Определение свойств горных пород

Физические процессы

Лекция 6.

6 часов

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД.

Общие положения.

Вообще свойства среды, отображаемой двухкомпонентной моделью «структурный блок - структурная неоднородность» принципиально могут определяться двумя путями.

Один из них, интегральный, наиболее широко применяемый в настоящее время, заключается в отборе представительных проб или выборе опытных участков в зависимости от порядка (масштаба) изучаемых структурных неоднородностей и определении для них некоторых средних, интегральных значений интересующих свойств. Т. е., другими словами, реальная среда заменяется при этом некоторой идеализированной, в которой неоднородности считаются распределенными равномерно и проявляются в снижении средних значений характеристик и повышенном коэффициенте их вариаций.

Другой путь, дифференциальный, заключается в дифференцированном изучении характеристик для компонент, слагающих среду, - структурных блоков и структурных неоднородностей с последующим аналитическим учетом свойств отдельных компонент в процессах деформирования и разрушения пород. Второй путь позволяет избежать непреодолимых технических сложностей проведения крупномасштабных испытаний, особенно при изучении структурных неоднородностей низких порядков. В то же время выявляется необходимость дополнительных исследований закономерностей пространственного размещения неоднородностей, создания их классификаций, разработки метода отбора специальных образцов самих структурных неоднородностей и т. д.

С учётом изложенных ранее представлений о иерархично-блочной структуре горных пород и массивов и принципиально возможных двух путей определения различных характеристик - интегрального и дифференциального рассмотрим более детально принципы определения отдельных свойств.

В частности, для изучения плотностных характеристик целесообразно применять как первый, так и второй путь определения свойств многокомпонентных сред, поскольку им присущи свойства “аддитивности - независимости - равноправности”, т.е. все компоненты действуют равноправно и независимо друг от друга, а интегральная характеристика агрегата является средневзвешенным из характеристик каждой компоненты, в данном случае структурных блоков и структурных неоднородностей.

Таким образом для определения интегральных плотностных характеристик массива, представленного различными петрографическими разновидностями пород и различными типами структурных неоднородностей, в принципе достаточно определить эти характеристики для каждой разновидности пород и для каждого типа структурных неоднородностей (раздельно или в какой-либо совокупности), а затем найти их средневзвешенное значение в зависимости от степени распространённости указанных компонент в массиве.

Деформационные и, в частности, упругие характеристики горных пород, в отличие от плотностных, обусловливаются не только свойствами отдельных разновидностей пород, слагающих массив, но и свойствами их контактов, а потому и особенностями взаимного расположения слагающих компонент. Именно вследствие этого для деформационных показателей справедлива схема “аддитивности - взаимозависимости - равноправносги”. Аддитивность влияния неоднородностей в этом случае проявляется в суммарном вкладе каждой из компонент, при этом вполне очевидна и их равноправность. Вместе с тем, например, для упругих колебаний интегральная скорость прохождения упругих волн в многокомпонентной среде не является усредненным значением скоростей волн в отдельных компонентах.

Вследствие отмеченной особенности для определения скоростей прохождения упругих колебаний также целесообразен первый путь получения информации о физических характеристиках многокомпонентной среды. Однако, в отличие от плотностных характеристик, и именно из-за свойства “взаимозависимости” в сферу экспериментов при этом необходимо вовлекать объемы массива, где обеспечивается представительность интересующих порядков структурных неоднородностей.

Например, применительно к вопросам оценки устойчивости буровых скважин в сферу экспериментов должны быть вовлечены структурные неоднородности IV - го порядка, и определение деформационных характеристик в этом случае возможно выполнять на образцах-цилиндрах стандартных размеров - с диаметром 40-45 мм и высотой, равной 1-2 диаметрам.

В то же время для решения задач оценки устойчивости горных выработок в экспериментах должны проявлять себя структурные неоднородности более низких порядков - до II включительно. Здесь уже нельзя ограничиваться испытанием образцов, необходима постановка специальных измерений непосредственно в натурных условиях.

