Материал: Свойства горных пород при разных видах и режимах нагружения

растяжении Лр ст. Частота изменялась от 0,003 до 5 Гц. В опытах на сжатие установлено изменение упругих характеристик андезиту от числа циклов N ; прочность на одноосное сжатие после приложения повторной нагрузки ниже предела усталости осталась почти той же величины. Исследованы гистерезисные петли, показано влиАние час­ тоты нагружения на модуль упругости при сжатии; при растяжении модули упругости не зависели от частоты нагружения. В испытаниях горных пород с частотой 0,003—5 Гц получены качественные пред­ ставления относительно зависимости между динамическим модулем упругости, динамическими потерями и частотой; сделан вывод, что реологическая модель горной породы, находящейся под повторной нагрузкой, не является простой и нуждается в более тщательных исследованиях.

Для образцов алевритового песчаника в воздушносухом и водо­ насыщенном состоянии и модельных образцов из гипса и гранитного песка (в соотношении 1:1) на гидравлическом прессе ПД-20 с пуль­ сатором проведены эксперименты (Е. Аврамова-Тачева, С. Станчев, 1979) при: а) статическом одноосном сжатии; б) комбинированном нагружении — статическом с динамическим вибрационным воздей­ ствием с постоянной частотой 13,3 Гц и амплитудой для соответству­

16,7 и 20,0 Гц. Отмечается, что при вибрационном динамическом воз­ действии разрушающее напряжение уменьшается на 40 %; существен­ но изменяются деформационные характеристики образцов: уменьша­ ются модули упругости Е и модули деформации М; возрастают ко­ эффициенты поперечной деформации v и Пуассона v (до 2-х раз) с увеличением амплитуды и частоты. Введено понятие коэффициента динамической устойчивости /гд у = х^ / х^ (х = R, М , Е, v и т.д.). Неблагоприятные для строительной практики экстремальные значе­ ния деформационных показателей получены при w = 13,3 Гц. Нали­ чие воды в породе увеличивало описанные эффекты динамического вибрационного воздействия, не изменяя их тенденции.

Циклическими нагружениями с частотой 4,17 Гц цилиндрических образцов песчаника и известняка при коэффициенте р - 0,8; 0,5; 0,066; 0,044 установлено (В. Пшибилович, Т. Рынцаж, 1979), что между числом циклов N и отах существует линейная зависимость вида lg N = algcrmax + b, где а и b — коэффициенты, зависящие от р; скорость продольной деформации изменяется в процессе нагружения подобно кривым реологических испытаний и зависит от соотношения

^тах/^у Необходимость изучения прочности и деформируемости горных

пород при пульсирующих нагрузках в условиях сложного (объемно­ го) напряженного состояния диктуется прежде всего тем, что оно характерно для естественного залегания пород, находящихся под действием различных по природе сил.

Горные породы подвержены одновременно действию геостатического давления, концентрации напряжений вследствие ведения гор­ ных работ и воздействию внешних сил, направленных на преодоление сопротивления разрушению породного массива. Режим и время воз­ действия внешних сил могут изменяться. Поэтому для горной науки и практики чрезвычайно важно знание закономерностей поведения пород при различных напряженных состояниях и режимах нагруже­ ния, в том числе повторно-переменного. 3 фундаментальных работах отмечается существенное влияние объемного напряженного состоя­ ния на механическое поведение горных пород при статических режи­ мах нагружения. Так, увеличение рокового давления на 0,1 МПа при­ водит к возрастанию разрушающего главного осевого напряжения для ряда пород до 0,3—0,5 МПа, т.е. до 5 раз.

Что касается исследований свойств пород, подвергнутых перемен­ ным нагрузкам в объемном напряженном состоянии, то они как в

СССР, так и за рубежом практически отсутствуют.

Из имеющихся в единичном числе экспериментальных данных [25] следует качественный вывод о том, что проявление усталостных свойств горных пород под воздействием пульсирующих нагрузок происходит более интенсивно и при значительно меньших числах на­ гружений, чем, например, у металлов и других материалов. Количе­ ственных зависимостей свойств горных пород при циклических на­ грузках в функции амплитуды действующих напряжений, коэффици­ ента асимметрии цикла, среднего напряжения, частоты (скорости) и числа нагружений с учетом вида напряженного состояния, даю­ щих физическое представление о природе усталостной прочности и деформируемости, ни в СССР, ни за рубежом не установлено.

Сложность и трудоемкость экспериментов, отсутствие надежных способов, аппаратуры и методик испытаний являются причиной недостаточной изученности усталости горных пород. В то же время развитие такого направления продолжает оставаться актуальным, так как выявление закономерностей изменения сопротивления гор­ ных пород переменным нагрузкам и разработка рекомендаций по их использованию возможны только на основе обширных экспери­ ментальных исследований. Поэтому особое внимание уделено созда­ нию комплекса испытательной аппаратуры и разработке методов, позволяющих устанавливать количественное влияние условий цикли­ ческого нагружения на процессы деформации и разрушения горных пород.

