книги / Физико-механические свойства горных пород

Величина F может измеряться посредством зарисовок на клет­ чатую бумагу контуров площади разрыва или посредством плани­ метрирования.

Экспериментальные исследования

Возможность и целесообразность практического применения метода раскалывания—разрыва посредством сжатия обломков кернов полуправильиой формы без специальной подготовки пра­ вильных цилиндров не требовали даже экспериментальной про­ верки. Из сущности метода было ясно, что по сравнению с испыта­ ниями в строгом соответствии с задачей Герца предложенный про­ стой способ испытания обломков кернов существенных ошибок дать не может. Природа физических явлений в том и другом слу­ чае была одна и та же.

Однако чтобы убедиться в этом, автором настоящей статьи сов­ местно с сотрудниками физико-механической лаборатории Всесо­ юзного института минерального сырья были проведены испытания двумя способами небольшого числа разновидностей пород. Резуль­ таты этих испытаний (по данным М. И. Койфмана и Г. П. Ефимо­ ва) приведены в табл. 1.

Из данных таблицы видно, что испытания прочности в облом­ ках цилиндрических кернов (без какой-либо специальной подго­ товки образцов) дали величины, отличающиеся от раскалывания правильных цилиндров сжатием в радиальном направлении (по Герцу) от 1 до 4%. Данные, полученные простым способом сжа­ тия—раскалывания обломков, можно даже считать более надеж­ ными, так как они представляют средние из пяти-восьми повтор­

41

ных измерений, в то время как опыты с цилиндрами производи­ лись только на трех-четырех образцах.

В табл. 2 приведены результаты испытаний прочности на раз­ рыв некоторых горных пород, проведенных параллельно, методом диаметрального сжатия обломков цилиндрических кернов и по­ средством раскалывания клиньями (прибор ПР-4). Там же при­ ведены результаты испытаний, полученные еще третьим разрабо­ танным нами методом, а именно методом раскалывания—разрыва небольших образцов—кусочков тех же пород неправильной формы заостренными клиньями.

Т а б л и ц а 2

Сравнительные испытания прочности горных пород тремя методами

Донбасса, Кузбасса и др.

Сравнительные испытания пород тремя методами проводились в лаборатории ИГД им. А. А. Скочинского под руководством ав­ тора статьи сотрудниками ЦКБ Государственного геологического комитета СССР А. И. Зарубиной и В. Н. Волковым при участии

С.Е. Чиркова, О. И. Квашниной и Е. Т. Рамзаевой (1962 г.). Все три метода дали близкие результаты измерений прочности

горных пород на разрыв.

42

Практическое применение метода

Возможность практического использования предлагаемого простого метода для объективной оценки механических свойств горных пород совершенно очевидна.

На основе этого метода в ИГД им. А. А. Скочинского были со­ зданы приборы для исследования механических свойств горных пород и углей в лабораторных «и шахтных условиях. В зависимо­ сти от целей и задач могут применяться те или иные методы и при­ боры.

Немаловажным является вопрос о возможности использования этого метода для контроля и оценки категорий буримости горных пород .в условиях ироизводственного бурения геологоразведочных, нефтяных и других скважин.

Необходимо указать, что определение прочности горных пород каким бы то ни было методом недостаточно для характеристики буримости пород, особенно при вращательном бурении—резании.

Для этого нужно, кроме твердости или коррелирующей с твер­ достью прочности, знать еще абразивность горных пород.

Однако в условиях отдельных геологоразведочных партий, руд­ ников или районов, где буровые работы ведутся в породах одина­ кового или близкого минералого-петрографического состава, но отличающихся по твердости, предлагаемый метод может служить для сравнительной оценки сопротивления пород разрушению. В частности, в таких условиях он может быть объективным способом проверки правильности определения категорий пород по бури­ мости при нормировании буровых работ.

В качестве более общего и полного метода определения меха­ нических свойств (твердости, абразивности и суммарной характе­ ристики, оценивающей оба эти показателя в совокупности) можно рекомендовать, в частности, метод сверления стальными или твер­

досплавными сверлами и т. д.

Начиная с 1936 г., в ИГД им. А. А. Скочинского, во Всесоюз­ ном институте минерального сырья и на бывшем заводе «Буровая техника» (ныне завод «Контрольприбор») на основе предложений автора были построены модели приборов, основанные на принци­ пе сверления. Были проведены систематические испытания метода и приборов (1936, 1946—1948, 1950—1951 и 1955—1960 гг.). По­ следняя модель была, в частности, применена в работе, выполнен­ ной совместно с Центральным конструкторским бюро Государст­ венного геологического комитета СССР (В. Н. Волков, А. И. За­ рубина) в 1962—1963 гг. для сравнительной оценки буримости пород, полученных в кернах на Урале, в Донбассе, Кузбассе и в других районах.

