книги / Экспериментальная физика и механика горных пород

Начальное давление Р в ресивере и его объем V с учетом харак­ теристики жесткости пресса выбираются по той же схеме, которая была показана в главе 1 при описании варианта (7) жесткого прес­ са для статических испытаний. Отличие состоит лишь в том, что в данном случае отсутствует передача перемещения и усилия через клин и поэтому в приводимых формулах нет соответствующего множителя, учитывающего это обстоятельство:

V —Sd(A - Fm/ С) / $Р,

P = Fm(A - F m/C )/S d(A3- F m/C),

где С — жесткость конструкции; Sd — площадь поршня пщродомкрата; Р — сжимаемость рабочей жидкости; А — полная абсолют­ ная деформация образца; А, — абсолютная запредельная деформа­ ция образца; Fm— максимальная нагрузка на образце.

Предварительные параметры полной диаграммы «нагрузка—де­ формация» испытываемого материала получают при испытании образца-близнеца в статическом режиме на этом же прессе. После первого динамического эксперимента, если это необходимо, осу­ ществляется корректировка начальных значений Р и V.

Скорость динамической деформации регулируется с помощью дросселя 77 и величины давления Р.

Статические испытания осуществляются при подаче в гидродом­ крат давления от источника 14 по трубопроводу 10. При этом кла­ пан 77 автоматически перекрывает канал связи с ресивером.

Пресс позволяет проводить испытания образцов в переменном режиме нагружения. С помощью статического привода можно до­ водить деформацию образца до разной стадии допредельного или запредельного деформирования, а затем осуществлять импульсное нагружение с помощью динамического привода. В процессе опыта продольная и поперечная деформации образца регистрируются с помощью экстензометров, закрепленных на образце. Усилие заме­ ряется динамометром 16, контактирующим с нижним концом об­ разца. Погрешность измерения указанных параметров в динамиче­ ском режиме составляет от 2 до 5 %.

Экстензометры для замера деформации в динамических экспе­ риментах представляют собой натянутую в каркасе струну из тон­ кой высокоомной проволоки. Каркас крепится к нижнему подпят­ нику-динамометру 16. Подвижный контакт, который перемещает­ ся по струне при деформации образца, крепится к верхнему подпятнику образца. Такой датчик обладает малой инерционно­ стью и позволяет осуществлять регистрацию динамического про­ цесса деформирования до скоростей £j = 10+2 с -1. В многочислен­ ных опытах тензометрические датчики сопротивления наклеива­ лись непосредственно на поверхность образца. В этом случае

112

рабочей камере клапана. Этим давлением головка 6 прижимается к уплотнительным кольцам 8 и герметично перекрывает выходное отверстие 4. Управление клапаном осуществляется с помощью крана 12. При его открытии давление из полости 2 попадает в кольцевую полость под головкой б и отбрасывает ее, освободив выходное отверстие 4.

Клапан надежно работает как с низкими, так и с высокими дав­ лениями. Усилие прижима головки к уплотнительным кольцам ре­ гулируется автоматически: чем выше давление, тем сильнее при­ жим, обеспечивающий надежную герметизацию.

Рис. 2.3. Принципиальная схема (а) и внешний виц (б) жесткой динамической установки для трехосного сжатия (вариант 2).

На рис. 2.3, а изображен другой вариант установки для динами­ ческих испытаний в условиях трехосного сжатия [101, 109]. По сравнению с описанной выше установкой здесь оригинальным яв­ ляется исполнение камеры высокого давления и расположение ди­ намического привода. Камера и привод выполнены в виде незави­ симой динамической приставки к любому статическому прессу или даже просто силовой раме.

Камера и нагружающий гидродомкрат представляют собой ком­ пактный конструктивный узел, что чрезвычайно важно с точки зрения обеспечения высокой жесткости системы. Нагружающий гидродомкрат вмонтирован в поршень 4 камеры 2 высокого давле­ ния. Поршень домкрата 8 и нагружающий шток 9 объединены в

114

одну деталь. В штоке 4 расположена также компенсационная ка­ мера 6, связанная с рабочей камерой 5 каналами 7. Назначение компенсационной камеры состоит в поддержании постоянного давления в рабочей камере во время динамического акта нагруже­ ния, сопровождающегося вдвижением штока 9 в камеру 5. Вытес­ няемая при этом рабочая жидкость перетекает по каналам 7 в об­ разующееся пустотное пространство 6. Ресивер переменного объе­ ма 10 и быстродействующий клапан 14 вынесены за пределы рамы пресса и таким образом снижены линейные размеры деталей кон­ струкции, подвергающихся упругой деформации при создании на­ грузки на образец и снижающих жесткость нагружающей системы.

