книги / Экспериментальная физика и механика горных пород

клиньев 3 и S, которые нагружают и деформируют образец. Пере­ мещение корпуса щдродомкрата сопровождается падением давле­ ния в ресивере вследствие увеличения объема рабочего простран­ ства камеры гидродомкрата, куда перетекает жидкость из ресиве­ ра. После перехода нагрузки через предел прочности образца упорный винт 5 сдерживает перемещение клина 3 и не позволяет энергии сжатой жидкости, находящейся в ресивере и гидродомк­ рате, выделиться и разрушить образец. Для того чтобы на запреде­ льной стадии деформации образца в гидросистеме содержался ми­ нимальный избыток упругой энергии, объем ресивера и давление рабочей жидкости в нем подбираются таким образом, чтобы при перемещении корпуса гидродомкрата падающее в нем давление развивало усилие на образце, соответствующее снижающейся не­ сущей способности образца.

Такая ситуация отображена на рис. 1.9, б, где кривая OBD представляет собой полную диаграмму нагрузка — деформация образца, а кривая ABD соответствует характеристике усилия пресса, которое он может развить за счет давления, подаваемого из ресивера в гидродомкрат. Зависимость ABD в данном случае представлена непрямолинейной, поскольку здесь учтена также упругая энергия, запасаемая в нагруженных элементах пресса на пределе прочности образца. Эта энергия определяется характе­ ристикой жесткости силовых элементов конструкции. Для полу­ чения ситуации с отображенным на графике соотношением си­ ловых характеристик образца и нагружающей системы объем V ресивера и начальное давление Р в нем должны удовлетворять следующим соотношениям:

V = nSd(A -F m/C )/$ P ,

P = Fm(A -F n /C )/S d(A ,-F m/C)n,

где С — жесткость конструкции; Sd— площадь поршня гидродом­ крата; Р — сжимаемость рабочей жидкости; А — полная абсолют­ ная деформация образца; А3 — абсолютная запредельная деформа­ ция образца; Fm— максимальная нагрузка на образце; п — пере­ даточное отношение перемещения и усилия через клин.

Поскольку коэффициент сжимаемости жидкости является функ­ цией давления, в оценочных расчетах величины V следует пользо­ ваться усредненным его значением. Деформационные и прочност­ ные параметры образца, необходимые для расчета, в первом опыте принимаются предположительные, а в последующих эксперимен­ тах уточняются.

Данный вариант пресса имеет преимущества по сравнению с опи­ санным выше при изучении акустической и электромагнитной эмиссии горных пород в процессе деформации и разрушения, по­

21

скольку в нем исключена возможность помех, связанных с работой гидравлического насоса. Пресс легко поддается автоматизации про­ цесса нагружения с заданной скоростью деформации образца. Раз­ работанный авторами пресс данной конструкции и использованный при проведении экспериментальных исследований был рассчитан на максимальные усилия до 150 кН. Показатель жесткости у него был несколько ниже, чем у предыдущего варианта. Другие парамет­ ры и габариты пресса, а также методы регистрации деформации и усилия были аналогичными с вариантом 1.

1.2.3. Жесткая установка для испытания материалов в условиях объемного сжатия

На описанном выше принципе авторами созданы жесткие уста­ новки для испытания образцов в условиях трехосного неравноком­ понентного сжатия типа с?! > с 2 = о г [92, 106, 112]. На рис. 1.10 приведены принципиальная схема (а) и внешний вид одного из ва­ риантов жесткой установки объемного сжатия.

Установка состоит из жесткой монолитной рамы 1, камеры высо­ кого давления (рабочей камеры) 4, источника давления 3 и гидроме­ ханического привода. В рабочей камере между штоком 2 и динамо­ метром 8 размещают испытываемый образец 5 в гидроизоляционной рубашке с закрепленными на нем датчиками продольной и попереч­ ной деформаций. Давление в камере создается техническим маслом с низким коэффициентом вязкости. Для поддержания постоянства давления врабочей камере при вдвижении внее штока 2 во время на­ гружения образца полость рабочей камеры связана трубопроводом 13 с полостью 15 компенсационной камеры, вынесенной за пределы рамы пресса и расположенной в корпусе 10. Измерительные элект­ роприводы вводятся в камеру через электрод 6.

Нагружение образца с помощью гидромеханического привода может осуществляться в двух режимах. Первый режим обеспечива­ ет повышенную жесткость (1010 Н/м) и применяется при испыта­ нии хрупких материалов в условиях, близких к одноосному сжа­ тию (боковое давление а в пределах от 0 до 10 МПа). Второй ре­ жим нагружения применяется при более высоких боковых давлениях вплоть до 300 МПа. Во втором режиме нагружающее устройство обеспечивает создание больших нагрузок (до 2000 кН) и значительных продольных деформаций (до 20 мм), требования же к жесткости нагружения ввиду роста пластических свойств ис­ пытываемого образца снижаются.