В отличие от плотностных и деформационных характеристик прочностные свойства подчиняются схеме "избирательности-независимости", поскольку разрушение происходит в наиболее слабом звене и не зависит от прочности других структурных элементов. В соответствии с двухкомпонентной моделью строения массива скальных пород наиболее слабым звеном является "структурная неоднородность", причем в зависимости от масштаба рассматриваемых объектов разрушение будет определяться различными порядками структурных неоднородностей - от IV - го для буровых скважин до II - го включительно - для крупногабаритных подземных сооружений. Отсюда возникает задача применительно к каждому типу рассматриваемых сооружений определять прочностные характеристики тех структурных неоднородностей, которые в данном случае оказывают основное влияние на устойчивость объектов (т.е. эффективных структурных неоднородностей).

Поскольку вид, размеры и свойства структурных неоднородностей отдельных порядков резко отличаются друг от друга, применяют различные методические подходы для экспериментального определения прочностных характеристик. В частности, для структурных неоднородностей IV - го порядка определения ведут путем испытания образцов горных пород в виде цилиндров или призм.

К образцам предъявляются требования достаточной представительности и однородности, с тем, чтобы они не включали структурных неоднородностей других, более низких порядков. Последнее требование обычно достигается путем применения весьма небольших по размерам (стандартных) образцов, а также путем статистического анализа получаемых результатов с отбраковкой резких выбросов в получаемых значениях характеристик. При этом в силу принципа "избирательности" разрушение образцов происходит именно по структурным неоднородностям 1У порядка, и получаемые результаты можно уверенно относить к этому типу.

Для структурных неоднородностей III - го порядка представительными, как правило, являются объемы с существенно большими линейными размерами (50-100 см). В принципе и в этом случае испытания могут быть проведены на образцах соответствующих больших размеров, но это требует специального камнерезного и уникального силового оборудования. Вследствие этого при изучении уже III, а тем более II порядка структурных неоднородностей путь испытания образцов становится малоприемлемым и более целесообразно применять метод непосредственного определения прочностных характеристик по поверхностям структурных неоднородностей того или иного порядка. При этом для правильного последующего применения полученных результатов необходимо знать геометрические характеристики и закономерности расположения в пространстве отдельных структурных неоднородностей. Вследствие этого их изучение целесообразно начинать с установления их геометрических параметров.

Изучение закономерностей пространственного расположения структурных неоднородностей должно сопровождаться изучением вида заполнения и характера контактирующих поверхностей структурных неоднородностей. Ведь именно от вида и состояния минералов - заполнителей трещин или других типов структурных неоднородностей, а также от степени шероховатости и извилистости поверхностей контактов зависят механические характеристики по поверхностям структурных неоднородностей.

В отличие от геометрических параметров более сложную и существенно менее разработанную задачу представляют собой методы определения прочностных характеристик по поверхностям структурных неоднородноcтей низких порядков. При этом, поскольку с физической точки зрения разрушение материалов вообще и горных пород, в частности, происходит либо под воздействием растягивающих напряжений в форме отрыва, либо вследствие касательных напряжений в форме сдвига (скола), наибольший интерес представляет определение пределов прочности при одноосном растяжении [ s_р ], сцепления [ t ] и j - углов внутреннего трения. В условиях, когда необходимо принимать во внимание взаимные подвижки отдельных структурных блоков, существенное значение приобретает характеристика f - коэффициент трения (внешнего) породы о породу по контактам структурных неоднородностей.

 

Методы определения конкретных свойств пород рассмотрим раздельно:

· при вовлечении в эксперименты сравнительно небольших объёмов пород, т.е. с учётом структурных неоднородностей высших порядков;

· при исследованиях больших областей массива, охватывая тем самым низкие порядки структурных неоднородностей.

