Материал: Свойства горных пород при разных видах и режимах нагружения

образца 11 соединяется с дифференциальным поршнем 6 через npqмежуточную давильную плиту 2. Далее при нулевом давлении масла и полном отсутствии воздуха в гидросистеме испытательной камеры закрывается вентиль 9, тем самым создается замкнутая масляная полость в испытательной камере, заключенная между цилиндром 5, большим диаметром дифференциального поршня 6 и трубопрово­ дом 10 др вентиля 9. Полость газомасляного аккумулятора предва­ рительно заполняется постоянным расчетным давлением газа в 1,1 МПа при нулевом давлении масла в гидросистеме испытательной камеры. Затем насосом 20 устанавливается требуемое давление мас­ ла в участке гидросистемы установки между вентилем 9 и газомасля­ ным аккумулятором 21.

Корпус 4 камеры, опорная сферическая мембрана 13 установоч­ ными болтами 12 крепятся на подвижной траверсе 3 испытательной машины с пульсатором, например, типа ПДМ-100 Пу.

Требуемое давление масла устанавливается в соответствии с зада­ ваемым режимом нагружения по формуле: = Fmm/SK, где Fmin = = 0,5-10s — минимальное пригрузочное усилие, действующее в мо­ мент вывода испытательной машины на заданный режим только на корпус испытательной камеры, H; SK - 250 — рабочая площадь поперечного сечения масляной полости в испытательной камере, заключенная между цилиндром 5 и дифференциальным порш­ нем 6, см2.

Затем включается испытательная машина с пульсатором, устанав­ ливается расчетная пульсирующая нагрузка сжатия, изменяющаяся в пределах от Fmin до = -Fmin + F ^ , и быстро открывается вен­ тиль 9, в результате чего испытываемым образцом горной породы мгновенно воспринимается заданная пульсирующая нагрузка сжатия.

Статическое давление масла, развиваемое насосом 15 во внутрен­ ней полости цилиндра 8 испытательной машины, воздействует одно­ временно на рабочий поршень 7 испытательной машины и на поршень 18 пульсатора 19. Поступательные перемещения поршня 18 пульсато­ ра создают дополнительно пульсирующую нагрузку, накладываемую на минимальную статическую нагрузку, развиваемую насосом 15 испытательной машины.

Эксцентриковый маховик 16 пульсатора имеет ручное управле­ ние 1 7, позволяющее изменять ход поршня 18 пульсатора. При рабо­ те пульсатора поршень совершает возвратно-поступательные движе­ ния с амплитудой, устанавливаемой во время вывода испытательной машины на заданный режим. От этой амплитуды и зависит амплитуда пульсирующей нагрузки сжатия на образец.

Частота колебаний нагрузки изменяется путем смены шкивов на пульсаторе и электродвигателе в пределах от 4,17 до 12,5 колебаний в секунду.

Измерение статических и динамических пульсирующих нагрузок, действующих на образец через золотник 22, производится визуально с помощью манометров статического 24 и динамического 23 давле­ ний.

Определение характера изменения нагрузок в образце и их факти­ ческих величин производится с помощью проволочных датчиков со­ противления, наклеенных на опорную мембрану 13, предварительно протарированную по усилию и деформации. Деформации (прогибы) мембраны, а также продольные и поперечные деформации образца регистрируются тензодатчиками через усилитель ТА-5 шлейфовым осциллографом Н-700.

Для расчета величины относительной деформации е, соответству­ ющей любому заданному моменту нагружения, используется форму­ ла, в которую входят основные параметры усилителя и датчиков со­ противления

где е — величина измеренной деформации, отн. ед; ек — предел изме­ рения усилителя, отн.ед.; Sa — чувствительность датчиков сопротив­ ления; Af — амплитуда записи измеряемого процесса, 10-3 м; Лк — амплитуда записи контрольного сигнала, 1СГ3 м.

