Файл: Карташов Ю.М. Ускоренные методы определения реологических свойств горных пород.pdf

шем деформация растет с постоянной скоростью, обу­ словленной вязкостью системы. Приложение к модели вибрационной нагрузки с максимальным значением на­ пряжения о=Отах и с минимальным, равным нулю, вы­ зывает соответствующую деформацию, изменяющуюся по синусоидальному закону (см. рис. 35, 3). Кривая деформации, соответствующая напряжению GmaX) Харастеризует ползучесть модели при вибрации (см. рис. 35, 2). Так как время воздействия нагрузки на вяз­ кий элемент во время вибрационных испытаний меньше, чем при статических, то скорость ползучести при вибра­ ции должна быть меньше скорости при статических ис­ пытаниях. При синусоидальном изменении напряжений (от 0 до зтах) скорость ползучести должна умень­ шиться вдвое. Это противоречит экспериментальным данным о вибрационной ползучести многих материа­ лов.

Для качественного объяснения процесов деформи­ рования при статических и вибрационных нагрузках нами предлагается реологическая модель, аналогичная модели Максвелла и содержащая упругий и вязкий элементы (рис. 36). Отличие от модели Максвелла со­ стоит в параллельном соединении двух элементов: структурной и статической вязкостей. Статическая вяз­ кость обусловлена диаметром полого отверстия в поршне, а структурная вязкость — диаметром второго отверстия. Подпружиненный клапан в элементе струк­ турной вязкости имитирует дополнительные деформа­ ции модели за цикл «нагрузка — разгрузка» (увеличе­ ние деформации за счет освобождения частиц материа­ ла от заклинивания при разгрузке). При длительном действии статической нагрузки на данную систему де­ формирование во времени происходит так жё, как и на модели Максвелла. Структурная вязкость не оказывает влияния на величину деформации, так как клапан, пре­ одолевая усилие своей внутренней пружины, под дей­ ствием давления жидкости в поршне поднимается вверх и перекрывает своим заплечиком нижнюю часть отверстия. При вибрационном приложении нагрузок клапан периодически открывает отверстие, и система

При т)стр = со ky =0,5. Этот случай характеризует ползучесть идеальной вязкости при вибрационных на­ грузках.

При т]стр=2т)с /?у = 1. В этом случае ползучесть материала одинакова при действии эквивалентных ста­ тических и вибрационных нагрузок (а тах = аст)-

При т)Стр<С2'Пс /еу >1. Ускорение ползучести при вибрационных нагрузках происходит тогда, когда ко­ эффициент структурной вязкости меньше удвоенного коэффициента статической вязкости.

При 2 т)с < т]стр < оо 1>/еу>0,5. В этом интервале значений коэффициента структурной вязкости происхо­ дит уменьшение ползучести при вибрационных нагруз­ ках.

Таким образом, краткий анализ поведения предло­ женной модели при действии вибрационных нагрузок показывает, что:

вибрационные нагрузки приводят как к увеличению, так и к уменьшению скорости ползучести материалов; различное поведение материалов при действии виб­ рационных нагрузок зависит от соотношения в мате­

риале вязких и упругих элементов; чем пластичнее материал, чем меньший эффект

(в отношении ускорения процессов ползучести) долж­ ны дать вибрационные испытания.

Параметрами, характеризующими соотношение в материале упругих и вязких элементов, могут служить модуль упругости Еу и модуль деформации Ел. Мо­ дуль деформации, учитывающий полную деформацию образца при нагрузке, комплексно отражает н упругие, и вязкие свойства материала, не разделяя их. Модуль упругости характеризует только упругие свойства ма­ териала.

Коэффициент вибрационного ускорения, таким об­

Определение модулей упругости и деформации по­ род проводили при испытании образцов пород на сжа­ тие, с измерением деформаций фотоэлектрическим тен­ зометром (для прочного мела и мергеля — прижимным

(«нагрузка — разгрузка»), без последующего нагруже­ ния образца.

Результаты сопоставительных испытаний образцов слабых горных пород и искусственных материалов на ползучесть приведены в табл. 7.

Обращают на себя внимание результаты сопостави­ тельных испытаний парафина — материала весьма пластичного и вязкого. При сопоставительных испыта­ ниях парафина особенное внимание уделялось поддер­ жанию одной и той же температуры материала образ­ ца как во время статиче­ ских, так и во время виб­ рационных испытаний.

•Скорость вибрадионной ползучести для парафина оказалась меньше скоро­ сти при статических ис­ пытаниях: коэффициейт вибрационного ускорения для парафина равен 0,63.

коэффициент вибрационного ускорения.

На рис. 37 даны результаты сопоставительных ис­ пытаний на ползучесть. Зависимость между коэффици­ ентом вибрационного ускорения и отношением модулей может быть представлена следующей формулой:

при -f5- > 0,24.

-V

Отклонения от данной прямолинейной зависимости наблюдаются для точек, соответствующих результатам испытаний парафина и эквивалентного материала. От­ клонение может быть обусловлено как существенным отличием структуры искусственных материалов от структуры пород, так и сложностью определения де­

формационных характеристик парафина и эквивалент­ ных материалов из-за большой ползучести последних при нагрузке и разгрузке. Результаты сопоставитель­ ных испытаний слабых пород, как видно из рис. 37, не­ значительно отклоняются от прямолинейной зависи­ мости.

Интересно отметить, что для некоторых грунтов, обладающих значительными остаточными деформация­ ми после цикла «нагрузка — разгрузка», т. е. неболь­ шим отношением Ел : Еу, скорость ползучести при вибрационном приложении нагрузок в 1,4 раза больше скорости при статическом нагружении [60]. Отсутствие данных о методике определения деформационных ха­ рактеристик грунтов (например, о времени нагрузки и разгрузки образца) и иной режим приложения вибра­ ционных нагрузок не позволяют надежно сопоставить результаты испытаний грунтов с полученными резуль­ татами. Однако даже при грубом сопоставлении не­ трудно заметить, что результаты испытаний грунтов, коррелируются с результатами испытаний, представ­ ленными на рис. 37.

Учитывая прямую пропорциональность между час­ тотой приложения нагрузки и скоростью ползучести, формулу (23) можно представить в следующем виде:

При достаточно большом значении коэффициента ky можно принять, что vjcTp ~ т)0. Тогда