 

Рис.6.1. Схема лабораторной установки для измерения плотности горных пород гамма-методом.

Акустических свойств.

Из деформационных свойств горных пород обычно определяют модуль деформации (для упругого участка деформирования - модуль упругости Е) и коэффициент поперечных деформаций (коэффициент Пуассона) n.

При этом методы их определения можно подразделить на статические и динамические.

Статические методы основаны на измерении деформаций образцов исследуемых пород под нагрузкой. Для измерения продольных и поперечных деформаций образцов при их нагружении применяют проволочные тензометры сопротивления (рис. 6.2), либо механические индикаторы часового типа.

 

Рис. 6.2. Образцы горных пород с наклеенными тензометрами для определения деформационных свойств.

 

В процессе нагружения и разгрузки с помощью автоматической записывающей аппаратуры ведут непрерывную запись деформаций, либо фиксируют деформации через определенные ступени нагружения и разгрузки.

 

Динамические методы определения деформационных (упругих) свойств пород основаны на измерении скоростей упругих колебаний, возбуждаемых в исследуемых образцах в диапазоне звуковых и ультразвуковых частот, т.е. фактически являются в то же самое время методами определения акустических свойств пород.

Эти методы разработаны значительно позднее, чем статические, но получают все большее распространение благодаря простоте, малой трудоемкости измерений и применению удобных в работе и надежных серийных измерительных приборов.

Наибольшее распространение в практике исследования свойств горных пород получил импульсный динамический метод, в основе которого лежит пропускание через образец исследуемой породы повторяющихся импульсов ультразвуковых колебаний, по значениям скоростей распространения которых рассчитывают упругие характеристики.

Определение акустических, а затем и упругих свойств импульсным динамическим методом обычно ведут путем прямого прозвучивания и продольного профилирования образцов горных пород. Для прозвучивания образца (рис. 6.3, а) к одному из его торцов прижимают ультразвуковой излучатель, а к другому - приемник (кристаллы кварца, сегнетовой соли,

 

Рис. 6.3. Определение акустических и упругих свойств образцов пород импульсным ультразвуковым методом.

Рис.6.4. Определение прочности горных пород при одноосном сжатии.

Рис. 6.5. Определение прочности пород при растяжении методом диаметрального сжатия.

Рис. 6.6. Определение прочности при растяжении методом раскалывания породных пластин клиньями.

Рис. 6.9. Схема жесткого пресса.

Рис. 6.10. Полные кривые деформирования образцов горных пород.

1 мрамор; 2 - гранит биотитовый; 3 - плагио-гранит биотитовый; 4 - песчаник; 5 диабаз; 6 - тальк-хлорит.

 

Боек; 2, 3 - входной и выходной стержни-динамо-метры: 4 - образец горной породы; 5 - тензодатчики для регистрации деформаций в стержнях-динамометрах; 6 - тензодатчики для регистрации деформаций в образце.

 

В зависимости от применяемых нагрузочных устройств испытания проводятся в различных режимах приложения нагрузок. В диапазоне статических скоростей (V_e <10^-3 с^-1) образец нагружается стационарной универсальной испытательной машиной (прессом) с усилием, необходимым для разрушения испытуемой породы. В диапазоне динамических скоростей деформаций применяют ударный способ нагружения с помощью вертикальных или горизонтальных механических или пневматических копров, пороховых или пневматических пушек, устройств взрывного типа, электрогидравлического удара и др.

Значение среднего напряжения s _сж(t) в образце при сжатии определяется как полусумма напряжений, возникающих на контактных поверхностях образца и стержней. Максимальное значение s _сж(t), зарегистрированное при разрушении образца, принимается в качестве его предела прочности при сжатии. Максимальное значение s _р(t) считают пределом прочности горной породы на растяжение.

Анализ экспериментальных данных показывает, что с увеличением скорости деформирования пределы прочности пород на сжатие и растяжение, а также соответствующие значения модуля упругости возрастают (рис. 6.12).

