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

и предел длительной прочности, отличный от нуля при t—>оо . Авторами метода указывалось также, что соотношение предельного импульса и предела длитель­ ной прочности дает возможность судить о степени уп­ ругости и вязкости горной породы.

А. В. Надеждиным и В. А. Сорокиным разработана методика ускоренного определения длительной прочно­ сти мерзлых горных пород [21]. Значение предела длительной прочности определяют по результатам кратковременных испытаний нескольких образцов с различной скоростью деформации и находят как сопро­ тивление, соответствующее нулевой скорости дефор­ мации. Авторами предложена также методика опреде­ ления длительной прочности по результатам испытания одного образца (при небольшой скорости деформа­ ции) .

Широко используются в практике лабораторных исследований ускоренные методы, основанные на крат­ ковременных испытаниях образцов пород на сжатие или срез, с регистрацией особенностей деформирования и разрушения пород. При испытаниях учитываются различные характерные показатели: объем материала образца, скорость ультразвука, изменение характера кривой деформирования, скорость деформирования, трещиноватость и т. д. Эти методы основаны на экс­ периментальных данных о качественном изменении процессов деформирования материалов после превы­ шения нагрузкой значения, соответствующего пределу длительной прочности.

О. Я. Бергом [221 отмечалось, что пределу дл тельной прочности бетона соответствует граница обра­ зования микротрещпн. В работе [23] доказывается, что пределу длительной прочности бетона соответствуют начало увеличения объема образца и момент измене­ ния наклона прямой Igo—Ige. па графике кратковре­ менных испытаний,

Аналогичные исследования проведены Е. В. Пла­ тоновым и Ю. И. Великодным [241. Авторы определя­ ли длительную прочность грунта по графику lgo — lgr. Определяемые таким образом показатели длительной прочности не зависят от времени проведения испыта­

ний.

В работе [25] детально рассмотрена методика ус­

коренных определений предела длительной прочности горных пород, применяемая в лабораториях Мельбурн­ ского университета. За предел длительной прочности по этой методике принимается значение напряжений, соответствующее верхнему пределу пропорциональ­ ности, т. е. моменту, при котором скорость нарастания напряжений начинает уменьшаться. Исходным мате­ риалом для расчетов по этой методике являются ре­ зультаты кратковременных испытаний пород на одно­ осное сжатие.

Г. Л. Фисенко и В. И. Веселковым разработан ком­ плекс ускоренных методов определения предела ползу­ чести горных пород [26]. За предел ползучести при­ нимается напряжение, превышение которого вызывает незатухающие деформации. Авторами предложены сле­ дующие методы определения этого показателя.

1.По результатам испытаний образцов пород в срезных приборах строят графики зависимости дефор­ маций от срезающих нагрузок. Напряжения, при ко­ торых скорость деформаций возрастает, приближенно определяют по перегибу кривой на графике т—е. Они соответствуют пределу ползучести породы.

2.При испытаниях в стабилометре или в приборе «косого среза» вертикальное давление подается ступе­ нями. При скорости деформации 2—3 р./с нагружение образца прекращают и наблюдают за затуханием де­ формации. Напряжение, при котором деформирова­ ние образца прекращается, принимается за предел

ползучести.

3. При испытании образцов в срезных приборах нагрузку увеличивают ступенями до тех пор, пока она не вызовет непрерывной деформации со скоростью 2— Зр/с, а затем сдвигающую нагрузку уменьшают до тех пор, пока дальнейшее уменьшение ее не вызовет об­ ратную деформацию образца — упругое восстановле­ ние. Величина касательного напряжения, при котором прекращается рост деформации среза, соответствует пределу ползучести породы.

Представляют интерес ускоренные методы испыта­ ний, основанные на ступенчатом приложении нагрузок к образцу, с выдержкой каждой ступени нагрузки в те­ чение определенного времени. Эти методы основаны, применительно к процессам ползучести, на гипотезе

Больцмана (принцип суперпозиции, или наложения). Детальный анализ результатов испытаний при сту­ пенчатом приложении нагрузок впервые проведен Г. Н. Кузнецовым [27], который отмечал возможность получения всего семейства кривых ползучести при испытании одного образца и значительного ускорения

испытаний.

