Материал: Свойства горных пород при разных видах и режимах нагружения

/ !

1— m — гт т \

Рис. 5.2. Камера высокого давления для динамических испытаний образцов горных пород

статическом напряженном состоянии и осевом динамическом нагру­ жении на сжатие.

В корпусе 1 устанавливается образец горной породы 2 с передним захватом — волноводом 3 и задним 4, предварительно сцентрирован­ ные по оси с образцом и скрепленные между собой эпоксидной смо­ лой в специальном устройстве. Образец 2 с захватами-волноводами вставляется в расточку корпуса 1 камеры, где центрируются по диа­ метру переднего захвата 3. Провода от тензодатчиков при сборке за­ водятся предварительно через боковое отверстие камеры (на рис. 5.2 не показано), подпаиваются к контактам токоввода с внешней сторо­ ны и токоввод крепится к порпусу камеры. Провода, идущие к конт­ рольно-измерительной аппаратуре, также подпаиваются к контактам токоввода с внешней стороны.

Далее заводится в камеру сборка, состоящая из деталей: сфериче­ ской шайбы 5, цангового держателя 6, заднего волновода 7 с наклеен­ ными на нем датчиками, опорной втулки 8 со специальными комби­ нированными уплотнениями. Втулка 8 имеет токоввод для подпайки проводов от датчиков, расположенных на волноводе 7.

Образец 2 с передним волноводом 3 и сборкой 5, 6, 7, 8 плотно поджимается гайкой 9 с целью выбора зазоров. Резьба гайки 9 одно­ временно предохраняет от разрушения образец 2 при установке крышки 10 и затяжке ее болтами.

На переднем захвате — волноводе 3 образца 2, обращенном к стволу газовой установки, также установлен тензодатчик. Провода от этого датчика выводятся через фрезеровку в корпусе 1 камеры и далее защищаются кембриковой трубкой 11 от действия газов. Утол­ щенная шлицеобразная часть переднего захвата-волновода 3, обра­ щенная к газовой установке, вместе с конической втулкой 12 образу­ ют гидротормоз в момент разрушения образца, благодаря наличию между ними масла. Для разгрузки камеры, гашения энергии и исклю­ чения повышения давления масла в момент разрушения образца на корпусе 1 установлена уширительная камера 13.

Камера устанавливается на катках 15, оси которых связаны с дву­ мя амортизаторами 16 с резиновыми вкладышами. Амортизаторы 16 закреплены на металлическом стволе 1 7, на которой катками опира­ ется камера высокого давления и газовая установка.

Направляющий фланец 13 связывает ствол газовой установки с камерой высокого давления и центрирует ось ствола установки с осью образца. Между стволом и камерой установлена вставка — обтю ­ ратор 19 с окнами для выхода газов. Эта вставка служит для центров­ ки пули до момента удара в торце переднего волновода. Кроме того, она устраняет опережение пули газами в момент удара ее по волново­ ду. Газы, уходящие через окна обтюратора 1 9 , попадают в кольцевое пространство между направляющим фланцем 18 и обтюратором 19

ивыходят через окна направляющего фланца в атмосферу.

5.5.НЕКОТОРЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ ПРОЧНОСТИ И ДЕФОРМИРУЕМОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ РАЗНЫХ

СКОРОСТЯХ НАГРУЖЕНИЯ И ВИДАХ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ

Общие закономерности поведения горных пород в условиях воздей­ ствия статических и динамических скоростей приложения нагрузки и объемного напряженного состояния изучались для трех типов монолитных пород, существенно отличающихся по прочности и де­ формируемости в стандартных условиях нагружения с учетом обра­ ботки данных экспериментальных исследований разных авторов.

Условия испытаний образцов включали изменение скорости де­ формации ê в направлении оси а, примерно на 9—10 порядков при

разных постоянных уровнях начального давления увеличение осевой скорости деформации в направлении а, до ~ 103 с“‘ приводит к относительному изменению прочности д (об )/Лсж ст (о5) об­ разцов всех пород и составило при об = 0 и об = 50 МПа.соответственно: у габбро 2,5 и 1,4, у песчаника 2,9 и 1,3, у известняка 2,1 и 1,1 раза.