Испытательные нагрузки Fmax выбираются такими, чтобы макси­ мальные действующие напряжения атах были равными 0,9; 0,8; 0,7; 0,6; 0,5; 0,4 от предела статической прочности ст. Предел стати­ ческой прочности определяется предварительно разрушением не ме­ нее трех образцов каждого типа пород с измерением продольных и поперечных деформаций. При этом скорость нагружения составляет (5 -г10)-105 Па-с"1 (ГОСТ 21153.4-75).

Отсчеты (измерения) по приборам производятся через определен­ ные интервалы времени, выбор величины которых зависит от типа горной породы (прочности образца) и от степени его нагруженности (максимального напряжения).

Число циклов пульсирующей нагрузки определяется по счетчику, установленному на пульсаторе, или по времени проведения опыта при заданной частоте колебаний нагрузки от момента ввода испытатель­ ной машины на заданный режим до момента разрушения образца (прекращения испытания).

Испытание считается законченным в момент разрушения образца или при достижении кривой усталостной прочности прямолинейного участка — предела усталостной прочности. Под пределом усталостной прочности Ry горных пород понимается максимальное значение ашах » которое может быть воспринято образцом бесконечное число. раз без разрушения.

При одном из заданных значений максимальных напряжений ашах и частоты нагружения со испытывается не менее трех образцов каждого типа пород и выводится среднее арифметическое значение исследуемых показателей; соответствующих принятым условиям испытаний.

Для сопоставления показателей прочностных и деформационных свойств горных пород, определенных при действии пульсирующих нагрузок, с показателями прочностных и деформационных свойств горных пород, определенных при действии однократных статических

нагрузок, методикой предусматривается предварительное определе­ ние статических деформационных характеристик на первом цикле ’’нагрузка—разгрузка” в тех же пределах действующих нагрузок, что и при испытании их на пульсирующее сжатие, и лишь затем обра­ зец можно подвергать пульсирующему нагружению.

Испытательная аппаратура и методика проведения исследований прочности и деформируемости горных пород на растяжение сохраня­ ются такими же, как и в опытах на сжатие, но с использованием до­ полнительного устройства. Испытательные нагрузки Fmах выбирают­ ся из такого расчета, чтобы напряжения атах были равны 0,9; 0,8; 0,7; 0,6; 0,5; 0,4 предела статической прочности на растяжение Лр ст. Методика проведения испытаний на растяжение пульсирующими на­ грузками при разных частотах нагружения путем сжатия цилиндри­ ческих образцов по образующей оставалась такой же, как и при про­

где ёх, ёу — средние относительные деформации в центре образца по осям горизонтальной х и вертикальной у соответственно; v — величи­ на, равная 0,3.

Методика пульсирующего нагружения образцов в условиях объ­ емного напряженного состояния. В практике испытаний конструкци­ онных материалов хорошо известны различные испытательные маши­ ны и стенды с пульсаторами, предназначенные для испытаний мате­ риалов в различных режимах пульсирующего нагружения и сложных напряженных состояниях (растяжение с кручением, сжатие и растяже­ ние трубчатых образцов под внутренним давлением и т.д.). Однако непосредственное использование существующих испытательных ма­ шин и стендов с пульсаторами для испытания горных пород в различ­ ных режимах пульсирующего нагружения и напряженных состояниях практически не осуществимо, как и в опытах при одноосном напря­ женном состоянии, вследствие существенного различия в физико-ме­ ханических свойствах конструкционных материалов и горных пород

ив этой связи неприспособленности их к испытанию горных пород.

Вцелях возможности проведения испытаний образцов горных пород пульсирующими нагрузками в условиях сложного (объемно­ го) напряженного состояния разработан способ определения механи­ ческих свойств горных пород при пульсирующих нагрузках в усло­ виях объемного напряженного состояния (Э.О. Миндели, М.П. Мохначев, Н.В. Громова, 1974). Сущность способа заключается в том, что образец горной породы одновременно с осевым пульсирующим на­ гружением подвергают дополнительному воздействию всестороннего бокового давления.