В работах М. Н. Гольдштейна, С. С. Вялова и дру­ гих исследователей [16, 28, 29] описана ускоренная методика определения показателей ползучести и пре­ дела длительной прочности пород, основанная на ступенчатом нагружении образца. Результаты иссле­ дований показали, что значения прочности, определя­ емые по этой методике, оказываются несколько завышенными. В работе |[28] описана также методика ускоренного определения показателей длительной объ­ емной прочности (сцепление и угол внутреннего трения) при ступенчатом нагружении образцов в срезных при­ борах.

С. Р. Месчяном [30] предложена методика испыта­ ний грунтов на ползучесть. Испытаниям подвергают два образца (при постоянном напряжении и при сту­ пенчатом приложении нагрузок). По результатам ис­ пытаний определяют параметры реологического урав­ нения. Достоинством данного метода является значи­ тельное сокращение числа образцов и испытательной аппаратуры. При дальнейшем усовершенствовании ме­ тода С. Р. Месчяном было предложено испытывать три образца для определения семейства кривых пол­ зучести при сдвиге [31]. На двух образцах, испыты­ ваемых при постоянном напряжении, должны быть получены две кривые ползучести с затухающим и не­ затухающим характером деформирования. Третий об­ разец испытывают при ступенчато-возрастающей на­ грузке. По результатам испытаний определяют кривые ползучести для любого напряжения, а также предел структурной прочности породы.

Ю. Ф. Кузнецов [32] разработал метод и аппара­ туру для ускоренного определения реологических ха­ рактеристик горных пород при испытании образцов под нагрузками, возрастающими ступенями. Им введено понятие о реологическом коэффициенте, в математи­ ческом выражении которого объединяются два пара-

метра ползучести (а и 6) и время, соответствующее периоду стабилизации процесса ползучести. Экспери­ менты показали, что реологический коэффициент ра­ вен отношению длительного и условно-мгновенного модулей упругости. Это позволяет сократить продол­ жительность испытаний в 4 раза, а обработки резульіатов испытаний — в 10 раз.

И. Л. Черняк и другие исследователи [33] для оп­ ределения параметров ползучести и длительной проч­ ности горных пород предлагают испытывать образцы при ступенчатом нагружении, выдерживая каждую нагрузку до затухания деформаций ползучести пли до стабилизации скорости деформирования. Это позволя­ ет в 2—2,5 раза уменьшить продолжительность испы­ таний, причем кривые длительной прочности не отли­ чаются от кривых, полученных по стандартной мето­ дике.

Следующими направлениями в развитии ускорен­ ных методов исследований являются сопоставление процессов деформирования и разрушения горных по­ род при различных режимах длительных испытаний и

следействии и т. д.

Г. Н. Кузнецовым [27]было установлено, что явле­ ние обратного упругого последействия после разгрузки образцов горных пород аналогично по своему характе­ ру явлению прямого упругого последействия.

В работе [34] описана методика определения пока­ зателей ползучести с помощью кратковременных испы­ таний на релаксацию.

Интересные результаты получены А. Н. Ставрогнным [10] при сопоставлении закономерностей дефор­ мирования и разрушения солевых горных пород при длительном действии нагрузки. При этом установле­

а также между временем до разрушения t и действу­ ющим напряжением о:

Примечательным оказался Тот факт, чТо констан­ ты ß в обоих уравнениях равны между собой. Резуль­ таты по ползучести обычно получают быстрее, чем по длительной прочности. Автор рекомендует для ускоре­ ния испытаний получать количественные данные по длительной прочности на основании результатов по ползучести.

Оригинальный упрощенный способ испытаний сла­ бых и мерзлых горных пород на ползучесть и длитель­ ную прочность разработан С. С. Вяловым и др. [28]. Испытание проводят на одном образце, которому через динамометр задают начальное напряжение, близкое к пределу прочности породы на одноосное сжатие. В результате развития деформаций ползучести образца происходит разжатие динамометра, которое фиксиру­ ется индикатором. По данным изменения первоначаль­ ного заданного напряжения во времени и деформиро­ вании образца определяют характеристики ползучести и длительной прочности испытываемого материала. Значение предела длительной прочности зависит от скорости нагружения образца и от величины началь­ ного напряжения. Ф. П. Бубликом и Г. А. Ивановым эта методика испытаний была усовершенствована и применена для изучения ползучести и разрушения от­ носительно прочных горных пород [35].

