Способ определения прочности горных пород в водонасыщенном состоянии

Изобретение относится к физико-механическим испытаниям скальных и полускальных горных пород, имеющих хрупкий характер разрушения, и может быть использовано для оценки их водопрочности при инженерно-геологических изысканиях. Сущность изобретения заключается в следующем. Нагружают высушенные до постоянной массы образцы стальными встречными сферическими инденторами по одному из двух взаимно перпендикулярных направлений до формирования продольных трещин и раскалывания на две части. Собирают из обломков составные образцы, помещают их в емкость с жидкостью, в качестве которой используют воду, и нагружают в ней сферическими инденторами до формирования продольных трещин в направлениях, перпендикулярных первоначальным трещинам, в режиме ступенчатого приложения нагрузки с частичными разгрузками до уровня, достигнутого на предыдущем уровне нагрузки. В образцах фиксируют разрушающую нагрузку и измеряют площадь поверхности трещин. Определяют частные значения растягивающего напряжения разрыва образцов, средние значения предела прочности на растяжение при раскалывании высушенных и водонасыщенных образцов и снижение предела прочности на растяжение при раскалывании в водонасыщенном состоянии во взаимно перпендикулярных направлениях по формулам. Технический результат: сокращение длительности определения прочности образцов, повышение информативности испытаний. 2 табл., 2 ил.

 

Изобретение относится к физико-механическим испытаниям скальных и полускальных горных пород, имеющих хрупкий характер разрушения, и может быть использовано для оценки их водопрочности при инженерно-геологических изысканиях.

Известен способ определения предела прочности при сжатии и снижения прочности при сжатии горных пород в водонасыщенном состоянии (ГОСТ 30629-2011 Межгосударственный стандарт «Материалы и изделия облицовочные из горных пород. Методы испытаний»), включающий приложение сжимающей нагрузки к торцам цилиндрических или кубических образцов, высушенных до постоянной массы и насыщенных водой, определение параметров разрушения образцов (разрушающей нагрузки) с учетом их размеров (площади поперечного сечения), определение и сравнение пределов прочности при сжатии образцов в сухом и насыщенном водой состояниях.

Недостатком способа является длительность определения прочности, обусловленная необходимостью изготовления образцов правильной формы и продолжительностью их насыщения водой (в течение 48 часов).

Известен способ определения коэффициента длительной водостойкости по прочности на растяжение при расколе («Смеси битумноминеральные открытые для устройства макрошероховатых слоев дорожных покрытий» (ТУ 218 РСФСР 601-88). Минавтодор РСФСР. - ЦБНТИ, М., 1990»), включающий приложение разрушающей сжимающей нагрузки по образующей цилиндрических образцов, насыщенных под вакуумом и длительно выдерживаемых в воде, определение параметров разрушения образцов (разрушающей нагрузки) с учетом их размеров (площади поверхности раскола), определение и сравнение пределов прочности на растяжение при расколе образцов после длительного выдерживания в воде и водонасыщенных под вакуумом, соответственно.

Недостатком способа является длительность определения прочности, обусловленная необходимостью изготовления образцов правильной формы и продолжительностью их насыщения водой.

Известен способ определения коэффициента снижения прочности горных пород при увлажнении (статья «Басинский Ю.М., Коршунов В.А., Михайлов В.Ф. Исследование устойчивости горных выработок при увлажнении пород. Труды ВНИИ горн, геомех. и маркшейд. дела, сб. «Горное давление в капитальных, подготовительных и очистных выработках», Л.: ВНИМИ, 1982, с. 19-23, 136 с.»), включающий раскалывание стальными встречными сферическими инденторами образцов произвольной, в том числе неправильной формы, испытываемых в сухом и водонасыщенном состоянии, определение и сравнение предельных значений сопротивления сжатию высушенных и водонасыщенных образцов с учетом их размеров.

Недостатком способами является повышенная длительность испытаний из-за большого по времени, до нескольких суток, периода водонасыщения образцов.

Известен способ определения трещиностойкости бетона (патент РФ №2235322, опубл. 27.08.2002), включающий определение параметров образцов, характеризующих свойства после высушивания в воздушно-сухой среде и в состоянии полного водонасыщения, оценку состояния из сравнения указанных параметров путем внедрения нагрузочного элемента (сверла) и определения геометрических параметров высверленных в образцах углублений (их диаметра и глубины).

