книги / Физико-механические свойства горных пород

сти среза из опытов на срез со сжатием), линией III—кривая, по­ лученная при испытании пород методом соосных пуансонов. Точ­ ками на диаграммах показан ход предельной кривой, рассчитан­ ной по обобщенному уравнению огибающей.

На диаграммах проведены также касательные к двум предель­ ным кругам (кругу одноосного сжатия и растяжения), принимае­ мые в простейших случаях за огибающую, а также углы, образуе­ мые этой касательной с горизонталью. Кроме того, для сопостав­ ления на диаграммах проведены касательные в точку пересечения кривых I и II с лучом, проведенным от начала координат под уг­ лом 40° к вертикали (угол, при котором производился срез). Диа-

X

пазон изменения этих углов может рассматриваться как диапазон изменения углов внутреннего трения пород при увеличении напря­ женного состояния, а абсолютные величины их являются характе­ ристиками каждого из рассмотренных методов построения паспор­ та прочности.

При совместном рассмотрении диаграмм обнаруживаются за­ кономерности, прослеживающиеся на всех испытанных породах:

1) .'зависимость r= f(a ), полученная различными методами, имеет криволинейный характер и переменный радиус кривизны, увеличивающийся по мере роста абсолютных значений главных напряжений;

2)кривая, полученная методом среза со сжатием, системати­ чески располагается значительно ниже огибающей к предельным кругам, полученной в условиях объемного сжатия. Кривая, полу­ ченная методом соосных пуансонов, занимает промежуточное по­ ложение;

3)зависимость x=f(a), полученная расчетным методом с ис­ пользованием обобщенного уравнения огибающей для доломита, песчаника, известняка и габбро, хорошо совпадает с огибающей,

11

построенной по результатам испытаний в условиях объемного сжа­ тия; для барит-полиметаллической руды и мраморизоваиного из­ вестняка расчетная кривая проходит выше огибающей /;

4)предельный круг одноосного сжатия вписывается в огибаю­ щую, полученную в условиях объемного сжатия, что подтверж­ дает принадлежность его к единому семейству предельных кругов, Этот же круг пересекает кривые II и III;

5)диапазон напряженных состояний, доступный эксперимен­

тальной проверке, максимальный для условий объемного сжатия и минимальный для метода среза со сжатием. В первом случае он. обусловлен конструкционными параметрами установки, во вто­ ром—углами наклона матриц.

Таким образом, из проведенного исследования ясно, что метод среза со сжатием цилиндрических образцов дает резко занижен­ ные результаты в сравнении с другими методами К

Возникает вопрос, какой из методов дает наиболее достоверные данные о поведении пород? Ответ на него может быть получен из анализа напряженного состояния образцов, испытываемых по раз­ личным методикам. С этой точки зрения наиболее точный учет на­ пряженного состояния возможен при испытаниях образцов в усло­ виях объемного сжатия. Действительно, при испытаниях в камерах типа Кармана величина главных напряжений в момент разруше­ ния, как и в любой промежуточный момент нагружения, может фиксироваться с точностью 3—5% в зависимости от шкалы мано­ метра и силоизмерительного устройства. Боковая нагрузка образ­ цу Оо ~сгз передается вязкой жидкостью, не вызывая концентрации напряжений. Высокая точность сообщения образцу желаемого на­ пряженного состояния и близкое соответствие измеряемых напря­ жений действительным ставит опыты по объемному сжатию в число наиболее точных, позволяющих получить достоверные ха­ рактеристики прочности. Следовательно, огибающая, построенная по результатам испытания пород в условиях объемного сжатия, ближе всего приближается к истинной.

Совершенно иная картина наблюдается при проведении опы­ тов на срез со сжатием. Отличие между кривой среза и огибающей настолько существенно, что если кривую среза принять за огибаю­

щую и вписать в нее круг одноосного сжатия 0 'сж, то отношение действительного предела прочности на сжатие сгсж, определенного

экспериментально, к пределу прочности, взятому из графика, по данным наших опытов и опытов других лабораторий, изменяется

в пределах ^сж 1,5ч-4,0 и более в зависимости от принятой мето-

с сж

дики среза.

1 Первым обратил внимание на факт занижения прочности при срезе со сжатием доктор-инженер Эверлинг [71.

12

Учитывая, что метод среза со сжатием за последние 10 лет ши­ роко используется как метод получения огибающей и что выявля­ ло сравнительными исследованиями резкое различие между кри­ вой среза и огибающей, нами были проведены специальные иссле­ дования по выявлению причин такого различия. Были проведены специальные опыты по срезу, которые сопоставлены с опытами, выполненными другими исследователями [7, 8]. Эти причины сле­ дующие:

1) распределение напряжений в плоскости среза неоднородно

инеравномерно;

2)общее напряженное состояние образца не поддается анали­ зу и учету вследствие неясности условий передачи нагрузки на

образец;

3) трудность подгонки образца по диаметру и точной обработ­ ки торцовых плоскостей, воспринимающих нагрузку;

4) срез образца производится по фиксированной плоскости, что не моделирует условий сдвига, предполагаемых в теории Мора.

Так как методом среза было исследовано большое количество горных пород, нами предпринята попытка отыскать путь трансфор­ мации кривой среза в огибающую. Из-за разнообразия методик и срезных приборов универсальные переходные коэффициенты или стойкие корреляционные связи вряд ли существуют. В рассмотре­ ние введено возможно большее число характерных для обеих кри­ вых величин. Рассматриваемые характеристики приведены в табл. 4.

