=1004-150 кгс/ см2) образец при­ нимает бочкообразную форму (см. рис. 24), плоскость среза визульно не наблюдается. Момент разрушения образца фиксируется по остановке стрелки манометра осевого давления, что указывает на пластический ха­ рактер деформирования породы.

Торцовые условия при испытаниях на объемное сжатие: два-три слоя клея № 88 и бумажная проклад­ ка одинакового с образцом диаметра.

Для методических исследований были проведены испытания образцов слабых пород в стабилометре с различными торцовыми условиями: смазка торцов, сухое трение, контакт с напряженными прокладками для создания в материале образца однородного на­ пряженного состояния и др. Большое внимание уде­ лялось предотвращению проникновения масла на то­ рец образца. Образцы для испытаний брались с .от­ ношением h/d = 0,8 г 2. При испытании образцов с на-

Рнс. 24. Характер разрушения образцов мергеля при объемном испытании:

а. 6 — а«=5 к г с / с м 2; в, г —оа=Ю0 кгс/см2

пряженными прокладками, аналогичных по своей кон­ струкции изображенным на рис. 7, сцепление и угол внутреннего трения оставались постоянными при лю­ бом отношении hid. Интересно отметить, что при таких испытаниях разрушение образцов во многих случаях, как и при одноосном сжатии, носило характер разрыва по вертикальным плоскостям. Иногда характер раз­ рушения был комбинированным (сдвиг и отрыв). По­ следний случай характерен для некачественной задел­ ки торцов образца.

Результаты испытаний образцов пород с другими торцовыми условиями показали, что показатели объем­ ной прочности при отношении h/d = 2 близки к показа­ телям объемной прочности при однородном напряжен­ ном состоянии образца. Поэтому при испытаниях в стабилометрах целесообразно применять для обеспече­ ния точности испытаний отношение h/d—2.

Наблюдавшиеся случаи разрушения образцов при объемном сжатии в виде отрыва по вертикальным плоскостям не подтверждают основного положения теории Мора, по которой разрушение должно проис­ ходить путем среза по наклонной площадке при оп­ ределенных комбинациях нормальных и касатель­ ных напряжений. Учитывая также результаты испыта­ ний на одноосное сжатие, можно предположить, что круг Мора, соответствующий пределу прочности породы на одноосное сжатие при однородном напряженном состоянии образца, должен пересекать ось т. Его диа­ метр равен сумме отрезков, соответствующих значе­ нию предела прочности на сжатие и значению растяги­ вающих напряжений, вызывающих разрушение образ­ ца. Поскольку математический аппарат, уточняющий теорию Мора, в настоящее время еще не разработан, при обработке результатов испытаний иа объемное сжатие использована теория Мора в ее классической интерпретации.

Метод испытаний в стабилометрах позволяет по­ лучить наиболее достоверные данные о показателях объемной прочности горных пород. Недостатками это­ го метода являются необходимость в сложной испыта­ тельной аппаратуре и относительно большая трудо­ емкость проведения испытаний. Автором и А. А. Гро­ хольским разработан и проверен иа некоторых сла­ бых породах упрощенный метод определения показа­ телей объемной прочности, заключающийся в испыта­ нии на одноосное сжатие образцов пород с разным (от 0,3 до 2) отношением высоты h образца к его ди­ аметру d с сухим трением по торцам или с жесткой заделкой торцов в обоймы. Чем меньше это отноше­ ние, тем больше прочность образца, материал которо­ го при данных торцовых условиях находится в объем­ ном напряженном состоянии. Таким образом, резуль­ таты испытаний «низких» образцов аналогичны ре­ зультатам испытаний «высоких» образцов при опре­ деленном боковом (эквивалентном) давлении. Ана­ лиз результатов испытаний не позволяет на данном этапе исследований вывести конкретную формулу для определения бокового эквивалентного давления при испытаниях различных горных пород. В общем виде эта зависимость имеет вид

ды на одноосное сжатие; о'сж— прочность образца на сжатие с любым (от 0,3 до 2) отношением h/d, кгс/см2; а«к— прочность на одноосное сжатие образца с отно­ шением h/d=2 кгс/см2.