Недостатками способа являются сложность и длительность испытаний, связанные с продолжительностью их насыщения водой и сверлением в испытываемых и эталонных образцах.

Известен способ определения водонепроницаемости цементных материалов (патент РФ №2187804, опубл. 20.08.2002), включающий высушивание до постоянной массы образцов, их раскалывание на две части и водонасыщение через поверхности разрыва, определение и сравнение параметров механического состояния высушенных и водонасыщенных образцов с учетом их размеров.

Недостатками способа являются сложность и длительность испытаний, связанные с изготовлением образцов правильной, цилиндрической или кубической формы и измерением через заданные промежутки времени параметров состояния образцов при поглощении воды.

Известен способ разрушения горных пород (патент РФ №2167293, опубл. 20.05.2001), принятый за прототип, заключающийся в том, что в горной породе (негабаритном куске или массиве) создают поперечные трещины, затем бурят шпур в продольном направлении, заполняют его жидкостью и сыпучим материалом, к которым прикладывают нагрузочными элементами (клиньями) периодическую ударную нагрузку до формирования продольных трещин в плоскостях, проходящих через ось нагружения.

Недостатком способа является длительность испытаний, связанная с бурением шпура, его заполнением жидкостью и сыпучим материалом; герметизацией трещин и приложением ударных нагрузок. Другим недостатком способа является его низкая информативность при оценке прочности, которая осложняется значительными изменениями структуры, вносимыми многочисленными трещинами различной ориентации, возникающими при ударном нагружении и разрыве негабаритного образца (куска породы) из шпура.

Техническим результатом изобретения является сокращение длительности определения прочностных свойств за счет водонасыщения высушенных образцов (кусков породы) в процессе испытаний и повышение информативности испытаний за счет дополнительного определения прочностных характеристик породы в воздушно-сухом и водонасыщенном состоянии.

Технический результат достигается тем, что отобранные или изготовленные образцы высушивают до постоянной массы, затем в высушенные до постоянной массы образцы внедряют стальные встречные сферические инденторы и нагружают по одному из двух взаимно перпендикулярных направлений до формирования продольных трещин, затем формируют из обломков составные образцы, помещают в емкость с водой, и нагружают их в ней сферическими инденторами до формирования продольных трещин в направлениях, перпендикулярных первоначальным трещинам, в режиме ступенчатого приложения нагрузки с частичными разгрузками до уровня, достигнутого на предыдущем этапе нагрузки, далее в высушенных и водонасыщенных образцах фиксируют разрушающую нагрузку, измеряют площадь поверхности трещин и определяют частные значения растягивающего напряжения раз рыва, а в качестве прочностных свойств горной породы определяют средние значения предела прочности на растяжение при раскалывании высушенных и водонасыщенных образцов Rp и снижение предела прочности на растяжение при раскалывании в водонасыщенном состоянии ΔR во взаимно перпендикулярных направлениях по формулам:

Rp=1,83⋅σt,

где σt и - средние значения растягивающего напряжения разрыва высушенных и водонасыщенных образцов для каждого из взаимно перпендикулярных направлений в отдельности.

Способ поясняется следующими фигурами:

фиг. 1 - схема нагрузочного устройства для реализации способа;

фиг. 2 - график зависимости сжимающей образец силы Р от величины суммарной глубины вдавливания инденторов h, где:

1 - образец;

2 - емкость с водой;

3 - стальные сферические инденторы;

4 - поперечная трещина разрыва;

Способ осуществляют следующим образом. Перед определением прочности отобранные или изготовленные образцы пробы высушивают до постоянной массы известным способом. При этом допускается использование образцов неправильной формы с необработанными поверхностями. Далее в образцах намечают по два характерных взаимно перпендикулярных направления. Например, для пород с выраженной слоистостью таковыми выбирают направления перпендикулярно и параллельно слоистости.

Затем высушенные образцы устанавливают по очереди между сферическими инденторами вдоль одного из двух выбранных взаимно перпендикулярных направлений и нагружают до раскалывания на две части трещиной, проходящей через ось нагружения.