Рис. 6.2. Принципиальная схема установки для испытания образцов горных пород пульсирующими нагрузками в условиях объемного напряженного состоя* ния

На основе способа определения механических свойств горных по­ род при пульсирующих нагрузках в условиях объемного напряжен­ ного состояния создана установка для испытания образцов горных пород при пульсирующих нагрузках в условиях объемного напря­ женного состояния (Э.О. Миндели, М.П. Мохначев, А.И. Ягодин и др., 1974).

Сущность установки (рис. 6.2) заключается в том, что с целью обеспечения возможности проведения испытаний горных пород при одновременном воздействии на образец осевых пульсирующих нагру­ зок и бокового давления, нагрузочное устройство снабжено камерой высокого давления и мультипликатором, полость которого сообща­ ется с рабочей полостью камеры высокого давления.

Установка имеет основание 1, соединенное болтами 2 с корпу­ сом 3 камеры высокого давления, внутри которого помещены ниж­ ний захват — пуансон 4 и верхний захват — шток 5, жестко соединен­ ные с образцом горной породы 6 экпоксидной смолой. В верхней час­ ти корпуса 3 камеры болтами 7 закреплен в крышке 8 проходной зажим 9 для подсоединения проводов от тензометрических датчиков, наклеенных на испытуемом образце 6, а также помещен промежуточ­ ный целиндр 12, по внешней поверхности которого может переме­ щаться поршень 13, а по внутренней — тензометрический динамо­ метр 14, закрепленный винтом 15 и жестко связанный с верхним захватом — штоком 5. На тензометрическом динамометре 14 разме­ щены сферическая опора 16 и токосъемник 17 для крепления прово­ дов от тензодатчиков динамометра 14, фиксирующих приложенные

Полость низкого давления камеры, образованная корпусом 3 камеры, промежуточным цилиндром 12 и поршнем 13, передающим усилия растяжения к образцу 6, соединена трубопроводом вентиля 18 с газожидкостным аккумулятором 19 и сообщается через вентиль 20 и мультипликатор 21 с насосом 22. Клапан 24 служит для слива жидкости при разборке установки.

Полость высокого давления камеры, окружающая образец горной породы 6, соединена трубопроводом и вентилем 23 с мультипликато­ ром 21 и насосом 22. Клапан 24 служит для слива жидкости при раз­ борке установки.

Основание 1 установки крепится болтами 25 к траверсе 26 испы­ тательной машины с пульсатором.

Установка используется в комплексе с испытательной машиной с пульсатором типа ЦДМ-100 Пу, а испытания образцов горных пород производится по двум вариантам А и Б.

Вариант А — одноосное осевое пульсирующее сжатие, одноосное осевое (прямое) пульсирующее растяжение и осевое пульсирующее сжатие — растяжение цилиндрических образцов с защемленными концами в сочетании с всесторонним боковым давлением.

Вариант Б —всестороннее сжатие цилиндрических образцов давле­ нием Qmax до 200 МПа в сочетании с осевым пульсирующим сжатием по образующей. В этом варианте вследствие гидравлической неурав­ новешенности нагрузочного штока диаметром 42 мм, расположенно­ го в камере высокого давления, с площадью поверхности штока, соприкасающегося непосредственно с образующей испытуемого цилиндрического образца, 5Ш = 13,85 см 2, наибольшее усилие проти­ водействия 7'тах = 200-106 •13,85 -10”4 = 277 кН.

Осевое пульсирующее усилие сжатия на образующие образца бу­ дет составлять 0 —223 кН.

Весь комплекс установки при испытании цилиндрических образ­ цов по варианту Б, как и по варианту А, остается неизменным, за исключением замены в камере вы сокого давления верхнего нагру-