В. Г. Артемовым и В. Л. Водопьяновымпри раз ботке подхода к определению длительной прочности был использован закон суммирования усталостных повреждений [36]. При этом принималось, что величи­ на повреждения (изменение структуры материала под действием нагрузки) до нагружения равна нулю, а к периоду разрушения — единице. Доля повреждения зависит от величины нагрузки и длительности ее дей­ ствия. Метод основан на гипотезе Майнера о сумми­ ровании относительных повреждений деталей, работа­ ющих при различных уровнях напряжений [37].

Весьма перспективными являются упрощенные ме­ тоды испытаний, основанные на вдавливании инденторов различной формы в образец горной породы. Эти методы имеют преимущество перед другими, так как для испытаний можно применять образцы произ­

вольной формы.

Б. В. Матвеевым, Г. В. Михеевым и автором пред-

ЛОЖеііо определять пластические свойства горнык по­ род при кратковременном в течение 1 ч вдавлива­ нии двух соосно расположенных шариковых тгнден-

комендуется определять двумя показателями (катего­ рией пластичности и категорией текучести) по графику кратковременной ползучести.

Г. В. Михеевым разработан комплексный метод определения показателей упругости, прочности и пла­

породах предложено использовать метод вдавливания шарикового индентора [40]. Авторами даны рекомен­ дации по ускоренному определению предела длитель­ ной прочности грунтов.

К. И. Дудушкиной и Г. Ф. Бобровым разработан комплексный метод определения физико-механиче­ ских свойств горных пород, основой которого является схема нагружения вдавливанием плоского штам­ па [41]. Метод позволяет получать на ограниченном породном материале комплекс показателей прочно­ сти, упругости, пластичности и ползучести горных по­ род.

В. В. Смирновым и А. П. Бобряковым предложен метод определения предела текучести и модуля пла­ стичности горных пород на основе данных по вдавли­ ванию штампа в плоскую поверхность образцов. Пре­ дел текучести определяется как ордината точки пере­ сечения касательных к упругой и пластической ветвям нагружения на диаграмме «удельная нагрузка—де­ формация» [42].

В последнее время получили развитие динами­ ческие методы определения реологических свойств горных пород, основанные на использовании низкоча­ стотных и высокочастотных колебаний. Так, в статье [43] рассмотрены теоретические основы метода опреде­ ления реологических свойств вязко-упругих тел с по­ мощью вынужденных колебаний, приведено решение задачи о распространении и затухании продольных и

поперечных волн в материале, описана установка для определения вязко-упругих характеристик.

Ультразвуковой метод определения реологических свойств пород (модуль упругости, время релаксации, вязкость) предложен В. С. Ямщиковым и Э. А. Лыко­ вой [44]. Возможности использования ультразвукового метода испытаний основаны на взаимосвязи некото­ рых реологических характеристик пород с их акусти­ ческими свойствами. С помощью разработанного ме­ тода можно определять не только вязко-пластические свойства пород, но и весь комплекс реологических ха­ рактеристик, а при косвенных расчетах—прочностные свойства пород в лабораторных и натурных условиях.

Л. Н. Осокиной и М. В. Гзовским установлены кор­ реляционные зависимости между затуханием упругих волн и сдвиговой вязкостью материалов [45].

Вопрос о применении ультразвуковых методов для определения вязкости горных пород был рассмотрен иа IV Канадском симпозиуме по механике горных по­ род [46].

Некоторыми исследователями предпринимаются попытки установить корреляционные зависимости меж­ ду реологическими свойствами пород и некоторыми показателями, определяемыми кратковременными стандартными испытаниями. В качестве примера мож­

ские корреляционные зависимости между некоторыми реологическими параметрами пород (коэффициент вяз­ кости, мера ползучести, деформация ползучести) и по­ казателями, определяемыми при кратковременных ис­ пытаниях (коэффициент трещиноватости, коэффициент крепости, степень нагружения образца, прочность на

одноосное сжатие).

