книги / Свойства горных пород при разных видах и режимах нагружения

Рис. 6.6. Относительное изменение модуля упругости (1—3) и коэффициента по­ перечной деформации ( 1 ' — 3 ) образцов песчаника при пульсирующем сжатии (р = 0) :

нагрузке с напряжениями ниже предела усталости, существенно не изменялись и оставались на уровне их значений при однократном статическом нагружении.

Влияние частоты одноосной пульсирующей нагрузки. Увеличение частоты изменения нагрузки при одном и том же уровне приложен­ ных напряжений вызывает возрастание скорости нагружения образца (см. табл. 6.2) и таким образом может привести к изменению харак­ теристик усталости горных пород.

Описанный выше метод позволяет изучать поведение пород при пульсирующем нагружении с частотами 4,17; 8,33; 10; 12,5 Гц.

Экспериментальные данные одноосного пульсирующёго сжатия образцов при разных частотах изменения действующих синусоидаль­ ных напряжений показывают, что сопротивление пород усталостному разрушению и не остается постоянным.

Для исследованных образцов габбро, песчаника, известняка и мрамора построены общие статистические зависимости и найдена довольно тесная корреляционная связь между прочностью при одно­ осном сжатии Нсж ст и числом нагружений N до предела усталости при разных частотах изменения действующих напряжений при пуль­ сирующем нагружении (р = 0). Они описываются в исследованном интервале частот уравнениями, приведенными в табл. 6.3.

Из таблицы видно, что с возрастанием частоты (скорости) нагру­ жения число циклов приложения нагрузок, необходимое для разру­ шения, увеличивается, растет и величина предела усталости. Правда, в исследованном интервале частот это изменение еще не столь значи­ тельно и достигает в среднем 10 Vo.

при постоянной нагрузке. Интенсивность роста остаточных деформа­ ций несколько меньшем, чем полных. Изменение их аналогично изме­ нению полных продольных и поперечных деформаций от числа цик­ лов N, напряжений атах и коэффициента р.

Для всех пород, разрушившихся в процессе действия на них пуль­ сирующих нагрузок в условиях всестороннего давления, замечена тенденция уменьшения величины модуля упругости и увеличения коэффициента поперечной деформации, особенно в момент, близкий к разрушению. Чем выше амплитуда действующих напряжений и чем ниже коэффициент асимметрии, тем существеннее изменяются вели­ чины упругих характеристик пород. Для габбро их изменение незна­ чительно; у мрамора в отличие от габбро происходят значительные структурные изменения, которые сопровождаются более интенсив­ ным ростом деформаций ер и е5, увеличивается площадь петель на­ грузка-разгрузка, уменьшается угол наклона ветвей и оси деформа­ ций.

По диаграммам о — ер построенным для цилиндрических образ­ цов, испытанных при пульсирующих нагрузках растяжения сжатием по образующей в условиях объемного напряженного состояния (Ü6 = 50 МПа), а также установлен характер изменения деформаций (продольных и поперечных, полных и остаточных), петель гистерези­ са, упругих характеристик.

Так, при пульсирующем растяжении изменение площади петли с ростом числа нагружений гораздо меньше, чем при испытаниях на сжатие, не изменяется характер кривых напряжение — продольная и поперечная деформации. На рост продольных и поперечных дефор­ маций (полных и остаточных) оказывают влияние коэффициент асимметрии и величина максимального напряжения цикла: при увели­ чении атах и уменьшении р возрастает нелинейность их зависимости от числа циклов N. Более интенсивный рост деформаций наблюдается при нагружении слабых пород.

Упругие характеристики, определенные при скоростях изменения напряжений в течение одного цикла нагрузки, Ер д и i>p д до момен­ та разрушения пульсирующими нагрузками практически изменений не претерпевают — с ростом числа циклов нагружения перемещение петель нагрузка-разгрузка происходит с почти постоянным углом их наклона к оси деформаций.