Гидромеханический привод, служащий для обеспечения первого режима нагружения, содержит нагружающую самотормозящуюся клиновую пару 11, 12, пздродомкрат 9, связанный трубопроводом

22

Рис. 1.10. Принципиальная схема (а) и внешний вид (б) жесткой установки трехосного сжатия.

17 с источником 21 порциалыюй подачи жидкости в гидродом­ крат (пульсатором), а также механизм осадки штока гидродомкра­ та 9, состоящий из клиновой пары 7 с грузом 18 и плунжера 14.

Нагружение образца с помощью этого гидропривода осуществ­ ляется следующим образом. Нагрузка на образец, передаваемая клиновой парой 11, 12, создается гидродомкратом 9. Для того что­ бы в гидродомкрате не происходило накопление упругой энергии сжатой жидкости, снижающей жесткость нагружающей системы, подача рабочей жидкости в него осуществляется дозированными порциями с помощью пульсатора. После каждой порции и соот­ ветствующего перемещения цилиндра гидродомкрата 9 и клиновой пары 11,12 давление в гидродомкрате сбрасывается до нуля. Тре­ ние в самотормозящейся клиновой паре 11,12 позволяет при этом сохранить достигнутые на образце нагрузку и деформацию, а кли­ новая пара 7 и плунжер 14 полностью вытесняют жидкость из по­ лости гидродомкрата 9, перемещая шток его до упора в дно корпу­ са гидродомкрата. Каждый новый нагружающий импульс подается в пустой гидродомкрат с объемом камеры, уменьшенном до нуля. Таким образом, минимального объема рабочей жидкости (равного объему одного нагружающего импульса) достаточно для развития любой деформации на образце. Каждый акт вытеснения порции рабочей жидкости из гидродомкрата сопровождается перемеще­ нием плунжера 14, в результате чего увеличивается объем компен­ сационной камеры 15, в которую перетекает жидкость из рабочей камеры 4, вытесненная штоком 2. Давление в рабочей камере при этом сохраняется постоянным, так как соотношение внутренних диаметров рабочей и компенсационной камер равно передаточно­ му отношению нагружающей клиновой пары.

Для обеспечения второго режима нагружения служит пздродомкрат 19, закрепленный на раме пресса и связанный трубопроводом 20 с пульсатором 21. Шток 16 гидродомкрата через прорезь в клине 12 упирается в клин 11. Работа по второму режиму нагруже­ ния может осуществляться при снятой клиновой паре 7. В этом случае необходимо перекрыть трубопровод 17. Пульсирующая по­ дача рабочей жидкости в пздродомкрат 19 осуществляется пульса­ тором 21. При подаче порции жидкости в пздродомкрат усилие через шток 16 и клин 11 передается на камеру 4 и происходит де­ формация образца. Одновременно клин 12 под действием плунже­ ра 14 перемещается, сохраняя контакт с клином 11 по клиновой поверхности. При сбросе давления в гидродомкрате до нуля уси­ лие, достигнутое на образце, сохраняется за счет опоры клина 11 на клин 12. В момент, когда давление в гидродомкрате отсутству­ ет, дополнительный привод (не показанный на рисунке), вкручи­ вая цилиндр 19 гидродомкрата в корпус 1 пресса, полностью вы­ тесняет жидкость из гидродомкрата, уменьшая рабочий объем его

24

камеры до нуля. Это происходит после каждого нагружающего импульса, поэтому даже при больших деформациях образца объем жидкости в гидродомкрате остается постоянным и имеет минима­ льное значение, определяемое объемом порции жидкости одного нагружающего импульса. Новый нагружающий импульс рабочей жидкости под давлением поступает в пустой гидродомкрат с пол­ ностью выбранным паразитным объемом.

Как для первого, так и для второго вариантов нагружения, под­ бирая объем порции жидкости каждого рабочего импульса и час­ тоту пульсации, можно регулировать плавность нагружающего процесса и скорость деформации. Максимальная скорость дефор­ мации, достигаемая на этой установке, составляет около 10_3 с -1. В сторону меньших скоростей деформирования процесс можно менять на несколько десятичных порядков. Погрешности измере­ ния продольной и поперечной деформаций образца не превышают 1 %, погрешности измерения усилия около 3 %.

