Материал: Свойства горных пород при разных видах и режимах нагружения

ведения испытаний образцов на прямое растяжение, но их широкое применение по многим причинам нельзя признать целесообразным. Поэтому большинство известных испытаний горных пород на растя­ жение выполнено с применением явления ’’откола” [21].

Обычно в комплект лабораторной аппаратуры, кроме нагружаю­ щих устройств, входит электронно-измерительная аппаратура.

В динамических испытаниях горных пород при объемном напря­ женном состоянии применяется преимущественно схема нагружения, в которой соотношение между главными нормальными напряжения­ ми имеет вид > о2 = о3 = OQ.

Как правило, методы объемных испытаний отличаются от одно­ осных тем, что образец помещают в камеру вы сокого давления, кото­ рое поддерживается постоянным в течение опыта, а осевые динамиче­ ские нагрузки a, (t) создаются с помощью скоростных прессов или ударными способами.

Так, ВНИМИ [22] разработан скоростной пресс с гидравлическим приводом, позволяющий создавать нагрузки длительностью от 10"' до 10'4 с. Отличительными элементами этого пресса являются гидрав­ лический аккумулятор и быстродействующий клапан. Насосом вы со­ кого давления в аккумуляторе создается давление, несколько боль­ шее необходимого для разрушения образца. После открытия быстро­ действующего клапана рабочая жидкость с достаточно большой ск о ­ ростью (по сравнению со скоростью в обычных прессах) перемещает шток, который передает давление нагружаемому образцу. Гидро­ прессом при é = 10"1-г10+2 с-1 создаются осевые нагрузки до 2*106 Н. Боковые давления в камере высокого давления могут изменяться от 0 до 150 МПа.

А.В. Михалюком [23] разработана экспериментальная аппаратура для создания в образце породы сложного напряженного состояния с импульсным характером изменения всех компонент тензоров на­ пряжений и деформаций. Динамическое нагружение создается ударом свободно падающего груза вертикального копра.

Испытательная рабочая камера представляет собой толстостенный металлический цилиндр с внутренним диаметром 5 -И Г2 м. В зависи­ мости от размеров рабочего пространства камеры и образца, наличия или отсутствия в камере рабочей жидкости в исследуемом образце может быть создан тот или иной вид напряженного состояния. Макси­ мальная ошибка определения параметров состояния образца не пре­ вышает ± 5,1-г 10,8 %.

Заметим, что несмотря на универсальность камеры, метод облада­ ет определенными недостатками: очень строгие требования к разме­ рам образцов; низкая достоверность экспериментальных данных, поскольку составляющие тензоров напряжений и деформаций опреде­ ляются расчетным путем.

В институте ИФЗ АН СССР создана установка гидростатического давления до 500 МПа с передачей осевой нагрузки сжатия на цилинд­ рический образец с заданной скоростью деформации до émax = = 10"4 с"1 при температурах до 200 ° С.

В устройстве для испытания образцов горных пород в условиях трехосного динамического сжатия (И.А, Сарафанов и др., 1972) динамическое воздействие на образец передается через систему ш ток - жидкость (вода, масло) — поршень-образец (помещенный в камере вы сокого давления). Достигаются скорости ниже ударных. Регистра­ ция продольных и радиальных напряжений и деформаций осуществля­ ется с помощью датчиков сопротивления.

Лабораторная методика исследования разрушения хрупких гор­ ных пород при трехосном сжатии (В.Р. Ваверсик, К. Файрхурст, 1970) предусматривает проведение испытаний на жесткой машине со ско­ ростями ё до 10“s с”1 и боковом давлении до 100 МПа с непрерывной регистрацией зависимости о —е.

управляемой машиной; 2) использованием башенного копра; 3) алю­ миниевым снарядом, разгоняемым в стволе пневматической пушки до 300 м/с. Верхний предел давления в системе составляет 4*103 МПа. Цилиндрические образцы породы диаметром 2,9*10“2 м и отношени­ ем высоты к диаметру l/d - 2 при помещении в камеру заключаются в эластичную оболочку. Для регистрации о, е = f ( t ) образцы в сред­ ней части боковой поверхности снабжены шестью тензодатчиками— по три через 120° в продольном и радиальном направлениях. Измене­ ние скорости волны сжатия в трехосной камере также регистрирует­ ся с помощью торцевых датчиков из титаната бария. Для наблюдения скоростей частиц породы и ударной волны в пушке в четырех местах образца вмонтирована индукционная проволока. Образец ориентиро­ ван в магнитном поле таким образом, что проволока перпендикуляр­ на к магнитным силовым-линиям.