Испытания дали хорошие результаты. Целесообразность ши­ рокого внедрения метода сверления и соответствующих приборов, таким образом, надежно доказана.

43

Для более полной и общей оценки сопротивления пород раз­ личных минералого-петрографических типов разрушению при бу­ рении необходимы комплексные определения твердости в сочета­ нии с абразивностью, а при проведении научно-исследовательских работ также и определения пластических свойств горных пород.

свойств горных пород применительно к задачам управления горным давлением»

5.H e r t z Н. Ober die Verteilung der Druckkrafte in einem elasiischen Kreiszylinder. «Zeitschr. fur Mathemat. u. Physik“. B. 28, 1883, 125.

6.К о ii ф м а и M. И. Методы определения твердости горных пород. М., От­ деление технических наук АН СССР (группа горного дела), 1936.

Канд. техн. наук В. А. ПОТАШНИКОВ

БЕСПРЕССОВЫЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЧНОСТИ НАПРЯГАЮЩЕГО БЕТОНА НА ОБРАЗЦАХ НЕПРАВИЛЬНОЙ ФОРМЫ

В горной практике часто возникает необходимость в определе­ нии прочности бетонов в конструкциях крепи непосредственно на производстве при отсутствии прессов и бетонных кубиков. Канд. техн. наук Н. А. Кудря [2] разработал способ определения модуля упругости и предела прочности горных пород без применения прес­ сов с использованием лишь трубного копра (прибор ПОК для оп­ ределения крепости угля) проф. М. М. Протодьяконова (младше­ го) [1] и склероскопа Шора, служащего обычно для определения относительной твердости пород.

При этом способе статический модуль упругости и предел проч­ ности горной породы при одноосном сжатии определяют соответ­ ственно из следующих выражений:

( 1)

(2)

154

Л

где h—показатель склероскопа Шора;

/ д—показатель дробимости, т. е. динамической прочности гор­ ной породы, определяемый с помощью прибора ПОК проф. М. М. Протодьяконова.

Нами был произведен анализ этих выражений для установле­ ния возможности использования их при определении механических свойств напрягающего бетона. Экспериментальные серии образцов подвергались замерам на склероскопе Шора, испытывались на прессе и в трубном копре.

Полученные значения прочности и модуля упругости по фор­ мулам (1) и (2) сравнивались с показателями и модулями упру­ гости, определяемыми на прессах и приборах. Сравнительный ана­ лиз показал следующее.

1. Значения кубиковой прочности напрягающего бетона (взя­ тые по шести кубикам для каждой серии) весьма близко совпа­ дают со значениями прочности определяемой по формуле (2) (табл. 1). Такое совпадение свидетельствует о том, что общая корреляционная зависимость предела прочности на одноосное сжатие от показателя динамической прочности и данных склеро­ скопа Шора для напрягающих высокопрочных бетонов аналогична корреляционной зависимости для горных пород, и способ, разра­ ботанный Н. А. Кудрей, может быть использован также и для оп­ ределения прочности напрягающих бетонов.

Т а б л и ц а 1

Из данных таблицы также видно, что при более низких проч­ ностях у обычных бетонов разница между фактическими и расчет­ ными значениями увеличивается.

Данные определения твердости по Шору стабильны и, по-види­ мому, действительно характеризуют упругие константы напрягаю­ щего бетона.

2. Проведенные исследования указывают на большое отличие статических модулей упругости, полученных экспериментально от статических модулей упругости, рассчитанных по формуле (1). Эта разница не позволяет нам считать достаточно обоснованным при­ менение склероскопа Шора для определения статического модуля упругости напрягающего бетона.

46

Рассматривая этот вопрос, мы убеждаемся в естественности большой разницы между показаниями прибора Шора и статиче­ ским модулем упругости бетона, так как последний изменяется в зависимости от величины и времени приложения нагрузок, от увлажнения и высушивания образцов и т. д. В склероскопе Шора эти явления мало отражаются на результатах, так как работа прибора основана на отскоке шарика от поверхности образца, т. е~ нагрузка здесь прилагается динамическая, а не статическая.

Таким образом, на наш взгляд, большая разница между дан­ ными, полученными по формуле (1), и обычными эксперименталь­ ными данными объясняется сопоставлением динамических упругих постоянных, получаемых на склероскопе Шора, со средним стати­ ческим модулем упругости.

С практической точки зрения определение прочности и упру­ гих постоянных напрягающего бетона в конструкциях с помощью склероскопа Шора является недостаточно эффективным, так как для этого прибора необходимо иметь две шлифованные грани и об­ разцы очень небольших габаритов.

Исходя из вышесказанного и основываясь на изложенном вы­ ше способе Н. А. Кудри, нами был разработан метод определения прочности напрягающего бетона с помощью прибора П01\ М. М. Протодьяконова и динамического модуля упругости, опреде­ ляемого ультразвуковым методом. В основе этого метода лежало использование только динамических характеристик (при мгновен­ ном приложении нагрузок), что позволило свести к минимуму раз­

дуль упругости. Модуль (для контроля) определялся двумя мето­ дами: по скорости прохождения ультразвука и резонансным мето­ дом на универсальном ультразвуковом приборе EGV-метре.