Показатель жесткости пресса при разных режимах нагружения составляет от 0.5 • 1010 до 1010 Н/м. Максимальное гидростатиче­ ское давление вкамере 300 МПа. Максимальное осевое усилие, раз­ виваемое прессом 2000 кН. Габариты пресса 800x400x400 мм.

Установка снабжена устройствами, позволяющими изучать акус­ тические и фильтрационные свойства горных пород при разных уровнях бокового давления и в процессе деформации до предела и за пределом прочности, регистрировать изменение объема тре- щинно-порового пространства в образце при деформации, иссле­ довать влияние величины порового давления на механические ха­ рактеристики. При проведении экспериментов с повышенной тем­ пературой внутри камеры высокого давления располагается также нагревательный элемент.

Как уже говорилось, в случае исследования пород с отрицатель­ ным коэффициентом запредельной ветви диаграммы А/* = dPId&l даже в абсолютно жестких нагружающих системах необходимо ис­ пользовать севоконтролирующие устройства. В работах [105, 107] описаны механические приспособления, позволяющие до минимума снизить время реакции исполнительного органа, сбрасывающего на­ грузку с образца, при поступлении сигнала от следящей системы.

1.2.4. Установка высокого давления пропорционального (простого) и сложного

путей нагружения

Установка позволяет получать давления в гидравлической каме­ ре до с 2 = а 3 = 1000 МПа и осуществлять исследования в классе напряженных состояний c t > с 2 = а 3. Максимальное осевое уси­

25

лие, развиваемое прессом, составляет 1000 т. На установке осуще­ ствляется два пути нагружения [67, 101].

1.Пропорциональное (или простое — по классификации

А.А. Илюшина) нагружение, когда отношение между боковой компонентой давления на образец с 2 = а 3 и осевой компонентой а j задается в начале эксперимента постоянным и таким остается

на протяжении всего опыта (С = a 2/ c l = const).

2. Сложное нагружение, когда на образец сначала воздействуют всесторонним давлением Gx= G 2 = G39a затем осевое сжатие осу­ ществляют под постоянным, заданным в начале опыта, давлением а 2 = а 3 (схема нагружения Т. Кармана).

Принципиальная схема установки и ее внешний вид показаны на рис. 1.11. Опыт с пропорциональным нагружением образца осу­ ществляется по следующей схеме. Образец 1 помещается в гидрав­ лической камере 2, где источником давления Нхсоздается давле­ ние а 2 = а 3. Осевое напряжение Gxв образце осуществляется гид­ равлическим домкратом 3 автоматически, поскольку камера 2 и полость 13 гидродомкрата 3 соединены между собой каналом 14. Таким образом обеспечивается постоянное соотношение С = с 2/с г во всем диапазоне нагрузок. Изменение параметра С в других опы­ тах достигается набором сменных домкратов 3 с разными диамет­ рами поршня 5 (dvario). Параметр С = о 2/о 1 может изменяться в опытах от С = 1 при гидростатическом давлении до С = 0 при од­ ноосном сжатии, когда с 2 = ст3 = 0. Величина параметра С зависит от соотношения диаметра dxверхнего поршня 4, диаметра образца d2 и диаметра поршня rfvano в нижнем нагружающем щцродомкрате. Параметр С находится из выражения

(1.3)

Величина параметра С может быть определена без учета сил трения в уплотнениях поршней 4 и 5. Эта погрешность учитывает­ ся упругим тензометрическим динамометром 6, помещенным в ка­ мере высокого давления 2 и измеряющим компоненту осевого на­ пряжения о Р Давление с 2 = а 3 регистрируется манометром. Уста­ новка после помещения в ней образца вдвигается в жесткую силовую раму, которая воспринимает внешнее усилие, развивае­ мое гидродомкратом 3. Силовая рама на схеме изображена услов­ но в виде наклонной штриховки на опорах снизу и сверху. Таким образом, при пропорциональном нагружении опыт осуществляется с помощью одного источника давления. В случае равенства диа-

26

метров rf, = dymo создаваемое в камере давление а 2 будет действо­ вать на образец как гидростатическое, так как параметр С в этом случае будет равен единице.

При равенстве диаметров d: = rfvari0 на установке осуществляется сложное нагружение с помощью щцродомкрата 7, питаемого от второго источника давления Я 2. Корпус гидродомкрата 3 в цилинд­ ре 7 выполняет роль поршня. Полость 13 над поршнем 5 в этом случае играет роль компенсационной камеры, которая позволяет сохранять постоянное давление с 2 = ст3 в камере 2, так как вдви­ гаемый в камеру плунжер 4 при деформации образца вытесняет ра­ бочую жидкость в компенсационную камеру, объем которой равен объему вытесненной из камеры 2 жидкости.