Фиксируют разрушающие высушенные образцы нагрузки Pi, измеряют площадь поверхности трещин разрыва Si и определяют частные значения растягивающего напряжения разрыва высушенных образцов (σt)i по формуле:

По частным значениям растягивающего напряжения высушенных образцов определяют средние значения растягивающего напряжения разрыва для взаимно перпендикулярных направлений в отдельности - σt1 и σt2.

Далее определяют средние значения предела прочности на растяжение при раскалывании высушенной породы для взаимно перпендикулярных направлений в отдельности - Rp1 и Rp2, соответственно, по формуле:

Rp=1,83⋅σt.

Затем проводится серия испытаний высушенных составных образцов 1 при их насыщении водой. Для этого используется вода при температуре (20±5)°С, которая удовлетворяет требованиям ГОСТ 23732-79 «Вода для бетонов и растворов. Технические условия». В качестве емкости для воды 2 могут быть использованы пластиковые стаканчики.

Предварительно из обломков собирают составные образцы 1, обеспечивая при этом плотный контакт вдоль трещин разрыва 4. Затем по очереди помещают образцы в емкость с водой 2 (уровень воды - выше верха образца), устанавливают в ней между стальными сферическими инденторами 3 в направлениях, перпендикулярных первоначальным поперечным трещинам разрыва 4, и нагружают до раскалывания в режиме ступенчатого приложения нагрузки с частичными разгрузками до уровня, достигнутого на предыдущем уровне нагрузки.

Режим испытаний при водонасыщении образца иллюстрирует кривая деформирования образца известняка при нагружении сферическими инденторами диаметром 15 мм, представленная на фиг. 2 в виде графика зависимости сжимающей силы Р от величины суммарной глубины вдавливания инденторов h. Процесс испытаний контролируется по изменению величин сжимающей силы Р и суммарной глубины вдавливания инденторов в породу h, измеряемой по изменению расстояния между инденторами.

При нагружении образца в областях контакта со сферическими инденторами развиваются зоны разрушенного, уплотняемого при сжатии материала. Поэтому при нагружении инденторами образца, помещенного в воду, происходит постепенное наполнение зон раздробленной породы водой из емкости 2. Проникновение воды из емкости 2 в центральную «монолитную» область образца осуществляется также через поперечную трещину разрыва 4. В результате раскалывание составного образца происходит путем образования продольной трещины, прорастающей через зоны, насыщаемые водой в процессе кратковременного испытания.

Применение режима ступенчатого приложения нагрузки с частичными разгрузками дополнительно способствует процессу поглощения воды породой, так как на стадиях разгрузки образца происходит частичное восстановление его размеров и, соответственно, частичное раскрытие сжатых при нагружении пор и трещин (как природных, так и образовавшихся при испытании), через которые облегчается проникновение воды. При этом ограничение разгрузки уровнем, достигнутым на предыдущей ступени нагружения, позволяет предотвратить возможную потерю устойчивости размягчаемого образца.

Фиксируют разрушающие водонасыщенные о бразцы нагрузки (Р1)i, измеряют площадь поверхности трещин разрыва (S1)i и определяют частные значения растягивающего напряжения разрыва водонасыщенных составных образцов по формуле:

По результатам испытаний насыщаемых водой образцов определяют средние значения растягивающего напряжения разрыва водонасыщенных образцов для каждого из взаимно перпендикулярных направлений в отдельности - и

Далее определяют средние значения предела прочности на растяжение при раскалывании водонасыщенной породы для взаимно перпендикулярных направлений в отдельности - и , соответственно, по формуле:

Определяют снижение предела прочности на растяжение при раскалывании в водонасыщенном состоянии во взаимно перпендикулярных направлениях - ΔR1 и ΔR2, соответственно, по формуле:

Экспериментальным обоснованием предлагаемого способа в отношении определения величины предела прочности на растяжение при раскалывании Rp служит сопоставление его результатов со значениями предела прочности при одноосном растяжении. Базовый способ предусматривает определение предела прочности горной породы при одноосном растяжении по результатам испытаний образца сферическими инденторами с учетом разрушающей силы Р, площади поверхности разрыва образца S и площади поверхности большей из зон разрушенной породы в областях контакта с инденторами F по формуле:

В таблице 1 представлены безразмерные значения прочности Rp и (в долях от σt) для материалов, характеризуемых показателем хрупкости Kxp (отношением пределов прочности при одноосном сжатии и растяжении) в диапазоне от 6 до 12, что соответствует реальным горным породам.