При каждом испытании «низкого» образца на од­ ноосное сжатие определяются максимальное главное напряжение а'сж, равное прочности на сжатие испытан­ ного образца, и минимальное главное напряжение а'2, равное вычисленному значению эквивалентного боко­ вого давления. Каждая пара напряжений (о'сж и а'2) рассматривается как пара разрушающих (предельных) главных напряжений, по значениям которых строится предельный круг Мора. После построения кругов Мора для всех образцов, испытанных с разным отношением h/d, и построения огибающей этих кругов определяют­ ся показатели объемной прочности породы: сцепление С и угол внутреннего трения ср.

Разработанный метод может найти применение для лабораторных н натурных испытаний горных пород, а также при исследованиях объемной ползучести горных пород.

§15. РЕЗУЛЬТАТЫ ДЛИТЕЛЬНЫХ ИСПЫТАНИЙ ПОРОД НА ОБЪЕМНУЮ ПРОЧНОСТЬ

Для трех пород (мел, мергель мелоподобный и гли­ на каолинито-гидрослюдистая) были проведены де­ тальные исследования изменения угла внутреннего трения и зависимости сцепления от длительности ис­ пытания. Режим испытаний заключался в ступенчатом нагружении образца осевым давлением при постоян­ ном боковом давлении (см. рис. 15). Результаты этих испытаний показали, что интенсивное уменьшение сцепления слабых пород происходит в первые 20—30 ч испытаний: для мелоподобного мергеля уменьшение коэффициента сцепления за это время составляет 55%, для мела 31 % и для глины 26%. При увеличении длительности испытания интенсивность уменьшения сцепления затухает: за 70 ч (в диапазоне 30—100 ч)

уменьшение сцепления у мелоподобного мергеля со­ ставляет 13,5%, у мела 11,5% и у глины 13%. При увеличении длительности испытания от 100 до 150 ч изменение сцепления было незначительным.

Угол внутреннего трения данных пород при дли­ тельных объемных испытаниях практически не изме­ няется и остается равным углу внутреннего трения при кратковременных испытаниях [68]. Некоторое из­ менение угла внутреннего трения (для мелоподобно­ го мергеля и мела — увеличение, для глины—-умень­ шение) наблюдалось только в первые 5—20 ч испыта­ ния.

Режим длительных объемных испытаний остальных пород был выбран с учетом результатов приведенных выше испытаний мергеля, мела и глины. Автоматиче­ ское устройство установки для длительных объемных испытаний было настроено на длительность испытания, равную 100—150 ч. Результаты испытаний, соответст­ вующие данной длительности, приведены в табл. 3 и на рис. 25, из которого видно, что огибающая кругов Мора при длительных испытаниях не изменяет своего наклона (угол внутреннего трения остается постоян­ ным) и смещается вниз параллельно огибающей кругов Мора при кратковременных испытаниях. Это обстоя­ тельство в значительной степени упрощает получе­ ние характеристик объемной прочности при длитель­ ном режиме испытаний, так как отпадает необхо­ димость в проведении сложных и трудоемких длитель­ ных объемных испытаний. Для определения характе­ ристик длительной объемной прочности слабых горных пород можно использовать следующие выражения:

Со, с„ — сцепление соответственно при кратковремен­ ном и длительном испытании.

Формулы (7) и (8) получены из простейших гео-

Рис, 25. Паспорта прочности слабых горных пород при дли­ тельном испытании:

а — мергель глинистый; 6 — глина; s — глина; г — мергель мелоподоб­ ный

метрических преобразований (рис. 26) с учетом парал­ лельности огибающих, соответствующих разной дли­ тельности испытаний.