В то же время можно отметить, что как изменение скорости на­ гружения, так и давления в условиях трехосного сжатия приводит к значительным абсолютным изменениям прочности. Значения Лсж д при об = 50 МПа и е » 103 с-1 превышают стандартную прочность при одноосном сжатии /?сж ст слабой породы — известняка — в 4,0 раза, а более крепких песчаника и габбро соответственно в 3,1 и 2,7 раза. Это подтверждается сравнением с результатами опытов при одноос­ ном статическом нагружении и динамическом. Так, при динамиче­ ском нагружении при og = 50 МПа предел прочности при сжатии из­ вестняка возрос от 15 до 59,8 МПа, габбро — о г 200 до 538 МПа, а песчаника — от 140 до 432 МПа.

По результатам динамических испытаний горных пород на сжатие при изменении аб построены экспериментальные зависимости а, (а5). Несмотря на общий вид (рис. 5.4) они показывают различную степень

В исследованном диапазоне скоростей нагружения предельное на­ пряженное состояние пород может быть аппроксимировано прямыми линиями с определением прочностных параметров пород по условию О. Мора:

где Ip — угол внутреннего трения; С — величина сцепления, которая определяется на основании экспериментальных данных о соотноше­ нии а, и а3 = аб.

Выполненные исследования относятся к диапазону статических и высоких скоростей деформации. Для более полного представления об изменении прочностных свойств и для построения обобщенной зависимости (рис. 5.5) использованы результаты исследований дру­ гих авторов.

На графике сопоставлены данные, полученные при испытаниях образцов горных пород в условиях начального всестороннего давле­ ния OQ = (50-^70) МПа при изменении осевой скорости деформации сжатия в интервале è = (10“8 -r 109 ) с"1. Несмотря на различие приме­ ненных методик испытаний, экспериментальные точки достаточно близко ложатся на статистическую зависимость, которую можно опи­

с корреляционным отношением 0,81 и стандартной ошибкой его оценки 0,035,

Таблица 5.2. Упругие характеристики пород при высоких скоростях сжатия и различном боковом давлении

Сравнивая между собой кривые статического и динамического разрушения образцов, полученные для данных типов пород, можно отметить, что наиболее существенное влияние давление оказало на угол наклона а (в) к оси деформаций при статических скоростях, а также на величину остаточных деформаций пород, которые увели­ чиваются с ростом давления как в статике, так и в динамике.

Механизм развития деформаций связан с процессом уплотнения пород под действием всестороннего давления, а также с накоплени­ ем повреждений при воздействии нагрузок с различной скоростью, развитием микротрещиноватости, последующего разрыхления, зави­ сящих от структуры и текстуры горных пород, и, как закономер­ ность, со значительным повышением сопротивляемости пород разру­ шению под действием внешних факторов — скорости нагружения и давления.

Во всем опробованном диапазоне начальных боковых давлений увеличение скорости деформации образцов приводит к возрастанию их несущей способности. Приведенная совокупность диаграмм про­ цесса деформирования ограничена в основном предельными кривы­ ми: снизу — предельными статическими, сверху — предельными дина­ мическими при одном и том же уровне давления стб.

Скорость деформации образцов при сжатии влияет определенным образом и на деформационные характеристики пород. Абсолютные средние значения модулей упругости, коэффициентов поперечной деформации и их сравнения со статическими значениями сведены в табл. 5.2. Расчет Есж и исж производился на линейных участках диаграмм а — вр s при напряжениях, составляющих 40—60 % от разрушающих.

Из табл. 5.2 следует, что при динамическом сжатии с возрастани­ ем бокового давления абсолютные величины осевых деформаций увеличиваются. Увеличиваются также £ сжд и i^ . д по сравнению со стандартным нагружением. Наибольшее увеличение этих величин соответствует одноосному сжатию с высокими скоростями. Это гово­