В разработанной авторами конструкции такая динамическая приставка была предназначена для жесткого пресса с рамой 1 и не­ зависимым статическим нагружающим приводом 11. В таком вари­ анте жесткость установки была более высокая, чем в варианте (2). Наличие двух независимых приводов дает возможность осуществ­ лять испытание образца 3 в статическом, динамическом, а также в переменном режиме деформации. Последний режим предполагает течение деформационного процесса при статических скоростях до любой стадии деформации, включая область за пределом прочнос­ ти, а затем создание динамических скоростей нагружения. Регист­ рация усилия и деформации образца осуществляется закрепленны­ ми на нем датчиками 12 и 13.

К недостаткам данной конструкции следует отнести то обстоя­ тельство, что ограниченная площадь гидродомкрата вынуждает ис­ пользовать высокие давления в ресивере при развитии больших нагрузок на образец. При испытании же слабых пород установка по­ казала высокую надежность и удобство в эксплуатации. В использо­ ванном авторами для проведения экспериментальных исследований варианте данной установки параметры ее были следующие: жест­ кость установки Ю10 Н/м; скорость деформации от ё, = 10~* с -1 до &, = 10+2с~‘; максимальное давление вкамере 500МПа; максималь­ ное усилие, развиваемое домкратом, 75 кН.

2.2.2. Жесткая установка для динамических испытаний при одноосном сжатии

На рис. 2.4 изображена схема установки, разработанной для проведения исследований свойств горных пород до предела и за пределом прочности при одноосном сжатии в диапазоне скоростей деформирования от = 10*6 с -1 до ё, = 10+2 с -1 [80, 101, 103,

110].

Так же как и в описанных двух предыдущих вариантах жестких динамических установок, данная установка снабжена двумя неза-

115

Рис. 2.4. Принципиальная схема жесткой установки для динамических испыта­ ний в условиях одноосного сжатия.

висимыми нагружающими приводами: статическим и динамиче­ ским. Первый из них представляет собой жесткий клиновой при­ вод 1, принцип действия которого подробно описан при обсуж­ дении статических жестких установок в главе 1. Диапазон обеспечиваемых данным приводом скоростей деформаций от £j = 10^ с -1 до е, = 10_3 с -1. Привод имеет очень высокую харак­ теристику жесткости (2 х Ю10 Н/м), что позволяет исследовать с его помощью за пределом прочности весьма хрупкие горные поро­ ды. Этот же привод служит для подготовки испытания образца в динамическом режиме.

Динамический нагружающий привод размещен в жесткой сило­ вой раме 5 пресса. Он включает в себя ресивер переменной емко­ сти б, регулируемой винтом 12, быстродействующий клапан 9, узел 10 регулировки скорости перетекания жидкости, динамический гидродомкрат с нагружающим штоком 4, размещенный в силовой раме 5. Ресивер служит для аккумулирования энергии упруго сжа­ той жидкости, которая закачивается в него насосом высокого дав­ ления 7. Контроль давления в нем осуществляется по манометру 8.

При проведении эксперимента образец 2 устанавливается на клин 3, который одновременно является динамометром, и с помо­ щью гидропривода 1 поджимается к штоку динамического гидро­ домкрата 4. Динамический привод работает на принципе расшире­

116

ния сжатой жидкости. При открытии быстродействующего клапа­ на 9 сжатая под высоким давлением в ресивере жидкость стремительно перетекает в полость гидродомкрата 4 и осуществля­ ет динамическое нагружение образца. При этом сопротивляемость образца нагрузке замеряется с помощью динамометра 3, а дефор­ мация образца регистрируется закрепленными на нем экстензометрами. Скорость динамической деформации образца ре1упируется с

помощью узла 10 и величиной давления, создаваемого в ресивере перед началом опыта. Максимальная скорость деформации состав­ ляет ё, = 10+2 с -1. Для обеспечения постоянной скорости дефор­ мации образца за пределом прочности выбор объема ресивера и начального давления в нем осуществляется на описанном в преды­ дущем разделе принципе.

