Файл: Арцимович, Г. В. Влияние забойных условий и режима бурения на эффективность проходки глубоких скважин.pdf

проводилось визуально. Фотографирование зон и отдельных

этапов процесса разрушения велось на бинокулярной лупе

при увеличении в 20—100 раз. Геометрические параметры зон

измерялись на малом инструментальном микроскопе.

§ 2. МЕХАНИЗМ ХРУПКОГО РАЗРУШЕНИЯ ПРИ ВДАВЛИВАНИИ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ИНДЕНТОРА

СПЛОСКИМ ОСНОВАНИЕМ

Всвязи с тем, что в литературе [43, 44] этот процесс довольно подробно освещается, мы остановимся лишь на тех моментах, которые дают дополнительную информацию, и с учетом новых

материалов опишем общий характер механизма разрушения.

На рис. И показаны отдельные фазы процесса. В верхней

части рисунка приводится осциллограмма напряжений а г, воз­ никающих в поверхностном слое породы.

Рост осевой нагрузки Р вызывает упругий прогиб поверх­

ности полупространства (см. рис. 11, I). По контуру индентора

возникают мелкие трещины (Л, Б). Наличие сил трения между

взаимодействующими поверхностями при дальнейшем повы­

шении нагрузки вызывает рост растягивающих напряжений,

что, в свою очередь, приводит к возникновению кольцевой

Рис. 11. Механизм разрушения материала при вдавливании цилиндри­ ческого индентора с плоским основанием.

31

дящих на небольшую глубину внутрь усеченного конуса. Не­

редко эти трещины выходят на поверхность последнего, и часть

кольца откалывается. Указанное явление зафиксировано и на приведенной фотографии. Поверхность конусной трещины име­ ет криволинейную форму с выпуклостью вверх, но в отдельных опытах отмечалась и обратная картина. Замечено, что на поверхности конусной трещины возникает своеобразный микро­ рельеф в виде ряби на воде (см. рис. 12). Это свидетельствует

о колебательном процессе развития трещины, объясняет отсут­

ствие «скачка» на диаграмме усилие — деформация и его плав­

ность на осциллограмме, поскольку образование трещин про­ исходит постепенно. Снижение растягивающих напряжений

после возникновения кольцевой и конусной трещин объясня­ ется тем, что участок М (см. рис. 11, III ) восстанавливает свое

первоначальное положение.

Дальнейшее повышение нагрузки на индентор вызывает

деформацию усеченного конуса. Специальные исследования ха­

рактера напряженного состояния усеченного конуса и окружа­ ющей его круговой консоли для изучения закономерностей их формирования были выполнены методом объемной фотоуп­ ругости *. Установлено, что при нагружении усеченного ко­

нуса вертикальной нагрузкой на поверхность круговой консоли

передается давление. С увеличением угла а к центр давления

смещается к основанию конуса. В наших экспериментах внутрен­ няя полость модели, имеющая вид усеченного коцуса, запол­ нялась сыпучим материалом — сухим мелким кварцевым пес­ ком. Аналогичные работы, выполненные во ВНИИБТ [49], показали, что и при упругом конусе отчетливо обнаруживается максимум на эпюре давлений, передаваемых на круговую кон­ соль. Дальнейшее развитие процесса происходит таким образом (см. рис. 11, IV ). Сила У на наклонной площадке раскладывается на две составляющие. Одна из них F r сжимает прилегающий к усеченному конусу материал круговой консоли, что и видно на диаграмме напряжений. Вертикальная составляющая

F e стремится выдавить круговую консоль. В отдельных опытах

были получены выколы биконических крышек без раздавлива­ ния усеченного конуса. Биконической крышкой мы назвали

участок круговой консоли, отделяющейся от массива на заклю­

чительном этапе вдавливания штампа. Нижняя поверхность

ее образована пересечением двух конусных поверхностей.

* Исследования выполнены совместно с канд. техн. наук В. И. Сав­ ченко, Т. Ю. Кепичем, С. Г. Шокотько, А. И. Зиркой, В. А. Тадеушем, сотрудниками Киевского государственного университета.

Второй путь связан с резким изменением направления раз­

вития конусной трещины (рис. 13, б), вернее, возникает новая

трещина. Такая форма развития сопровождается раздавлива­

нием конуса и раскалыванием биконической крышки радиаль­ ными трещинами. Характерно то, что и в первом и во втором

случае отсутствуют «хвостьы конусной трещины, о которых

говорится в работе [44]. В раздавливаемом усеченном конусе четко выделяются две зоны дробления: мелкого 1 (в централь­

ной части) и крупного 2 (см. рис. 11, IV). Очевидно, биконическая крышка выкалывается под действием мелкораздробленного

материала, стремящегося выйти из зоны разрушения. -

На рис. 14 изображены изоклины и изостаты, полученные

при фотоупругом моделировании задачи. Анализ поля изостат

показывает, что именно по одной из этих линий происходит

выкалывание биконической крышки на последнем этапе разру­ шения. При этом трещина может выходить на поверхность как

по нормали, так и по касательной. Однако в большинстве слу­

чаев имеет место последний вариант.

При рассмотрении характера напряженного состояния кру­

говой консоли было обнаружено, что уровень тангенциальных напряжений в данной области весьма высок. Это и приводит к радиальному раскалыванию биконической крышки при вы­ ходе неравновесной трещины на поверхность вдавливания.

Для дополнительной проверки предположения о раскалы­

вании биконической крышки раздробленным материалом был проведен следующий эксперимент. Из цемента изготовили блоки, в которых оставлялись пустоты, повторяющие форму усечен­ ного конуса. Последние заполнялись мелким сухим песком

и подвергались нагружению. Установлено, что характер разру­

шения согласуется со схемой на стекле.