Повышенная деформируемость горных пород как при сжатии, так и растяжении в режиме пульсирующего нагружения при действии боко­ вых давлений влияет на сопротивляемость горных пород этому виду нагрузок. Численные значения у при ag = 50 МПа и частоте 10 Гц составляет 15—30 % от статической прочности при том же давлении,

7. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ, ПРОЧНОСТИ И ДЕФОРМАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ДИНАМИЧЕСКОМ ВНЕДРЕНИИ ШТАМПА

7.1. ОСОБЕННОСТИ ПОВЕДЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ДИНАМИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ

Все виды нагружения в принципе следует относить к динамическим, тем не менее критерием оценки вида нагружения динамического или статического принят условно удельный вес инерционных сил в общем балансе действующих сил (15% и более от статической нагрузки). Второй особенностью поведения пород при динамических нагрузках является неравномерность во времени и по величине распределения напряжений по нагруженному объему, так как распределение напря­ жений преимущественно носит волновой характер. Третьей особен­ ностью поведения пород при динамическом нагружении является неравномерность деформирования нагружаемого объема, — одна часть нагружаемого объема деформируется больше, а другая часть этого же объема может быть деформирована меньше, или не дефор­ мироваться совсем.

Таким образом, при динамическом нагружении сравнительно большую роль играют волновые процессы, тогда как при статических нагрузках волновые процессы возникают лишь в первый период на­ гружения, а в дальнейшем они затухают и на процесс образования напряжений не влияют.

Разрушение породы при динамическом нагружении может прои­ зойти сразу в нескольких местах, тогда как при статическом нагру­ жении разрушение произойдет в наиболее слабом месте.

Из сказанного видно, что характер, форма деформаций и величи­ на напряжений в нагружаемом объеме зависит от способа приложе­ ния нагрузки, поэтому и показатели свойств пород, полученные при динамических и статических нагрузках имеют разные значения.

При выяснении влияния скорости нагружения на показатели свойств горных пород при динамическом внедрении пуансона процесс нагружения следует рассматривать как процесс взаимодействия двух тел — пуансона и породы. При этом следует иметь в виду, что масса пуансона или любого внедряемого тела имеет ограниченные размеры, а массу породы, как правило, принимают бесконечно большой.

Установлено [28], что не вся бесконечно большая масса породы будет принимать участие в процессе нагружения, а только его часть, обусловленная временем контакта нагружающего тела с породой, скоростью прохождения упругих волн, а также величиной и формой поверхностей тел.

Таким образом от свойств, размеров и форм нагружающего тела будет зависеть характер, закон и режим, по которому будет нагру­ жаться испытываемая порода.

Объем породы, охваченной деформацией, в процессе нагружения будет зависеть от формы контактирующей поверхности. При точеч­

ном контакте нагружающего тела с породой объем породы будет иметь форму полусферы с радиусом, равным произведению скорости распространения волн на время нагружения. В случае линейной на­ грузки форма этого объема будет близка к эллипсоиду. При равно­ мерно распределенной нагрузке по площади, форма и размеры поро­ ды, участвующей в нагружении будут зависеть от соотношения и величины контактирующей поверхности, а также от скорости распро­ странения продольных волн и от времени нагружения.

Таким образом при рассмотрении процесса динамического нагру­ жения должна рассматриваться совместно взаимодействующая пара — нагружающее тело и порода.

В дальнейшем для получения сравнимых результатов и классифи­ кации пород мы будем задаваться режимом нагружения, принимая при этом нагружающее тело (пуансон или другой инструмент) с по­ стоянными свойствами, обусловленными его формой и материалом. При этом будем иметь в виду, что массы взаимодействующих тел будут считаться сосредоточенными в центре инерции этих масс (объ­ емов) или тел.

При динамическом нагружении породы играет роль еще и схема нагружения. Под схемой нагружения понимается такое расположение ударяющего тела и породы, когда энергия удара может передаваться породе либо непосредственно ударяющим телом, либо через проме­ жуточный элемент (тело).

Характёр нагрузки в принципе не зависит от времени нагружения, хотя количественная разница в величине и виде передаваемой энергии имеется. При этом большую роль будет играть соотношение формы и размеров всех масс.