Устройство, разработанное Дж. Эрготтом (1971), позволяет испы­ тывать образцы диаметром 76,2 мм при увеличении бокового давле­ ния до 105 МПа в течение 3-г 103 мкс (снятие за 20—104 мкс). Состо­ ит из 5 узлов: системы увеличения давления, системы снятия давле­ ния, камеры, основания и ограничителя движения штока. Динамиче­ ская осевая нагрузка прикладывается к образцу при помощи пневма­ тического цилиндра. Приводятся результаты серии проверочных ис­ пытаний для глинистого алеврита и песчаника.

Аппаратура для создания скоростей деформации 1(Г4 -г102 с-1 (Дж. М. Логан, Дж. Хандин, 1971) включает 100-тонный газовый высокоскоростной пресс, камеру всестороннего сжатия до 8*102 МПа при температурах до 400 0 С, контрольно-измерительные приборы. Осевое напряжение и скорость деформации определяются с помощью тензодатчиков, соединенных с поршнем загружения и зачехленным образцом. Учитываются погрешности, вносимые аппаратурой и по­ правка на изменение площади поперечного сечения образца в процес­ се деформирования.

Испытания в режиме ё = 1,9* 1СГ4 -г 2,4* 1(Г4 осуществлялись

(Дж. Ланкфорд, 1976) при помощи серво-контрольной гидравличе­ ской машины; при ударной скорости деформации è « 103 с-1 — при­ бором Б. Гопкинсона с максимальной скоростью удара 50 м/с. Гид­ ростатическое давление в камере изменялось от 0 до 145 МПа.

Выполненный обзор основных методов динамических испытаний в объемном напряженном состоянии позволяет заключить, что к на­ стоящему времени нет стандартных методов изучения свойств гор­ ных пород при динамических нагрузках. Существующие методы как правило разрабатывались в соответствии с конкретными задачами исследований. Имеющиеся в научных источниках данные о поведении горных пород при различных режимах нагружения не во всех случаях могут быть сопоставлены.

Экспериментальные исследования. В последние годы вопросам исследования закономерностей механического поведения горных пород в условиях объемного напряженного состояния при различных режимах нагружения уделяется все большее внимание.

Условия экспериментов приближаются к моделированию натур­ ных условий залегания пород в зоне влияния выработок, а также моделированию параметров технологических процессов разрушения, т.е. в максимальной степени отвечают необходимости получения полного значения физико-механических свойств пород применитель­ но к решению практических инженерных задач.

Пока обобщающих данных о влиянии сочетания факторов бок о ­ вого давления и скорости нагружения в широком диапазоне их варьи­ рования на механическое поведение многих типов пород не получено.

Вопросам совместного влияния статических и динамических на­ пряжений посвящены немногочисленные работы отечественных и зарубежных исследователей. Выводы относятся в основном к скорос­ тям ползучести, статического нагружения (с включением фактора температуры) и скорости деформации до é = 102 с-1 .

В работах, выполненных в ЛГИ им. Г.В. Плеханова под руковод­ ством А.Н. Ханукаева (1976), на примере нескольких разновиднос­ тей горных пород показано, что динамические напряжения в предва­ рительно напряженной среде действуют вместе со статическими и складываются с ними, т.е. имеет место принцип суперпозиции. Коэф ­ фициент динамического упрочнения, равный отношению прочностей, определенных при динамическом и статическом нагружении, в опы­ тах с предварительным нагружением, как одноосным, так и объем­ ным, близок по величине к его значению без предварительного нагру­ жения. Аналогичный вывод получен ранее У.И. Линдхольмом (1974). Исследования проводились на базальте при скоростях деформации от 10"4 до 10 с"1 и гидростатических давлениях от Одо 70 МПа.

Этот вывод о том, что увеличение прочности от скорости дефор­ мации не зависит от величины всестороннего сжатия, имеет важное значение, так как результаты, полученные при одноосном динамиче­ ском нагружении, могут быть применены для различных напряжен­ ных состояний, особенно если учесть сложность и трудоемкость про­ ведения таких опытов. Но он противоречит ряду работ, в которых

указывается, что боковое давление оказывает более сильное влияние на прочность, нежели скорости деформации.

Результаты испытаний 12 разновидностей горных пород приведе­ ны в работе ВНИМИ [22]. Условия экспериментов охватывали напря­ женные состояния одноосного и трехосного неравномерного сжатия при гидростатическом давлении до нескольких десятков тысяч МПа и вариации скорости деформации в пределах 12 десятичных поряд­ ков, до é = 102 с-1. Зависимости пределов прочности и упругости в заданных условиях представлены в координатах lg é — т, где т — на­ пряжения сдвига. Используя полученное уравнение предельных на­ пряженных состояний

т(в) = т0 ( è ) e A C ,

где т0 (ё) и А — константы материала при данной скорости деформа­ ции; С — параметр напряженного состояния. Для анализа эксперимен­ тальных данных А.Н. Ставрогин и Е.Д. Певзнер (1976) установили, что коэффициент А по физическому смыслу соответствует углу внутреннего трения и практически не зависит от ё, а сцепление т0 (ё) существенно изменяется. На основании этого предложены упрощен­ ные способы напряженного состояния, скорости деформации и по­ строения паспортов прочности с учетом влажности.