Выше отмечалось, что раздавливание усеченного конуса

сопровождается ускоренным перемещением индентора в глубь

зоны разрушения. В основном перемещение заканчивается

ударом. В результате в самом усеченном конусе и нижележа­ щей части массива развивается система радиальных трещин П (см. рис. 11, IV ) субвертикального хаотического типа. Глубина возникающей зоны трещиноватости, или предразрушения, как ее

назвал акад. П. А. Ребиндер, в 5—8 раз превышает глубину види­

мой зоны разрушения. Характерно, однако, то, что система

образовавшихся трещин никогда не выходит за пределы области,

ограниченной продолжением конусной поверхности. Необходимо остановиться на одном важном, на наш взгляд,

моменте. До сих пор у многих исследователей, работающих в области разрушения материалов, бытует мнение, что трещины,

возникающие в массиве под воздействием инструмента, пересе-

Рис. 14. Изоклины (справа) и пзостаты (слева) в модели зоны разрушения.

каются между собой. Это мнение ошибочно, о чем указывалось

в работе [50]. Трещины, как правило, не пересекаются. Первая

образовавшаяся трещина служит экраном, исключающим воз­

можность распространения через свою поверхность последую­ щих трещин. Лишь в случае, когда угол между направлением

выполаживается и распространяется в глубь массива под ост­

рым углом к горизонту в 16—35°.

Вторая фаза — формирование ядра разрушения и раздав­

ливание усеченного конуса. Дробление последнего неравно­

36

мерно. Развивающиеся субвертикальные трещины носят хаоти­

ческий характер.

Третья фаза — выламывание из окружающей консоли би-

конической кольцевой крышки. Конец второй и третья фазы

протекают почти одновременно и заканчиваются процессом

взрывного характера. Биконическая крышка выбрасывается

вверх. Конец третьей фазы сопровождается резким снижением

нагрузки и быстрым перемещением индентора в зону разруше­

ния. Непосредственно под основанием индентора остается не­

большая линзочка нераздробленной части материала. Можно полагать, что эта полусферическая линза формируется во вто­

рой фазе разрушения. Она как бы прирастает к торцу инденто­

ра, и благодаря ей в усеченном конусе развивается система

мелких осевых трещин, расходящихся в радиальном направ­

лении. Образование системы осевых трещин предшествует дроб­ лению конуса. Полусферическое тело было обнаружено и дру­ гими исследователями [43, 45—47]. Однако В. С. Владиславлев

[47] отмечает, что с появлением скола «обтекатель рассыпается

в порошок». В наших исследованиях полусферическая линза

почти всегда оставалась целой и лишь иногда раскалывалась на 2—3 части. Аналогичные данные получены Е. В. Александ­

ровым и В. Б. Соколинским [46].

Представляет значительный интерес оценка значимости

каждой из фаз в общем балансе энергозатрат на единичный

цикл разрушения. С этой целью были проанализированы ос­ циллограммы напряжений и диаграммы усилие — деформация, а также проведены дополнительные эксперименты. Получены следующие цифры. На процесс образования цилиндрической трещины расходуется от 8 до 12%, для полного развития ко­

нусной трещины до конечной глубины (с частичным деформи­

рованием усеченного конуса) — 10—12 и для выламывания биконической крышки — 6—8% общей энергии. Остальные энергозатраты (68—76%) связаны с раздавливанием усечен­ ного конуса. Оценка расхода энергии на последнюю фазу раз­ рушения производилась на основе сравнения энергозатрат на весь процесс разрушения и процесс раздавливания усеченного конуса при удаленной биконической крышке. Приведенные

данные свидетельствуют, что наиболее энергоемкой оказыва­

ется вторая фаза разрушения, на которую расходуется две

трети общей энергии. Последняя фаза наименее энергоемка.

Следует остановиться еще на одном интересном моменте,

установленном в процессе проведения экспериментов. Для пре­ дохранения от разлета частиц из зоны разрушения поверхность образца перед вдавливанием штампа покрывали пластилином, оставляя в нем отверстие для штампа. Такая мера позволила

37

после завершения цикла вдавливания более тщательно изучить

структуру зоны разрушения. Оказалось, что наличие пласти­ линового покрова изменило механические характеристики стек­ ла (табл. 6).

Теперь становится ясна роль биконической крышки. Хотя на отделение ее затрачивается немного энергии, но при удер­ живании пластилином, адгезионные свойства которого незначи­

тельны, эффективность разрушения стекла резко снизилась.

Твердость увеличилась на 27 %, а общая и удельная контактная

работа разрушения — в 2 раза. Удельная объемная работа

разрушения выросла в 2,4 раза. Таким образом, конусная кон­

соль играет роль упрочняющего элемента, «поддержки» [58]. Ста­

новится ясным, что в забойных условиях мы столкнемся с таким же явлением, если механизм разрушения сохранится, как и

в атмосферных условиях.

Замеры геометрических параметров зоны разрушения позво­ лили вывести некоторые соотношения, выраженные через диа­ метр штампа <7ШТ:

материал показало, что объем зоны разрушения складыва­ ется из объема раздавленного усеченного конуса и объема би­

конической крышки. Подсчеты показывают, что первый со­

ставляет 30 и второй 70% общего объема материала, отделя­ емого от массива.

Проведенный анализ позволяет наметить два направления

в дальнейшем совершенствовании процесса разрушения гор­

ных пород. Первое направление должно быть связано со сни­ жением энергоемкости выполнения второй фазы процесса разрушения; второе — с использованием для разрушения сис-

38