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

ми торцовыми условиями. При испытаниях с трением по торцам разрушение, как правило, происходит по наклонной плоскости, образец разрушается от дейст­ вия касательных напряжений. При внимательном рас­ смотрении разрушенного образца у торцов его видны два конуса, вершины которых направлены к централь­ ной части образца. При испытании образцов со смаз­ кой торцов разрушение происходит по плоскости, параллельной направлению действия нагрузки (разру­ шение от отрыва). В большинстве случаев наблюда­ ется одна основная плоскость разрушения, проходя­ щая через центр образца. Характер разрушения образцов пород при однородном напряженном состоя­ нии материала образца внешне напоминает характер разрушения образцов со смазкой: разрушение про^ исходит по плоскостям, параллельным направлению действия нагрузки. Однако в этом случае число плос­ костей разрушения составляет не менее двух-трех (в некоторых случаях наблюдалось шесть — восемь плос­ костей разрушения).

В опытах со смазкой торцов характер разрушения легко может быть объясним действием растягивающих напряжений, обусловленных влиянием смазки: разры­ вающее действие смазки, неоднородность распределе­ ния напряжений по торцу с максимумом в центре тор­ ца и т. д. О наличии растягивающих напряжений при смазке торцов свидетельствует и тот факт, что проч­ ность образцов уменьшается при уменьшении высоты образца, а поперечные деформации образца у торцов, как показали результаты испытаний [70], превышают деформации в средней части образца.

Появление вертикальных трещин отрыва в образце, находящемся в однородном напряженном состоянии, на первый взгляд, представляется неожиданным. На­ помним, что, если безоговорочно принимать положе­ ния классических теорий прочности, в направлении, перпендикулярном оси образца при его одноосном сжа­ тии, растягивающие напряжения отсутствуют. Пред­ полагается, что продольные деформации образца вы­ зываются осевым усилием, а поперечное расширение образца происходит без действия напряжений в этом направлении, вплоть до момента разрушения. Однако известно, что всякое изменение расстояния между ча­

стицами материала при постоянной температуре со­ провождается соответствующим изменением напря­ женного состояния [71]. Поэтому свободному попе­ речному расширению образца должны сопутствовать растягивающие напряжения. В противном случае не­ возможно объяснить физически разрушение образца путем отрыва при одноосном сжатии. Подобныйхарактер разрушения наблюдался для всех испытанных по­ род и материалов (эквивалентные материалы, глины, мел, мергель, соль, песчаник, мрамор и др.) при изме­ нении отношения h/d от 0,5 до 3.

Предположение о наличии растягивающих напря­ жений внутри образца при его одноосном сжатии и экспериментальные данные о характере разрушения образца в виде отрыва при его однородном напряжен­ ном состоянии приводят к следующим следствиям.

1. Действующие на образец сжимающие или растя­ гивающие напряжения, вызывающие равномерные де­ формации по его высоте, не соответствуют напряжен­ ному состоянию внутри образца. Поэтому обеспечить одноосное напряженное состояние материала образца как при одноосном сжатии, так и при одноосном рас­ тяжении принципиально невозможно.

2. Прочность на одноосное сжатие образца поро­ ды, находящегося в однородном напряженном состо­ янии, характеризует сопротивление материала образ­ ца отрыву в условиях одновременного действия сжима­ ющих и растягивающих напряжений. Разрушение об­ разцов вызывается действием растягивающих напря­ жений, направление которых перпендикулярно оси образца и плоскости разрушения.

3. При однородном напряженном состоянии мате­ риала образца как при сжатии, так и при растяжении разрушение происходит путем отрыва. Поэтому харак­ теристика прочности породы на растяжение является основной константой горных пород. Разрушение путем среза по наклонным плоскостям объясняется не свой­ ствами материала образца, а неоднородностью напря­ женного состояния, обусловленного влиянием торцовых условий (жесткая заделка торцов образца, сухое тре­ ние и т. д.), при которых исключена возможность рав­ номерного деформирования образца.

Критерием однородности напряженного состояния

материала образцов при их испытании на одноосное сжатие является наличие следующих основных усло­ вий: равномерность деформаций по всей высоте об­ разца, независимость прочностных показателей от от­ ношения высоты образца к его диаметру и характер разрушения в виде отрыва по плоскостям, направле­ ние которых совпадает с направлением действия на­ грузки.

Значительный объем изложения вышеописанных результатов испытаний обусловлен важностью проб­ лемы одноосного сжатия, которая до настоящего вре­ мени еще не разрешена полностью. В то же время проч­ ностные показатели и характер1разрушения образцов при одноосном сжатии являются определяющими при разработке или уточнении теории прочности, постанов­ ке длительных испытаний, разработке эталонных и уп­ рощенных методов испытаний и т. д.