Прямые корреляционные связи или какие-либо постоянные со­ отношения между характеристиками, приведенными в табл. 4, не обнаружены. Следовательно, трансформация одной кривой в дру­ гую непосредственным пересчетом с приемлемой степенью надеж­ ности практически неосуществима.

Однако такая трансформация стала возможной при использо­ вании расчетного метода. При сравнении расчетных и эксперимен­ тальных кривых, полученных при испытаниях в условиях объемно­ го сжатия, отмечалось их хорошее совпадение.

Расчетные кривые касались кругов Мора для одноосного рас­ тяжения и сжатия и имели горизонтальную асимптоту в области высоких напряжений всестороннего сжатия.

С учетом этих положений, естественно, что в зависимости от то­ го, какая величина асж принята при расчете (из непосредственно­

го определения или из опытов на срез со сжатием), расчетная кривая будет соответствовать экспериментальной. В этом случае отыскивается корреляция между параметрами расчетных кривых.

В табл. 5 приведены основные параметры, использованные для расчета кривых т=/(ст).

13

П о к а з а т е л и

Порода

16

Продолжение

п р о ч н о с т и

Анализ данных таблицы позволил выявить строгую зависимость

Как видно, эта зависимость линейна и может быть выражена урав­ нением

Существование такой зависимости дает возможность трансфор­ мировать кривую, полученную из опытов на срез, в огибающую,, если имеются экспериментально определенные осж и ор .

Выводы

1. Паспорта прочности горных пород, полученные различными методами, подобны, но не равны друг другу.

2.Выше всех лежит огибающая наибольших кругов напряже­ ний Мора, полученная по методу Кармана, а ниже всех—кривая среза со сжатием в наклонных матрицах. Промежуточное поло­ жение занимает кривая, получаемая методом соосных пуансонов.

3.Все три кривые могут быть описаны единым уравнением

паспорта прочности [6]

18

Кривые отличаются только абсолютными величинами постоян­ ных параметров ттах> а и °в. р.

4. Для перехода от кривой среза со сжатием в наклонных мат­ рицах к огибающей наибольших кругов напряжений Мора, полу-

Рис. 6. График для трансформации кривой среза в огибаю­ щую наибольших кругов Мора

ченной при объемном сжатии по методу Кармана, найдена зависи­ мость (рис. 6), выражающаяся уравнением

срезу и разрыву. Автореферат, 1955.

3.Фи се нк о Г. Л. Устойчивость бортов угольных карьеров. Углетехиздат,

1956.

4.Руководство по механическим испытаниям горных пород методом соосных

пуансонов. Л., Изд. ВНИМИ, 1960.

5. К у н т ы ш М. Ф. Анализ экспериментальных методик получения огибаю­ щих предельных кругов Мора. В сб. «Научные сообщения ИГД им. А. А. Скочинского, XX». Госгортехиздат, 1963.

6. П р о т о д ь я к о н о в М. М. Обобщенное уравнение огибающих к предель­ ным кругам напряжений Мора. В сб.: «Исследование физико-механических свойств горных пород применительно к задачам управления горным давлением». Изд. АН СССР, 1962.

7. E v e г l i ng . I. Zur Definition der Schubfestigkeit. ..Gluckauf", N 18, 1962.

8. Б e л a e и к о Ф. И. и др. К методике исследования механических свойств горных пород Криворожского бассейна. В сб.: «Механические свойства горных пород». М., ЦИТИ угля, 1959.

2* 19

Канд. техн. наук М. Ф. КУНТЫШ

ВЛИЯНИЕ ЧИСТОТЫ ОБРАБОТКИ РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

ОБРАЗЦОВ ПОРОД НА ПРОЧНОСТЬ ПРИ СЖАТИИ

Экспериментальные исследования плоских поверхностей образ­ цов пород с помощью измерительных приборов-индикаторов часо­ вого типа показывают, что обработанная плоскость не является идеальной, а всегда представляет собой некоторую «шероховатую» поверхность, отличающуюся большим числом выступов и впадин. Для характеристики таких поверхностей по предложению М. И. Койфмана строятся профилограммы, позволяющие судить о качестве подготовки образца.

Нас интересовало влияние макро- и микронеровностей на из­ менение механической прочности образцов. Для этого была под­ готовлена серия образцов четырех типов горных пород с разным минералогическим составом и различной величиной структурного агрегата. Образцы подвергались следующим видам обработки:

а) грубой торцовке на токарном станке острым резцом без

.последующей обработки шлифовкой; б) обработке торцовых плоскостей на токарном станке с по­

следующей первичной шлифовкой на шлифовальном круге тонким абразивом;

в) доводке образцов, подвергнутых видам, обработки, указан­ ным в пунктах а и б, с полированием их и притиркой на шаберной плите;

г) отрезка на алмазной пиле с последующей полировкой по­ верхности.

После обработки для всех случаев были построены профило­ граммы рабочих плоскостей, показанных на рисунке.

Для большей рельефности изображения на профилограммах приняты различными горизонтальный и вертикальный масштабы. При построении профилограмм по оси абсцисс отложены размеры образца по диаметральному сечению в миллиметрах, по оси орди­ нат размеры микроиеровностей в масштабе 200: 1. За начало от­ счета принята максимальная выступающая точка поверхности. Из рассмотрения профилограмм особенно отчетливо видно влияние вида обработки на характер состояния поверхности и эффект «.снятия» микронеровностей, получаемый в результате усложнения обработки.

В горизонтальных рядах помещены четыре профилограммы по­ верхности образцов:

грубозернистого песчаника с зернами крупностью до 0,2—1 мм и слабой связью между зернами;

гранита дрезденского; известняка подмосковного; песчанистого сланца.

20