Данная установка позволяет проводить испытания образцов в переменном скоростном режиме нагружения. С помощью статиче­ ского привода можно доводить деформацию образца при медлен­ ных скоростях до любой стадии допредельного или запредельного деформирования, а затем осуществлять импульсное нагружение с помощью динамического привода. Возможна обратная последова­ тельность изменения скоростного режима: сначала оказывается динамическое воздействие на образец, а затем следует резкое сни­ жение скорости деформации до статической. В этом случае ве­ личина динамической деформации регулируется с помощью спе­ циального упора 11. Вид испытания в переменном режиме нагру­ жения используется, в частности, при исследовании влияния скорости деформации на механические свойства материала за пре­ делом прочности.

В использованном авторами для проведения экспериментальных исследований варианте данной установки параметры ее были сле­ дующие: жесткость установки 2 • 1010 Н/м; скорость деформации от ё, = 10*6 с -1 до ё, = 10+2 с -1; максимальное усилие 75 кН; габа­ риты пресса — 1200 х 500 х 250 мм; размер образцов — диаметр 30 мм, длина 60 мм.

2.2.3. Пружинный пресс для исследований на ползучесть в условиях постоянно заданной нагрузки

Исследования на ползучесть проводились на пружинных уста­ новках длительных испытаний (УДИ), позволяющих развивать максимальное усилие 100 т [67]. Постоянство задаваемой нагрузки обеспечивается упругой энергией пакета сжатых тарельчатых пру­ жин. Принципиальная схема пресса изображена на рис. 2.5. Обра­ зец 2 (или камера высокого давления с образцом) устанавливается

117

Рис. 2.6. Общий вид зала с комплектом установок на ползучесть и длительную прочность УДИ.

118

на столе, расположенном на передвижной траверсе 3. Усилие со­ здается с помощью гидродомкрата 9 и передается через винт б на пакет тарельчатых пружин 5 и далее через травесу 3 — на образец 2. Величина нагрузки контролируется с помощью постоянно уста­ новленного индикаторного устройства (не показанного на схеме), измеряющего стрелу прогиба пакета пружин как в процессе нагру­ жения, так и в процессе ползучести. Каждый пресс имеет свой контрольный тарировочный график зависимости стрелы прогиба от нагрузки. После того как нагрузка достигла своего назначенного уровня, гайка 7 на винте 6 доводится до упора в траверсу 8. В этом случае домкрат 9 отключается и нагрузка замыкается колоннами 4 между траверсами 1 и 8. Максимальная величина стрелы прогиба пакета пружин составляет 100 мм. В процессе ползучести образца нагрузка пресса может уменьшаться. Чтобы этого не происходило, систематически осуществляется корректировка нагрузки гидро­ домкратом 9 и новой фиксацией ее гайкой 7.

Общий вид зала с комплектом установок УДИ показан на рис. 2.6. Общий вид призматического образца для испытаний на ползу­ честь, оснащенного индикаторами часового типа для измерения деформаций, изображен на рис. 2.7. Образец размером 150 х х 150x300 мм. Сжимающая нагрузка Р передается через сфери­ ческий шарнир. Система индикаторов позволяет измерять как продольные, так и поперечные деформации. Индикаторы 3 и 4 (последний на рисунке не виден) измеряют продольные деформа­

б — поперечные деформации в средней части образца, индика­ торы 7 и 8 — поперечные деформации в нижней части образца.

Призматические образцы использовались в опытах на ползу­ честь при одноосном сжатии образцов каменной соли, сильвинита, бетонов, кембрийских глин, т. е. материалов с относительно невы­ сокой прочностью.

Более прочные горные породы испытывались с использовани­ ем образцов цилиндрической формы в виде кернов, которые по­ лучались путем выбуривания из монолитных кусков горных по­ род. Конструкция цилиндрического образца для длительных ис­ пытаний в условиях одноосного сжатия изображена на рис. 2.8. Образец 5 оснащен двумя зеркальными экстензометрами 10 для измерения продольных деформаций и индикатором часового ти­ па 8 с ценой деления 0.001 мм для измерения поперечной де­ формации. Индикатор укреплен на скобе 7, имеющей упругие шарниры 1, 11, которые обеспечивают надежное касание стойки индикатора и упора 3 с поверхностью образца. Упругие шарниры 1, 11 с помощью детали 12 жестко соединены с нижним подпят­ ником образца 13.

119

•2

Рис. 2.7. Конструкция образца призматической формы для длительных испытаний.

Рис. 2.8. Конструкция образца цилиндрической формы для длительных испытаний.

120