При непосредственном ударе тела о породу вначале возникает волна напряжений, которая будет распространяться по породе со ско­ ростью звука. Одновременно с этим возникает волна и в ударяемом теле, которая будет распространяться по нему также со скоростью звука. Как только волна дойдет до противоположного (от контак­ та) конца тела, она превратится из волны сжатия в волну растяжения и в отрицательной фазе вернется к месту контакта соударяющихся тел. Время контакта ударяющего тела с породой будет зависеть как от времени пробега волны по ударяющему телу, так и от формы тела и его контактирующей поверхности. Затем, если запас энергии у уда­ ряющего тела достаточный, может произойти разрушение на контак­ те соударяющихся тел. После чего ударяющее тело отскочит от поро­ ды, если упругие силы ее еще будут иметь место.

Таким образом энергия удара, запасенная в виде кинетической энергии ударяющегося тела будет превращена в энергию, идущую на разрушение, на упругие деформации и диссипативные потери в вол­ не, и на остаточную энергию, идущую на отскок ударяющего тела.

7.2. НЕКОТОРЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДИНАМИЧЕСКОГО НАГРУЖЕНИЯ ЧЕРЕЗ ПУАНСОН

В настоящее время наиболее распространены:

метод определения динамической твердости по упругому отскоку на приборе Шора;

метод определения твердости, основанный на измерении энергии, требующейся на внедрение пуансона определенной длины (ударник ДорНИИ);

метод определения динамических характеристик пород на прибо­ рах типа ДП-7 (8) и ПДС-4 (5).

Сущность метода с использованием прибора Шора и аналогичных ему приборов (Тархова и др.) состоит в том, что на гладко обрабо­ танную поверхность испытываемого образца горной породы сбрасы­ вается с определенной высоты боек со сферическим алмазным нако­ нечником и по средней высоте отскока бойка от поверхности породы определяют твердость породы. Сбрасывание бойка производят каж­ дый раз в различные точки образца. Отношение высоты отскока к вы ­ соте сбрасывания называется коэффициентом отскока, который ха­ рактеризует упругие свойства. Образцы горной породы должны иметь две плоско параллельные шлифованные плоскости. Толщина образца должна быть не менее 40—50 мм. На этом же приборе опреде­ ляется и контактная, динамическая пластичность горных пород, кото­ рая основана на изменении эффекта контактного упрочнения при повторных микроударах в одну и ту же точку образца.

Сущность метода, основанного на измерении энергии для внедре­ ния пуансона на приборах типа ударника ДорНИИ заключается в том, что в породу вбивается пуансон определенной длины, при этом энер­ гия одного удара остается постоянной. За показатели энергоемкости принимается число ударов, необходимое для полного внедрения пуан­ сона. Длина пуансона в ударнике ДорНИИ 100 мм, диаметр 11 мм.

Параметры удара на приборе ДорНИИ могут изменяться в зависи­ мости от твердости породы. Для грунтов принимают массу груза 2,5 кг и высоту 40 см. Известны и другие параметры груза, при кото­ рых энергия удара выше.

Метод определения динамических контактных характеристик на приборах ДП-8 и ПДС-4 (5) основан на динамическом внедрении плос­ кого штампа в слабо обработанную (после распиловки алмазным диском) поверхность образца горной породы. При этом высота сбра­ сывания груза со штампом переменная и сбрасывание производится каждый раз в разные точки образца. В принципе методика работ на этих приборах одна и та же, но метод регистрации параметров удара

метры удара фиксируются на экране электронной трубки. При этом записывается сразу график сила — внедрение.

Рис. 7.1. Прибор для определения динамических контактных характеристик по* род ДП*8:

а —конструкция прибора; б —пустотелый груз

Таким образом, при ударе индентора о породу мы получаем на приборе величину сжатия пружины, которая зависит от свойств поро* ды (от ее сопротивляемости внедрению индентора), а также величину деформации породы под индентором.

После установки прибора и внешнего его осмотра проводят под­ готовку к работе в следующем порядке.

Вначале устанавливается испытываемый образец горной породы на плиту и закрепляется винтом; затем нужно опустить подвижный груз на образец и убедиться в том, что индентор контактирует с об ­ разцом по всей поверхности.

После этого необходимо поставить на нули все показатели переме­ щений путем вращения опорной втулки 20 и шкалы индикатора часо­ вого типа, а также установить ограничитель высоты 21 на нужную отметку.