6.2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Методы измерения и регистрации параметров пульсирующего нагру­ жения образцов. В практике циклических испытаний материалов с измерением деформаций в условиях одноосного и сложного напря­ женного состояния, в том числе при высоких давлениях, наиболее широкое применение получил тензометрический метод измерения де­ формаций, как наиболее эффективный. Главные достоинства этого

метода состоят в компактности тензометрических датчиков и удоб­ ства монтажа необходимого числа датчиков на образце, простоте тензометрических схем, высокой чувствительности и точности изме­ рений.

Комплексно исследованы вопросы применения тензодатчиков в конкретных условиях. Это — выбор датчиков по качеству материа­ ла, длине, частотным характеристикам, оценка их работоспособности под действием пульсирующих нагрузок, учет влияния состава клея, качества наклейки, среды (влага, масло), высокого давления, темпе­ ратуры и др.

При циклических испытаниях целесообразно использование дат­ чиков типа ПКБ. Они практически безынерционны, рассчитаны для работы в интервале температур 20 -г 70° С; среднеквадратичная погрешность тензочувствительности их составляет не более 1,5 %.

Процесс пульсирующего нагружения образцов является динами­ ческим. Поэтому база тензодатчика выбирается из соотношения L /X < 0,25, где L — длина тензодатчика; X — длина полуволны, опре­ деляемая по формуле X = я 0/2 со {а0 — скорость продольной волны в образце). При циклических нагрузках сжатия образцов диаметром 42 мм и длиной 65 мм с частотой со < 12,5 Гц база составляет 2 — 2,5 см.

На основе проведенных исследований [25] изменения деформи­ руемости горных пород под воздействием пульсирующих нагрузок растяжения сжатием по образующей цилиндрических образцов реко­ мендуется оптимальная длина базы тензодатчиков ~5 мм, наклеива­ емых в центре торцов образца определенных размеров : h = d = 42 + -г 60 мм.

Основными требованиями, которым должны удовлетворять тен­ зодатчики сопротивления при регистрации деформаций образца гор­ ной породы в процессе его пульсирующего нагружения в условиях объемного напряженного состояния, будут следующие:

механическое воздействие давления на материал тензометра не должно вносить искажений в показания измерительного устройства; для этого необходимо компенсировать воздействие давления;

должны быть устранены погрешности, возникающие в результате повышения температуры жидкости при ее сжатии, при котором воз­ никают различия условий теплообмена при работе тензометров под высоким давлением от условий их работы при атмосферном давле­ нии;

жидкость не должна химически воздействовать на материал тен­ зометра и его крепление;

истинная деформация образца, находящегося в условиях объем­ ного сжатия, должна определяться по формуле е = еПр — ер — ет>где спр ~ деформация, полученная на основании показаний измеритель­ ного прибора; €р — деформация проволоки датчика как результат всестороннего давления на нее; ет— деформация проволоки датчика от температурного эффекта.

Поправку €р рекомендуется вычислять по формуле Ср — аб (1 —

Рис. 6.1. Принципиальная схема установки для испытания образцов горных пород пульсирующими нагрузками сжатия в комплексе с испытательной машиной с пульсатором типа ПДМ-100 Пу

—2 v)JE, где OQ — всестороннее давление, МПа; Е = 1,55-10s — м о­ дуль упругости константана, МПа; v = 0,35 — коэффициент Пуассона константана.

Учет температурного искажения ет может производиться при ре­ гистрации изменения температуры разогрева образцов во времени по методике [26].

В качестве регистрирующей аппаратуры, записывающей процесс нагружения, деформирования и разрушения образца породы, приме­ нен шлейфовый осциллограф Н-700, работающий по схеме моста Уит­ стона с усилителем ТА-5, обладающим высокой чувствительностью к изменению сопротивления.

Методика одноосного пульсирующего нагружения образцов. В на­ стоящее время исследователи, изучающие поведение горных пород в условиях статического и динамического однократного нагружения, используют методы, а также испытательные машины и стенды, пред­ назначенные главным образом для испытания металлов. Однако су­ щественное различие в физико-механических свойствах металлов и горных пород не позволяет непосредственно использовать такие машины и стенды для испытания образцов горных пород пульсирую­ щими нагрузками.

В целях возможности проведения испытаний образцов крепких горных пород пульсирующими нагрузками сжатия разработан способ и на его основе создана установка (Э.О. Миндели, М.П. Мохначев,

Д.И. Жуковин и др., 1972) для испытаний при частотах нагружения от 4 до 12 Гц. Установка предусматривает использование испытатель­ ной машины с пульсатором типа ПДМ-100 Пу (рис. 6.1).