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

Необходимое расстояние между прокладками, при­ легающими к торцам образца, достигается перед ис­ пытанием с помощью винта 9. Упорная гайка 10 слу­ жит для предотвращения выпадения поршня 8 из осно­ вания 2 при разрушении образца.

Прибор установлен на пульсаторе гидравлического пресса (30-тонный пресс фирмы «Шоппер»), Пульса­ тор состоит из следующих основных частей: основания пульсатора 11, поршня пульсатора 12, соединенного с эксцентриковым маховиком 13, и электромотора 14. Эксцентриковый маховик пульсатора имеет ручное уп­ равление, позволяющее изменять ход поршня пульса­ тора от 0 до 60 мм. Поршень пульсатора совершает при включении пульсатора поступательное перемеще­ ние с амплитудой, установленной перед испытанием. От этой амплитуды, а также от упругости сжимаемой системы, определяемой главным образом количеством воздуха в воздушной подушке под поршнем 8, зависит амплитуда переменной нагрузки на образец. Частота пульсации может изменяться от 4 до 12 Гц.

Статическое давление масла во внутренней поло­ сти воздействует одновременно на рабочий поршень 8 и па поршень пульсатора 12. Поступательные переме­ щения поршня пульсатора создают дополнительную виброиагрузку, накладываемую на основную статиче­ скую нагрузку. Статическая нагрузка стабилизируется с помощью реверсивного электродвигателя 15 и авто­ матического устройства 16.

Статические и вибрационные нагрузки на образец, а также характер кривой изменения этих нагрузок во времени определяются с помощью тензометрического датчика 17, подключенного к тензометрической стан­ ции 18, и пьезоэлектрического датчика 19, соединенно­ го с осциллографом 20. Деформации образца измеря­ ются индикатором часового типа 21 с предохрани­ тельным антивибрационным приспособлением и фо­ тоэлектрическим тензометром 22—23, соединенным с измерительной станцией 24. Давление в гидросистеме контролируется с помощью манометров 25 и 26. Чис­ ло циклов вибрационной нагрузки определяется по специальному счетчику циклов, установленному на пульсаторе.

Для периодического заполнения компрессорным

образцов, размеры испытываемых образцов, скорость нагружения (или длительность испытания), эксцентри­ ситет прикладываемой к образцу нагрузки, торцовые условия и др. [27, 69]. При любом из известных мето­ дов испытаний на сжатие в образце возникает неодно­ родное напряженное состояние, искажающее значение предела прочности: концентрация напряжения у тор­ цов при испытаниях с трением по торцам или растя­

ками.

Неоднородность напряженного состояния в образ­ це обусловлена в основном двумя причинами: внут­ ренней, связанной с несовершенством строения и струк­ турными особенностями горных пород (неоднородность петрографического состава, наличие включений, тре­ щин и т. д.), и внешней, зависящей от торцовых условий при испытании [69]. В первом приближении можно считать, что неоднородностью напряженного состоя­ ния для слабых и пластичных горных пород, связанной с внутренним строением пород, можно пренебречь, так как размеры частиц по сравнению с размерами образ­ ца несоизмеримо малы. В этом случае внутри образца также неизбежны концентрации напряжений на гра­ ницах частиц, включении, трещин, но при достаточно большом числе последних, их малых размерах и рав­ номерном распределении в объеме образца можно оце­ нивать эти концентрации напряжений как «однород­ ность неоднородностей».

Говоря об однородном напряженном состоянии, сле­ дует иметь в виду только внешние причины, связанные со способом передачи нагрузки, обеспечивающим рав­ номерное деформирование образца по его высоте. Для образцов пород с крупными включениями, редкими трещинами, явно выраженной неравномерной слои­ стостью и т. д. принципиально невозможно обеспечить однородное напряженное состояние внутри образца при любом способе нагружения.

Для исследования влияния торцовых условий на прочность пород при испытании на одноосное сжатие были изготовлены цилиндрические образцы из кемб­ рийской глины и из эквивалентного материала, при­ меняемого при моделировании (кварцевый песок

92,5%, мика 3%, парафин 4,5%). Отношение высоты образцов h к их диаметру d было взято равным 0, 3; 0,5; 1 и 2. Торцовые условия при испытаниях: смазка торцов парафином (толщина парафинового слоя 1 мм), сухое трение и контакт торцов образца с напря­ женными прокладками из резины.

Результаты испытаний представлены на рис. 18. Испытания со смазкой и с трением по торцам образцов кембрийской глины подтвердили результаты других ис­ следователей: с увеличением отношения высоты образ-

Рнс. 18. Прочность образцов кембрийской глины ( а ) и эквивалент­ ного материала (б) на одноосное сжатие с различными торцовыми условиями:

/ — испытание с трением по торцам; 2 — испы тание со см азкой торцов; 3 — испытанно в приборе с напряж енны м и прокладкам и

ца к его диаметру прочность образцов, испытанных со смазкой торцов, увеличивается, ,а с трением по торцам —уменьшается. Результаты же испытаний образ­ цов пород с применением напряженных прокладок по­ казали, что прочность образцов остается постоянной при изменении отношения h/d от 0,3 до 2. Несколь­ ко неожиданными явились результаты испытаний на сжатие образцов эквивалентного материала, у кото­ рых прочность на сжатие как со смазкой, так и без смазки торцов уменьшалась при уменьшении высоты образца (одним из возможных объяснений этому факту может быть то, что в образце имеется парафин, играющий роль смазки при испытаниях), однако при испытании с напряженными прокладками прочность образцов также не изменялась,

кн, контактирующие с торцами образца и помещенные в жесткие обоймы. Отличие этого устройства от уст­ ройства, изображенного на рис. 7, заключается в том, что жесткие обоймы являются составными (напри­ мер, цанговое исполнение) для изменения диаметра обойм и осуществления податливости прокладок в по­ перечном направлении. Высота образца при этих ис­ пытаниях в 2—2,5 раза превышала их диаметр. В ка­ честве прокладок для слабых пород использовали плотную черную резину.

На каждой ступени нагрузки измеряли поперечные деформации образца, после чего изменяли податли­ вость прокладки в поперечном направлении таким об­ разом, чтобы деформации образца у торцов и в его средней части были равными. Увеличение диаметра обоймы под нагрузкой обеспечивает деформации про­ кладки, которая, расширяясь, «тянет» за собой торец образца. Подобным образом уменьшали деформации у торцов. Диаметр обоймы при этом уменьшался. Управлять деформациями образца удавалось до на­ грузки, составляющей 85—95% разрушающей, после чего из-за начинающегося интенсивного процесса де­ формирования практически невозможно было обеспе­ чить это управление. Одиако этот процесс является процессом разрушения, подготовленным предыдущей историей деформирования, и поэтому, как показали ис­ следования, отличия в последней стадии характера де­ формирования образца от равномерного ие оказывают существенного влияния ип па прочность образца, пи иа его характер разрушения.

При обеспечении равенства деформаций у торцов и в средней части образца его напряженное состояние можно считать однородным (или довольно близким к однородному). Ступени нагрузки выбираются в зави­ симости от разницы между деформациями у торцов об­ разца и в его средней части. Предложенный способ позволил проводить испытания на сжатие образцов по­ род и при других торцовых условиях деформирования: отсутствие поперечных деформаций у торцов, превыше­ ние деформаций у торцов над деформациями в средней части.

Весьма интересным оказался характер разрушения при испытаниях на сжатие образцов пород с различны­