Методы определения свойств горных пород

6.2.2. Методы определения  деформационных и

акустических  свойств.

      Из деформационных свойств горных пород обычно определяют модуль деформации (для упругого участка деформирования - модуль упругости Е) и коэффициент поперечных деформаций (коэффициент Пуассона) n.

      При этом методы их определения можно  подразделить на статические и динамические.

      Статические методы основаны на измерении деформаций образцов исследуемых пород под нагрузкой. Для измерения продольных и поперечных деформаций образцов при их нагружении применяют проволочные тензометры сопротивления (рис. 6.2), либо механические индикаторы часового типа.

 

 

    Рис. 6.2. Образцы горных пород с наклеенными  тензометрами для определения деформационных свойств.    
 
 

      В процессе нагружения и разгрузки  с помощью автоматической записывающей аппаратуры ведут непрерывную запись деформаций, либо фиксируют деформации через определенные ступени нагружения и разгрузки.  

      Динамические методы определения деформационных (упругих) свойств пород основаны на измерении скоростей упругих колебаний, возбуждаемых в исследуемых образцах в диапазоне звуковых и ультразвуковых частот, т.е. фактически являются в то же самое время методами определения акустических свойств пород.

      Эти методы разработаны значительно  позднее, чем статические, но получают все большее распространение  благодаря простоте, малой трудоемкости измерений и применению удобных  в работе и надежных серийных измерительных  приборов.

      Наибольшее  распространение в практике исследования свойств горных пород получил импульсный динамический метод, в основе которого лежит пропускание через образец исследуемой породы повторяющихся импульсов ультразвуковых колебаний, по значениям скоростей распространения которых рассчитывают упругие характеристики.

      Определение акустических, а затем и упругих  свойств импульсным динамическим методом  обычно ведут путем прямого прозвучивания  и продольного профилирования образцов горных пород. Для прозвучивания  образца (рис. 6.3, а) к одному из его  торцов прижимают ультразвуковой излу-

    Рис. 6.3. Определение акустических и упругих  свойств образцов пород импульсным ультразвуковым методом.

а - измерение  скорости продольных и поперечных упругих  волн прямым прозвучиванием; б - измерение  скорости поверхностных волн.

1 - электронный  ультразвуковой прибор типа УК.-10П; 2 - образец породы; 3 - излучатель; 4 - приемник.  

чатель, а к другому - приемник (кристаллы  кварца, сегнетовой соли, керамика титаната бария, магнитострикционные преобразователи  и др.).

      Для измерения скорости поверхностных  волн V_R излучатели располагают, как показано на рис. 6.3 б.

      Следует заметить, что модуль упругости, определяемый динамическими методами, обычно бывает несколько выше, чем при статических  измерениях. Это расхождение обусловлено  неидеальной упругостью пород, оно  минимально для весьма плотных разновидностей и возрастает по мере снижения плотности  пород.

      Экспериментально  определив модуль продольной упругости Е и коэффициент поперечных деформаций v, можно вычислить значения модуля сдвига G и модуля всестороннего сжатия К.  

6.2.3. Методы определения  прочностных свойств.

      Наибольшее  использование в задачах геомеханики  имеют характеристики прочности  при одноосных сжатии [s_сж] и растяжении [s_р], а также при срезе (сдвиге) [t_ср].

      В своё время был разработан ГОСТ 21153.2-84, в соответствии с которым определение  прочности пород при одноосном  сжатии производится на цилиндрических образцах диаметром 40-50 мм с отношением высоты к диаметру, равным 0,9-1,1. Допускается  также проводить испытания на кубических образцах со стороной размером 45±5 мм. Торцовые поверхности образцов шлифуют, их выпуклость (вогнутость) после шлифования не должна быть более 0,05 мм. Торцовые поверхности должны быть параллельны друг другу (отклонение не более 0,1 мм) и перпендикулярны к образующим цилиндра (отклонение 1,0 мм).

      Испытания проводят на прессе (рис. 6.4).

 

 

      Рис.6.4. Определение прочности горных пород  при одноосном сжатии.

1 - образец; 2 - калёные прокладки; 3 - центрирующее  устройство; 4 - плиты пресса.   
 

      Для строго центрированного нагружения образца между ним и одной  из плит пресса помещают шариковое  центрирующее устройство. Нагружение образца производят с равномерной  скоростью в пределах 1-30 кгс/(см^2.с), повышая нагрузку вплоть до разрушения образца и фиксируя значение разрушающей нагрузки.

      Цилиндрические  образцы пород стандартных размеров могут быть использованы и для  определения предела прочности  при растяжении. Определение производят методом диаметрального сжатия (рис. 6.5), так называемым “бразильским методом”.

 

 

      Рис. 6.5. Определение прочности пород  при растяжении методом диаметрального сжатия.

1 - испытуемый  образец породы; 2 - плиты пресса.    
 
 

      В результате диаметрального сжатия в  образцах возникают растягивающие  напряжения.

      При массовых определениях прочностных  свойств горных пород весьма удобен метод комплексного определения  пределов прочности при многократном раскалывании и сжатии.