Отклонение результатов определения показателей прочности сравниваемыми способами не превысило 4% и составило, в среднем, менее 2%, что соизмеримо с точностью подобных лабораторных методов механических испытаний горных пород.

Экспериментальным обоснованием предлагаемого способа в отношении определения величины снижения прочности в водонасыщенном состоянии служат результаты сравнения аналогичных показателей 5 проб горных пород, определенных предлагаемым способом и в соответствии с базовым способом, описанным в статье «Басинский Ю.М., Коршунов В.А., Михайлов В.Ф. Исследование устойчивости горных выработок при увлажнении пород. Труды ВНИИ горн, геомех. и маркшейд. дела, сб. «Горное давление в капитальных, подготовительных и очистных выработках», Л.: ВНИМИ, 1982, с. 19-23, 136 с.».

Базовый способ основан на проведении сопоставительных испытаний

на раскалывание сферическими инденторами диаметром 15 мм по ГОСТ 24941-81 «Породы горные. Методы определения механических свойств нагружением сферическими инденторами» образцов, высушенных и насыщаемых продолжительное время водой. При вычислении значений предела прочности при одноосном сжатии были использованы приведенные в табл. 3а ГОСТ 24941-81 корреляционные прямые пропорциональные зависимости от показателя прочности на растяжение при раскалывании сферическими инденторами для конкретных горных пород. Поэтому по физическому смыслу показатель снижения предела прочности на растяжение при раскалывании в водонасыщенном состоянии предлагаемым способом соответствует показателю снижения прочности при одноосном сжатии при увлажнении, определяемому базовым способом.

При подготовке испытаний базовым способом согласно ГОСТ 30629-2011 «Материалы и изделия облицовочные из горных пород» высушенные до постоянной массы образцы подвергали водонасыщению в течение 2 суток.

Определение прочностных характеристик было произведено на породных образцах с площадью поперечного сечения 15-20 см2 с учетом их размеров по ГОСТ 24941-81 с использованием электромеханической универсальной испытательной машины MTS Insight 50, рассчитанной на рабочую нагрузку до 50 кН с регулируемой скоростью нагружения, в комплекте с нагрузочным устройством БУ-64, и машины испытательной вертикального нагружения ИСМ-190, рассчитанной на рабочую нагрузку до 25 кН, в комплекте с динамометром образцовым ДОСМ-3-3 и двумя индикаторами часового типа ИЧ-10.

При испытаниях предлагаемым способом осуществлялось приложение нагрузки ступенями с частичной разгрузкой таким образом, чтобы время нагружения до последующей ступени составляло не менее 10-20 секунд. При этом количество ступеней составляло от 3 до 6. Количество образцов в сериях с определенной ориентацией и характером водонасыщения составляло от 3 до 5.

Среднеарифметические значения прочностных характеристик горных пород, определенные предлагаемым и базовым способами, представлены в таблице 2. Среднее отклонение результатов определения показателей снижения прочности сопоставляемыми способами составило около 10%, что свидетельствует об их вполне приемлемой сходимости.

Способ определения прочности горных пород в водонасыщенном состоянии, включающий создание в образце поперечных трещин, заполнение жидкостью и внедрение нагрузочных элементов, к которым прикладывают периодическую нагрузку до формирования продольных трещин в плоскостях, проходящих через ось нагружения, отличающийся тем, что отобранные или изготовленные образцы высушивают до постоянной массы, затем в высушенные до постоянной массы образцы внедряют стальные встречные сферические инденторы и нагружают по одному из двух взаимно перпендикулярных направлений до формирования продольных трещин, затем формируют из обломков составные образцы, помещают в емкость с водой и нагружают их в ней сферическими инденторами до формирования продольных трещин в направлениях, перпендикулярных первоначальным трещинам, в режиме ступенчатого приложения нагрузки с частичными разгрузками до уровня, достигнутого на предыдущем этапе нагрузки, далее в высушенных и водонасыщенных образцах фиксируют разрушающую нагрузку, измеряют площадь поверхности трещин и определяют частные значения растягивающего напряжения разрыва, а в качестве прочностных свойств горной породы определяют средние значения предела прочности на растяжение при раскалывании высушенных и водонасыщенных образцов Rp и снижение предела прочности на растяжение при раскалывании в водонасыщенном состоянии ΔR во взаимно перпендикулярных направлениях по формулам:

Rp=1,83⋅σt,

где σt и - средние значения растягивающего напряжения разрыва высушенных и водонасыщенных образцов для каждого из взаимно перпендикулярных направлений в отдельности.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано при гидравлических испытаниях полых изделий (емкостей, трубопроводов и т.п.) внутренним давлением при статическом и/или циклическом режимах нагружения.

Изобретение относится к оценке состояния полимерной трубы в процессе эксплуатации. Способ заключается в том, что отбирают образец из полимерной трубы, на этом образце определяют показатели, характеризующие физико-химические, физико-механические свойства трубы и ее ремонтопригодность, и по ним оценивают состояние трубы, при осуществлении которого образец отбирают из стенки трубы во время установки на трубу седлового отвода и он представляет собой фрагмент стенки трубы, извлеченный из стенки трубы в процессе установки седлового отвода, в качестве показателей используют физико-механические показатели - предел текучести материала фрагмента стенки трубы, относительное удлинение при разрыве и относительное удлинение при пределе текучести, физико-химический показатель - индукционный период окисления; показатель ремонтопригодности - свариваемость материала образца.

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано при проверке прочности оболочек антенных обтекателей из хрупких материалов, преимущественно керамических, при статических испытаниях.

Группа изобретений относится к пищевой промышленности и может быть использована для определения сроков хранения плодов и ягод, способов их транспортирования и хранения.

Изобретение относится к получению высокопрочных мелкодисперсных полых наполнителей с повышенными прочностными характеристиками для введения в состав композиционных маетриалов, перерабатываемых с использованием давления, легковесных конструкционных материалов, плавучих материалов, обеспечивающих высокую гидростатическую прочность.

Настоящее изобретение относится к способу гидравлического испытания с использованием воды, выполняемому для проверки качества сварной трубы, например трубы, сваренной при помощи электрической контактной сварки, или спиральной трубы, и бесшовной трубы.

Изобретение относится к средствам (испытательным машинам) и методам механических испытаний материалов на растяжение, сжатие и изгиб. Машина содержит двухзонное нагружающее устройство, содержащее основание и неподвижную траверсу, жестко связанные между собой двумя гладкими колоннами, по которым с помощью серводвигателя и двух червячно-винтовых передач перемещается подвижная траверса, образуя зоны растяжения и сжатия, датчик силы, закрепленный к подвижной траверсе со стороны зоны сжатия, два захвата для закрепления испытуемых образцов в зоне растяжения: верхний, зафиксированный в неподвижной траверсе двумя шарнирными узлами в положении, соосном с осью приложения силы к испытуемому образцу, и нижний - сочлененный с подвижной траверсой через датчик силы, две опоры для испытания на сжатие, установленные в зоне сжатия, датчик перемещения, а также включающая насосную установку, содержащую насос низкого давления, насос высокого давления, клапаны предохранительные низкого и высокого давления, распределители для управления закрытием и открытием захватов, манометры для регистрации давления в магистралях низкого и высокого давления.
Заявленное решение используется для определения полной и остаточной объемной деформации сосудов (баллонов) под действием пробного давления. Техническая задача заключается в уменьшении трудоемкости и в устранении сложных расчетов для определения полной и остаточной объемной деформации.

Изобретение относится к технике испытаний изделий внешним гидростатическим давлением и может быть использовано в областях техники, где используются соответствующие изделия, например, подводные аппараты.