Продольная и поперечная деформации образца измеряются дат­ чиками 8 и 9. На установке можно изучать фильтрационные свой­ ства деформируемых образцов и влияние порового давления. Под­ вод флюида внутрь образца осуществляется через отверстия в под­ пятниках 10 с помощью капиллярных стальных трубок 11 и 12, которые выведены наружу через каналы в штоке 4. Установка по­ зволяет также проводить исследования процессов акустической эмиссии, измерения скорости прохождения ультразвуковой волны и электрического сопротивления образца.

Электрические вводы в камеру 2 осуществляются через каналы, сделанные в штоке 4 (на схеме не показаны).

Давление рабочей жидкости в камере до значения 200 МПа осу­ ществляется гидравлическим насосом, давление в диапазоне от 200 МПа до 1000 МПа создается с помощью мультипликатора (усилителя) давления, смонтированного в отдельной силовой ра­ ме. При проведении экспериментов при повышенных температу­ рах давление в камере осуществляется инертным газом (азотом).

1.3. Результаты экспериментальных исследований механических свойств

горных пород до предела и за пределом прочности в широком диапазоне видов напряженного состояния и путей нагружения

1.3.1. Экспериментальные исследования влияния вида напряженного состояния

на механические характеристики горных пород

Диаграммы «напряжение—деформация» являются основным экспериментальным материалом, который подвергается дальней­ шему анализу с целью получения более полной информации о ме­ ханических свойствах исследованных материалов. На рис. 1.12

28

представлена типичная полная диаграмма «напряжение—дефор­ мация», получаемая при испытании образца горной породы на

координаты характерных точек на диаграмме. Обозначения, при­ нятые на рис. 1.12, будут использованы в дальнейшем.

Рис. 1.12. Типичная диаграмма «напряжение—деформация» для горных пород.

Aof — дифференциальное осевое напряжение на пределе упругости; До," — дифферен­ циальное осевое напряжение на пределе прочности; Aaj** — дифференциальное осевое напряжение на пределе остаточной прочности; е,у и г у2 — упругие продольная и попереч­ ная деформации на пределе упругости; е," и е; — продольная и поперечная деформации на пределе прочности; ej и е’ — продольная и поперечная деформации на ниспадающем участке за пределом прочности; £{** и ej" — продольная и поперечная деформации на участке остаточной прочности; е|,оин и е"0™— полные продольная и поперечная деформа­ ции образца; Де" и AeJ — необратимые продольная и поперечная деформации на пределе прочности; Де, и Де2 — необратимые продольная и поперечная деформации в произволь­ ной точке диаграммы; Е = dAol/del — модуль упругости (Юнга); М - l*/Aa,/dz\ — мо­ дуль ниспадающей (запредельной) ветви диаграммы; v = еу/еу — коэффициент Пуассона; р = Де2/Ае, — коэффициент необратимой поперечной деформации. /, //, III — участки диаграммы АВ, ВС, CD, где развивается процесс необратимого деформирования: I — от предела упругости до предела прочности, II — от предела прочности до предела остаточ­ ной прочности, III— на остаточной прочности. Позднее будет проведен анализ деформа­

ционного процесса на этих участках.

При испытании образцов в начале нагружения проходим об­ ласть упругих деформаций, описываемую законом Гука. Наклон прямолинейного участка диаграммы характеризуется модулем Юн­ га Е. После достижения предела упругости Д о[ в материале накап­ ливаются необратимые деформации. После перехода через предел

29

прочности наступает область запредельного (за пределом прочно­ сти) деформирования, которая продолжается до достижения пре­ дела остаточной прочности Д а10СТ. Запредельная ветвь диаграммы часто имеет прямолинейный характер, наклон прямой характери­ зуется модулем спада М.

Рассмотрим реальные диаграммы с 1— £j— е 2 для серии горных пород, полученные при испытании образцов в условиях одноосно­ го сжатия (рис. 1.13) [78, 92].

Рис. 1.13. Полные диаграммы «напряжение—деформация» для серии горных пород, испытанных при одноосном сжатии.

1 — мрамор (Коелга); 2 — биотитовый гранит (Карелия); 3 — биотитовый плагиогранит (Южуралзолото); 4 — песчаник 1 (Донбасс); 5 — плагиогранит (Южуралзолото); б — диабаз (Братская ГЭС); 7 — талькохлорит (Сегозеро); 8 — песчаник 2 (Донбасс); 9 — роговик магнетито-гемотитовый (Урал); 10 — руда магнетито-гемотитовая (Урал); 11 — альбинит (Урал).

30