Исследования проводились на образцах водного и сухого хра­ нения. При этом образцы сухого хранения вынимались из воды на 8-е сутки, после окончания расширения образцов. Наблюдения за нарастанием динамического модуля упругости велись непрерывно, начиная с первых суток после изготовления образцов и до тех пор, пока водопоглощение и модуль практически не стабилизировались, затем замеры периодически повторялись в течение 2 лет.

Для исследования статического модуля упругости было изго­ товлено 11 серий образцов-«близнецов» из напрягающего бетона.

Из них для основного исследования было отобрано семь серий, четыре использовались для контроля за модулями и остальными параметрами. Из отобранных семи серий три подвергались вод­ ному, а четыре серии воздушному хранению.

Результаты исследовании для одного из сроков хранения при установившемся режиме (т. е. после окончания расширения) при­ ведены в табл. 2.

47

В этой таблице приведены средние для данных статических модулей упругости по каждому из нагружений, средние модули уп­ ругости для всех напряжений по каждой серии и одновременно за­ меренные динамические модули упругости.

Из данных таблицы также следует, что, хотя разброс стати­ ческих модулей упругости по номерам нагружений относительно невелик, они значительно отличаются от динамических модулей упругости.

Этот факт подтверждает наш вывод о большом различии меж­ ду показаниями склероскопа Шора -и статическим модулем упру­ гости.

После определения модулей упругости и снятия показаний по склероскопу Шора мы замеряли фактическую прочность напря­ гающего бетона, испытывая кубики на прессах.

Затем, согласно методике определения динамической проч­ ности по способу проф. М. М. Протодьяконова, разрушенный на прессе образец напрягающего бетона разбивался на кусочки раз­ мером 1,5—2 см в поперечнике. Из таких кусочков набиралось пять навесок по 40—50 г. Каждая навеска засыпалась в стакан копра прибора ПОК и подвергалась дроблению десятикратным сбрасыванием гири весом 2,4 кг с высоты 600 мм. Все пять наве­ сок раздробленного бетона ссыпались в одно сито, имеющее от­ верстия 0,5 мм и просеивались. Объем полученной пыли замерял­ ся в простейшем объемомере диаметром 23 мм. Относительный по­ казатель динамической прочности определялся по формуле

где п—число ударов гири по одной навеске;.

i —высота столбика фракций размером менее 0,5 мм в объемомере.

48

В результате обработки данных проведенных исследований на­ ми была выведена формула для определения прочности напрягаю­ щего бетона в образцах сухого (воздушного) хранения

гДе / д —показатель динамической прочности напрягающего бето­

на, определяемый по методу и с помощью прибора ПОК проф. М. М.Протодьяконова [1, 2];

Ел—динамический модуль упругости, определяемый ультра­ звуковым или резонансным методом.

В процессе исследования были получены переходные формулы между динамическим модулем упругости и показаниями склеро­ скопа Шора (также для образцов воздушного хранения):

Для напрягающего бетона в образцах водного хранения были

Проиллюстрируем эти зависимости несколькими примерами, приведенными в табл. 3. Серии взяты из табл. 2.

Как видно из таблицы, разброс данных, полученных экспери­ ментально и по формулам (3) —(8), не превышает ±10%, что по­ зволяет рекомендовать данный метод для определения прочности самоиапряженного железобетона.

Таким образом, методика определения указанных констант на­ прягающего песчаного бетона непосредственно на производстве без применения прессового оборудования и изготовления призм и

кубиков сводится к использованию простейшего прибора ПОК проф. М. М. Протодьяконова, установлению динамического модуля упругости (без нарушения конструкций) ультразвуковым методом и определению по формулам (3) иди (6) прочности напрягающего бетона. Подробно методика определения динамической прочности по методу проф. М. М. Протодьяконова изложена в работе [1] и [2].

Фактические замеры

Взаключение этого исследования следует отметить следующее:

1)разница показаний между расчетными и фактическими дан­ ными прочности напрягающего бетона уменьшается по мере уве­ личения марки бетона. При марках бетона 600 и выше (см. табл. 1

и3) сходимость между расчетными и фактическими данными вы­ сокая, что объясняется более строгим подчинением высокопроч­ ных напрягающих бетонов закону хрупкого разрушения твердых тел, на оснований которого составлены формулы (2), (3) и (6);

2) дальнейшее расширение возможностей применения данного метода беспрессового определения прочностей бетона на образцах неправильной формы мы видим в распространении исследований на обычные высокопрочные песчаные и щебеночные бетоны. Пред­ варительные исследования показали большую перспективность работ в этом направлении.

50