Следует однако отметить, что для кривых предельных напряжен­ ных состояний, полученных Н.Н. Павловой (1975) в аналогичных условиях испытаний, имеет место увеличение их крутизны, а значит и угла внутреннего трения с ростом ё.

Зависимости прочности горных пород от скорости деформации

растанием ё может увеличиваться или уменьшаться, в зависимости от структурного состояния и состава породы.

Испытания (В.Р. Ваверсик, К. Фаирхурст, 1970) на жесткой ма­ шине со скоростями ё до 10-5 с-1 и боковым давлением до 100 МПа образцов диаметром 0,05 м и высотой 0,10 м из мрамора, гранита, базальта, каменной соли и известняка показали, что прочность возрас­ тает с увеличением бокового давления; начало отклонения от упру­ гости практически от него не зависит. Отмечено расхождение резуль­ татов эксперимента с выводами известных теорий прочности.

Исследованиями на образцах песчаника диаметром 0,05 м и дли­ ной 0,125 м, величине боковой нагрузки от 17 до 140 МПа и скорос­ ти деформации 2,5х10~3, 2,5 xl0‘ s и 2,5х10“7 с-1 установлено (К.М. Зангх, Р.К. Дир, 1975), что скорости деформации оказывают наибольшее влияние на прочность песчаника только при небольшом боковом сжатии. Указанные боковые давления на величину прочно­ сти не влияют.

Исследования поведения пород при изменении скоростей дефор­ мации от 10“s до 10~7 с"1 на образцах кубической формы со стороной грани 0,05 м (туф, песчаник) и 0,10 м (цемент) проводилось (Т. Кавамото и Ф. Саито, 1974) в режимах: 1) одноосное сжатие с é = const;

2)двухосное сжатие с различными скоростями по разным осям;

3)трехосное сжатие; 4) релаксационные трехосные испытания. При­ менялся жесткий режим испытаний, определялись упругие характе­ ристики до и после разрушения. Прочность испытанных образцов увеличивалась с увеличением скорости, но деформация, соответству­ ющая максимальной разрушающей нагрузке, оставалась постоянной: для цемента — 0,40 %, для туфа — 0,76 %, для песчаника — 0,78 % от общей (с учетом запредельной) деформации.

Количественное изменение прочности цилиндрических образцов

диаметром 1 2 -10"2 м и высотой 2 -г 4 -10~2 м известняка, песчаника и диорита при давлении 0—140 МПа и скоростях é = (10“5 -г 10“ 1) с-1 при £ = 25° С, описанное в работе С. Серденгекти и Дж.Д. Бузера [24], выглядит следующим образом. При одноосном давлении и рос­ те скорости деформации в указанном интервале прочность увеличи­ валась незначительно — на 15 % у известняка и песчаника и на 30 % у диорита; с увеличением бокового давления до 140 МПа при е = const прочность увеличивалась более интенсивно как при низких (стандарт­ ных) скоростях, так и при более высоких — у песчаника и диори­ та ~ в 4 раза, известняка — в 1,6 раза. При высоких боковы х давле­ ниях влияние скорости деформации на изменение прочности очень мало, не превышало 20 % (у песчаника). Приводится уравнение меха­ нического состояния известняка, относящееся к исследованному диапазону параметров (скорости деформации, давления, темпера­ туры) .

Результаты изменения прочности при трехосных испытаниях полу­ чены К.О. Хакалекто (1970) для статических скоростей нагружения образцов гранита, базальта и туфа в диапазоне 7 •10“3 МПа с-1 -г -г 15,8 МПа с-1, что соответствует ê «s 10'7 -г 10-4 с-1 . Установлено уве­ личение прочности и модуля упругости с ростом é и аб . Для исследо­ ванных скоростей боковое давление оказывало большее влияние, чем скорость 6. Для коэффициента Пуассона определенной законо­ мерности изменения от факторов og и é не получено. Применен крите­ рий Мора для описания трехосного разрушения базальта и гранита при низких давления.

Дж.М. Логан и Дж. Хандин (1971) исследовали поведение цилинд­ рических образцов (d= I = 2-1СГ2 м) известняка и гранита в услови­ ях трехосного сжатия в диапазоне изменения осевой скорости дефор­ мации (10~2 -г 10) с-1. Квазидинамические испытания проведены при давлении до 7 •102 МПа. Гранит деформировался при ag до 7* 102 МПа, комнатной температуре и скоростях é = 10-2 -г 1 с"1. Обнаружено возрастание предельной прочности при увеличении давления при

é= const примерно в 6 раз. Прочность увеличивалась при возрастании

éи аб = const на 60—80 %. Доминирующей являлась хрупкая дефор­ мация. Образцы известняка деформировались при аб до 3-102 МПа,