Для получения показателей длительной объемной прочности слабых пород (сцепления и углов внутрен-

Рис. 26. Паспорт прочно­ сти слабых горных пород при кратковременном 1 и при длительном 2 дейст­ вии нагрузок

него трения) необходимо провести кратковременные

объемные испытания пород (например, в стабилометре) и определить предел

длительной прочности на одноосное сжатие.

Интересно отметить, что постоянство утла внутреннего трения на­ блюдается при дли­ тельных испытаниях различных горных по­ род. В работе |[75] отме­ чалось, что с увеличе­ нием скорости нагруже­ ния крепких пород сцепление.увеличивает­ ся, а угол внутреннего

трения остается постоянным. В работах і[48, 76] приве­ дены результаты исследования влияния времени на состояние глинистых откосов. При длительном дейст­ вии нагрузок угол внутреннего трения не изменяется, а сцепление уменьшается.

Анализ результатов испытаний и данных петро­ графического анализа показал, что длительные проч­ ностные характеристики пород существенно зависят

от совместного влияния влажности W и пористости п пород. Влажность и пористость подавляют влияние вещественного состава пород и разного количествен­ ного содержания глинистого минерального остатка, не растворимого в слабой соляной кислоте. В табл. 4 и на рис. 27 приведены результаты такого анализа. Отноше­ ние длительной и кратковременной прочности на одно­ осное сжатие (ате/агж) зависит от отношения влажно­ сти пород и их пористости (Win). Чем больше влага заполняет поры образца, тем меньше становится от­ ношение о оо/°сж . В образце, поры которого полностью заполнены водой, должно было бы выполняться нера­ венство Однако при определении естественной влажности и пористости на нескольких образцах это отношение получилось больше единицы. Объясняет­ ся этот факт, по-видимому, методикой определения пористости на высушенных образцах и в возможном набухании образцов пород при увлажнении с измене­ нием объема породы. Установленная корреляционная

ства испытанных пород.

Для приближенного определения предела длитель­ ной прочности слабых пород, на основании установ­

где а;», асж— предел прочности на одноосное сжатие соответственно при длительном и кратковременном испытании, кгс/см2; W — влажность породы, %; п — пористость породы, %.

Подставляя выражение (9) в формулу (8), полу­ чаем

Для определения показателей длительной объем­ ной прочности необходимо испытать породу на объем­ ную прочность при кратковременном действии нагру­ зок, на одноосное сжатие, вычислить влажность и по­

ристость породы. Длительные испытания при этом исключаются.

Для глин, глинистого и алевритового мергеля при влажности, превышающей 22—23%, угол внутреннего трения составляет 2—5° (среднее значение ф0~3,5°). Для данных пород (с учетом влажности и среднего уг­ ла внутреннего трения) можно рекомендовать следу­ ющие выражения:

Формулы (11) и (12) рекомендуется использовать для приближенного определения показателей объемной прочности слабых горных пород при влажности, пре­ вышающей 22—23%. При этом не требуется прово­ дить ни кратковременных, ни длительных объемных испытаний.

Анализ результатов испытаний на длительную объ­ емную прочность позволяет для слабых горных пород дать следующие обобщенные соотношения между проч­ ностиыми показателями:

Для соотношений (9) —(14) сохраняется установ­ ленная выше закономерность в отношении постоянст­ ва угла внутреннего трения:

<?о = ® оо.

§ 16. РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ ПОРОД НА ПОЛЗУЧЕСТЬ

Результаты испытаний представлялись в виде за­ висимостей деформаций ползучести от длительности нагружения для каждой ступени нагрузки.

Длительность испытаний образцов слабых горных пород на ползучесть составляла 1,5—2,5 месяца, что обычно достаточно для построения реологической мо­ дели и определения ее параметров. Одновременно ис­ пытывали 18—27 образцов одной породы на разных