H. Н. Куваевым и А. Н. Могилко предложена ме­ тодика определения длительной прочности глинистых пород [48]. Установлено, что длительное сопротивление сдвигу глинистых пород описывается двумя типами обобщенных кривых, отражающих различие в реоло­ гическом поведении процесса ползучести и позволя­ ющих получить необходимые расчетные данные (дли­ тельная прочность) по небольшому числу кратко­ временных испытаний. Описана методика обратных

температуры помещения от 20 до 30°С скорость ползу­ чести глины при сдвиге увеличилась почти в 2 раза [50]. Аналогичное влияние оказывают и циклические колебания температуры: процессы ползучести и разру­ шения пород при этом значительно ускоряются [51]. При анализе влияния температуры на ползучесть пород необходимо иметь в виду, что при высоких температу­ рах некоторые типы пород могут ослабляться (увели­ чение макро- и микротрещиноватости).

Н. Ф. Ренжигловым проведены испытания на пол­ зучесть образцов пород с различной влажностью [52]. Результаты испытаний аргиллитов, алевролитов и пес­ чаников показали, что ползучесть водонасыщенных образцов в начальной стадии в 2—9 раз больше, чем сухих. Значительно ускоряется процесс ползучести по­ род и при принудительной фильтрации жидкости [53].

Скорость ползучести пород изменяется при дейст­ вии на образец всестороннего давления. Исследовани­ ями А. Н. Ставрогина установлено, что скорость пол­ зучести пород при давлении 2—3 тыс. ат почти на по­ рядок превышает скорость ползучести при одноос­ ном сжатии ПО]. Для сокращения продолжительности эксперимента А. Н. Ставрогиным было предложено проводить исследования на ползучесть образцов по­ род при трехосном сжатии.

Применительно к слабым горным породам с высо­ кой естественной влажностью метод ускоренных испы­ таний с повышением температуры не может быть приз­ нан надежным, так как в этом случае чрезвычайно сложной будет задача сохранить постоянную влаж­ ность в образцах.

Если проанализировать условия, при которых проводили испытания на ползучесть, на длительную прочность и на релаксацию, то можно заметить, что почти все исследователи старались при длительных испытаниях исключить влияние случайных динами­ ческих воздействий на образец, так как различного рода вибрации, удары и сотрясения искажали кар­ тину деформирования образца и ускоряли процессы ползучести, релаксации и разрушения. Так, при слу* чайных сотрясениях реологической установки на кри­ вой ползучести отмечается резкий «скачок» деформа­ ции образца. Наблюдения за этими явлениями носи-

ЛИ случайный, несистематический характер. Специ­ альных исследований по ускорению длительных испы­ таний пород с помощью вибрационных нагрузок поста­ влено не было. Для обоснованного применения вибра­ ционных нагрузок как ускоряющего фактора необ­ ходимо проанализировать имеющиеся теоретические и экспериментальные исследования по влиянию этих нагрузок на прочностные и деформационные свойства различных материалов, в том числе и горных пород.

§3. О ВЛИЯНИИ ВИБРАЦИОННЫХ НАГРУЗОК НА ПРОЧНОСТНЫЕ И ДЕФОРМАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МАТЕРИАЛОВ

В и б р а ц и о н н ы е испытания — испытания мате­ риала многократно прилагаемой нагрузкой с опреде­ ленной частотой и амплитудой. С т а т и ч е с к и е ис­ пытания — испытания, характеризуемые постоянством нагрузки, действующей на образец, или же весьма ма­ лой по сравнению с вибрационными испытаниями ско­ ростью изменения этой нагрузки (испытания на ползу­ честь, на длительную прочность, определение деформа­ ционных показателей и т. д.).

Теоретические исследования. В настоящее время нет единой теории, объясняющей полностью процессы деформирования и разрушения при вибрационных испытаниях. Для объяснения этих процессов при ис­ пытании металлов и сплавов существует целый ряд теорий усталости [15, 54]. Одной из первых теорий ус­ талости является теория упрочнения. Процесс дефор­ мирования материала по этой теории состоит в раз­ витии скольжения, приводящего к упрочнению мате­ риала и утрате им пластических свойств, в зарожде­ нии и в развитии усталостной трещины. Теория упроч­ нения, объясняя некоторые явления, наблюдающиеся при вибрационных испытаниях (снижение предела уп­ ругости, повышение прочности материала и т. д.), не отражает специфические особенности разрушения ма­ териалов. Это привело к созданию усталостной теории упрочнения и разупрочнения. Стадии упрочнения и разупрочнения по этой теории рассматриваются как последовательные этапы разрушения и связываются с особенностями петель упругого и пластического гисте-