      Из  проб изготавливают породные пластины толщиной 20 мм со строго параллельными  шлифованными гранями. Одну из граней расчерчивают на квадраты со стороной, равной толщине пластины. Затем пластину раскалывают по прочерченным линиям стальными клиньями, определяя прочность  породы на растяжение (рис. 6.6).

 

 

      Рис. 6.6. Определение прочности при  растяжении методом раскалывания породных пластин клиньями.

1 - образец  породы; 2 - клинья; 3 - соосник; 4 - плиты  пресса.    
 
 

      Получаемые  в результате раскалывания кубовидные образцы используют для определения  предела прочности на сжатие. При этом образцы нагружают по двум параллельным шлифованным граням.

      Прочность на срез (сдвиг) определяют в специальных  стальных матрицах (рис. 6.7). Образец  находится в условиях среза со сжатием. При испытаниях важно обеспечить равномерное распределение усилия пресса по сечению испытуемого образца. Испытания проводят на цилиндрических образцах указанных выше стандартных  размеров. Зазор между разъемными половинами матрицы при вложенном  в нее образце должен иметь  постоянную ширину не более 2 мм.

 

 

      Рис. 6.7. Схема определения прочности  пород при срезе.

а - общий вид  установки; б - схема испытаний.1 - пли-ты пресса; 2 - центрирую-щее приспособление; 3 - испытуемый образец; 4 - срезная матрица; 5 - роликовая опора.    
 
 

6.2.4. Методы определения  запредельных характеристик.

      Поведение горных пород под нагрузкой в  полной мере характеризуется так  называемой полной кривой "напряжение-деформация", которая состоит из двух ветвей - восходящей до значения [s_сж], равного пределу прочности испытуемой породы, и ниспадающей от [s_сж] до [s_ост] - остаточной прочности (рис. 6.8).

      Рис. 6.8. Типичные кривые "напряжение-деформа-ция" для горных пород, получа-емые на обычных  испытатель-ных прессах (а) и машинах  с повышенной жесткостью (б).

l-V - области: I - закрытия структурных дефектов, II - линейного деформирования, III - образования микротрещиноватости, IV - разветвления и слияния трещин, V - снижения грузонесущей способности.  

      В процессе экспериментов на испытательной  машине или прессе наряду с деформациями испытуемого образца деформируется  и сама испытательная машина. При  достижении образцом предела прочности  и начале разрушения упругая энергия, накопленная испытательным оборудованием, сообщается образцу и реализуется  обычно в виде очень быстрого (лавинообразного) его разрушения. При этом вид и  характеристики восходящей ветви кривой деформирования практически не зависят  от деформационных характеристик испытательного оборудования.

      Если  при испытаниях применять силовые  устройства, не способные накапливать  упругую энергию или исключающие  ее передачу образцу после начала разрушения, то деформирование горных пород за пределом прочности будет  происходить достаточно спокойно и  может быть зафиксировано в виде ниспадающей ветви. Вполне естественно, что параметры ниспадающей ветви кривой деформирования в весьма существенной степени определяются деформационными характеристиками испытательного оборудования.

      Деформационные  характеристики силового оборудования - испытательных машин, прессов, нагрузочных  приспособлений и установок - оцениваются показателем жесткости, представляющим собой отношение усилия, развиваемого оборудованием, к абсолютным деформациям, возникающим в нем. Обычные испытательные машины и прессы имеют жесткость в пределах (0,05 - 0,1) 10⁵ кгс/см.

      В настоящее время разработаны  многочисленные конструкции специальных  компенсаторов, позволяющих увеличивать  жесткость обычных испытательных  машин до (1,5 - 2,5) 10⁶ кгс/см. Вместе с тем предложены и принципиально отличающиеся конструкции специальных прессов с весьма высокой степенью жесткости, позволяющие испытывать широкий круг пород в том числе и весьма хрупких. Одна из таких конструкций с жесткостью 2^.10⁷ кгс/см (автор - профессор А.Н. Ставрогин) приведена на рис. 6.9.

      Рис. 6.9. Схема жесткого пресса.

А - плунжерный насос; Б, Г - самотормозящиеся клиновые пары; В - гидродомкрат.

1 - винт для возвращения клиновой пары Б в исходное положение; 2 - нутромер; 3 - испытываемый образец; 4 - экстензометр; 5 - жесткая рама; 6 - регулировочный винт; 7 - корпус; 8 - груз.   

      При проведении испытаний образцы практически  любых пород (вплоть до самых хрупких) деформируются без динамических явлений, спокойно, при этом, как  правило, образец после испытаний  сохраняет свою форму, хотя и не способен нести внешнюю нагрузку.

      На  рис. 6.10 представлены типичные кривые деформирования разнообразных пород, из которых следует, что остаточная прочность исследованных пород  составляет не более 5% от максимальной, модули деформирования для различных ветвей кривой противоположны по знаку, причем крутизна спада всех кривых, характеризуемых модулями спада М, за исключением мрамора, превосходит модуль деформирования для восходящих ветвей деформационных кривых.