Конструктивные особенности реологических уста­ новок не позволяют до настоящего времени проводить испытания при однородном напряженном состоянии. При длительных испытаниях применялась методика испытаний с трением по торцам. Поэтому значения прочности пород на одноосное сжатие, приведенные в таблицах настоящей работы, получены при испытании образцов с трением по торцам, при таком отношении высоты образца к диаметру, при котором прочностные показатели близки к показателям прочности породы при однородном напряженном состоянии. Это отноше­ ние для различных типов горных пород составляет от 1,5 до 3,5. Для слабых горных пород, рассматриваемых в данной работе, это отношение на основании резуль­ татов испытаний было взято равным 2.

§ 12. РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ ПОРОД НА ДЛИТЕЛЬНУЮ ПРОЧНОСТЬ

ПРИ ОДНООСНОМ СЖАТИИ

Классическим способом определения предела дли­ тельной прочности различных материалов является испытание образцов под нагрузками, составляющими 0,9; 0,8; 0,7, ..., 0,1 предела прочности при кратковре­ менном испытании. По результатам испытаний строят график зависимости прочности породы от времени

действия нагрузки до разрушения. Недостатком этого метода является большая длительность испытаний — от нескольких недель до нескольких лет.

Длительная прочность материалов тесно связана со скоростью приложения нагрузки: с уменьшением ско­ рости приложения нагрузки прочность многих мате^ риалов уменьшается. При испытании некоторых мате-і риалов, в том числе и горных пород, за предел дли­ тельной прочности принимают прочность материала при бесконечно медленном загружении [16, 17J.

Для определения предела длительной прочности пород применялись различные методы, в том числе и широко распространенная ускоренная методика испы­ таний, заключающаяся в испытании одного образца на­ грузкой, возрастающей ступенями до разрушения об­ разца [28].

Следует установить, насколько результаты данных ускоренных испытаний соответствуют результатам обычных длительных испытаний, существует ли вообще предел длительной прочности для испытанных пород или же предел длительной прочности соответствует только определенной длительности испытаний. Необ­ ходимо отметить, что единого мнения о длительной прочности, как величине, меньшей кратковременной прочности, у исследователей, занимающихся изучени­ ем свойств грунтов, нет. В некоторых работах отме­ чается, что длительная прочность должна быть выше кратковременной прочности из-за уплотнения и упроч­ нения грунтов [72]. В других работах приведены проти­ воположные высказывания [9, 16, 17].

Автором совместно с А. А. Репко проведены допол­ нительные исследования по определению предела дли­ тельной прочности слабых горных пород [73]. Образцы пород и искусственных материалов испытывали на пол­ зучесть. Длительность испытаний составляла: 2,5 мес. для алевритового мергеля и 7—15 дней для эквива­ лентных материалов. После испытания на ползучесть образцы пород и эквивалентных материалов были ис­ пытаны на одноосное сжатие. Результаты испытаний представлены на рис. 19. По оси абсцисс отложено от­ ношение напряжения оп , при котором образец испы­ тывался на ползучесть, к прочности на одноосное сжа­ тие осж, а по оси ординат — прочность образцов, испы-

Длительная прочность тон же глины, определенная при испытании образца возрастающими нагрузками, составляет 22,5 кгс/см2. Эта нагрузка соответствует на­ пряжению, при котором наблюдалось увеличение объ­ ема образца и уменьшение прочности после испытания на ползучесть. Аналогичные результаты получены при испытании других пород и эквивалентных материалов

Э-1 и Э-2 (табл. 2).

Интересные результаты получены в последние го­ ды некоторыми исследователями, занимающимися изу­ чением свойств бетона. Так, в работе [74] рассмотрен

Рис. 20. Изменение объема образцов мер­ геля при испытании нагрузками возраста­ ющими ступенями

характер изменения прочности бетона под действием длительно приложенной сжимающей нагрузки. Уста­ новлено, что под действием напряжений, превышаю­ щих предел длительной прочности, в бетоне возникают нарушения структуры, способные привести к разруше­ нию. Если уровень напряжений меньше предела дли­ тельной прочности, то прочность образцов после ис­ пытаний может быть даже больше, чем прочность об­ разцов, не подвергавшихся длительному действию на­ грузки.

В работах [16, 17] приведеныданные об измене­ нии прочности горных пород, длительное время под­ вергавшихся действию постоянных нагрузок. Начало увеличения объема образца при достижении предела длительной прочности отмечалось в работе [23].

Результаты проведенных испытаний позволяют сде­ лать предположение, что предел длительной прочности является своеобразным барьером, разделяющим физи­ чески различные явления при длительном деформиро-