Изобретение относится к исследованию деформационных и прочностных свойств грунтов при инженерно-геологических изысканиях в строительстве. Способ включает деформирование образца грунта природного или нарушенного сложения в условиях трехосного осесимметричного гидростатического и последующего девиаторного нагружения, дающих возможность ограниченного бокового расширения образца грунта, близкого к реальным условиям, затем после установления условной стабилизации при статическом режиме достижением скорости деформирования образца, соответствующей условной стабилизации деформации образца на данной ступени деформирования, переходят поочередно на следующие ступени испытания, а по окончании испытаний, по конечным результатам, полученным на каждой из ступеней испытания, строят график зависимости относительной осевой деформации от осевых напряжений и определяют искомые характеристики грунта, причем после стабилизации деформаций гидростатического нагружения выполняют контролируемое девиаторное нагружение, первая часть которого - дозированное кинематическое нагружение с управляемой скоростью деформации и ограничением по приращению осевых напряжений, а вторая часть - стабилизация напряженно-деформированного состояния образца в режиме ползучести - релаксации напряжений по условной стабилизации модуля общей деформации, многократно повторяя нагружения и стабилизацию до достижения предельного напряженного состояния, а далее продолжают (при необходимости) только кинематическое нагружение до величины предельной относительной осевой деформации.

Изобретение относится к горной промышленности. Составляют проект на производство буровых и взрывных работ.

Изобретение относится к способу определения текущей водонасыщенности однородных песчаников на центрифуге без стробоскопического устройства. Согласно способу отбирают керн и изготавливают образцы цилиндрической формы.

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для прогноза динамических явлений типа внезапного выброса угля и газа, горного удара и им подобных.

Изобретение относится к области исследования фазовых проницаемостей и соответствующих насыщенностей коллекторов нефти и газа методом материального баланса для решения различных геопромысловых задач.

Изобретение относится к горному делу, в частности, к неразрушающим методам контроля состояния горных пород, и может быть использовано для определения состояния, предшествующего разрушению горного массива, зданий и сооружений, а также прогноза катастрофических проявлений.

Изобретение относится к техническим средствам для исследования разрушения горных пород высоковольтными импульсными разрядами в близких к реальным условиям в скважинах на больших глубинах и может быть использовано в нефте- и газодобывающей отрасли для изучения возможности и эффективности бурения скважин.

Изобретения относятся к измерительной технике - к технике создания автоматизированных систем контроля напряженно-деформированного состояния массива горных пород, и могут быть использованы в горном деле для контроля деформационных процессов горных пород и закладочного массива.

Изобретение относится к способу исследования скважин и может быть использовано для определения физико-механических свойств горных пород в их естественном залегании.

Изобретение относится к горному делу - к приборам горной геофизики, используется для определения напряжений в породном массиве путем нагнетания жидкости под давлением в герметизированный участок скважины до разрушения ее стенок.

Изобретение относится к исследованию механических свойств горных пород, а именно к устройству для определения энергоемкости разрушения горных пород. Технический результат заключается в обеспечении равномерного нагружения испытуемой горной породы, а также упрощении конструкции устройства без ухудшения его характеристик.

Изобретение относится к физико-механическим испытаниям скальных и полускальных горных пород, имеющих хрупкий характер разрушения, и может быть использовано для оценки их водопрочности при инженерно-геологических изысканиях. Сущность изобретения заключается в следующем. Нагружают высушенные до постоянной массы образцы стальными встречными сферическими инденторами по одному из двух взаимно перпендикулярных направлений до формирования продольных трещин и раскалывания на две части. Собирают из обломков составные образцы, помещают их в емкость с жидкостью, в качестве которой используют воду, и нагружают в ней сферическими инденторами до формирования продольных трещин в направлениях, перпендикулярных первоначальным трещинам, в режиме ступенчатого приложения нагрузки с частичными разгрузками до уровня, достигнутого на предыдущем уровне нагрузки. В образцах фиксируют разрушающую нагрузку и измеряют площадь поверхности трещин. Определяют частные значения растягивающего напряжения разрыва образцов, средние значения предела прочности на растяжение при раскалывании высушенных и водонасыщенных образцов и снижение предела прочности на растяжение при раскалывании в водонасыщенном состоянии во взаимно перпендикулярных направлениях по формулам. Технический результат: сокращение длительности определения прочности образцов, повышение информативности испытаний. 2 табл., 2 ил.

Наверх