Рис. 6.12. Зависимости прочностных (1) и деформационных (2) харак-теристик пород от скорости деформирования.

a - [s_сж] и Е_сж; б - [s_р] и Е_p.

Однако для прочностных характеристик, в отличие от деформационных (модуля упругости Е), изменение носит очень неравномерный характер. Так, до скоростей деформирования V_e = (10^-2 - 10⁰) с^-1 коэффициент динамичности K = s^Д/s^СТ, характеризующий возрастание динамических пределов прочности по отношению к статическим, составляет 0,4-1,2, а далее резко возрастает до 6-8. Значения коэффициента динамичности для модуля упругости плавно возрастают от К = 0,2 - 0,4 до К = 1,6- 1,8.

 

6.2.6. Методы определения реологических параметров.

Как отмечалось выше, реологические свойства горных пород описывают обычно на основе теории линейных наследственных сред с использованием в качестве функции ползучести степенной зависимости.

Для такого описания необходимо экспериментально определить значения параметров ползучести a_п и d. Эти параметры определяют в лабораторных условиях при простейших напряженных состояниях испытываемых образцов - поперечном изгибе или одноосном сжатии.

В режиме поперечного изгиба испытания ведут, как правило, на образцах-балочках, размещая их на двух опорах и нагружая сосредоточенной нагрузкой в середине пролета. Для испытаний в условиях одноосного сжатия образцы, как обычно, изготавливают в виде призм или цилиндров.

При испытаниях по схеме поперечного изгиба в условиях неизменной нагрузки в течение значительного промежутка времени (многих месяцев) фиксируют изменения прогиба образцов-балочек. При испытаниях образцов в условиях одноосного сжатия измеряют продольные деформации образцов.

Результаты определения параметров a_П и d обоими способами удовлетворительно согласуются между собой.

Обычно параметры ползучести горных пород определяют в два этапа. На первом этапе устанавливают пределы прочности и общий характер деформирования испытываемых образцов. С целью экономии времени испытания на этом этапе ведут в режиме последовательного ступенчатого нагружения серии из 4-5 образцов равными нагрузками, причем ступень нагружения составляет около 20 % от разрушающей нагрузки.

На втором этапе устанавливают характер развития реологических процессов и определяют собственно параметры ползучести образцов пород во всем диапазоне изменения нагрузок, вплоть до разрушающих. На этом этапе каждый образец испытываемой серии нагружают определенной нагрузкой (20; 40; 60 или 80 % разрушающей) и измеряют деформации образца во времени до момента стабилизации процесса ползучести, либо до момента разрушения образца.

Реологические испытания отличаются, прежде всего, своей длительностью и непрерывностью. Обычно их проводят в течение нескольких тысяч часов (нескольких, а иногда и многих месяцев). Это накладывает жесткие требования к надежности и стабильности работы нагружающих устройств и регистрирующей аппаратуры.

Наиболее часто в качестве нагружающих устройств применяют механические и пружинные прессы либо нагружение осуществляют фиксированными грузами (гирями).

 

Рис. 6.14. Графическое представление результатов компрессионных испытаний грунтовых массивов.

Если в пределах сравнительно небольших изменений давления от природного р₁ (равного давлению столба вышележащего грунта) до значения давления р₂ (например, за счет пригрузки от веса сооружений), которое обозначим p= р₂ — р₁, компрессионная кривая близка к секущей прямой АВ, уравнение этой прямой имеет вид

е_i = e₀ – p_i tga, (6.5)

где e₀ – начальный коэффициент пористости, е_i и p_i -коэффициент пористости и нагрузка в рассматриваемой точке, tga = m₀ – характеристика деформируемости грунта, называемая коэффициентом сжимаемости (МПа^-1).

 

Другой характеристикой деформируемости грунта является коэффициент относительной сжимаемости:

M_v = m₀ / (1 + e₀). (6.6)

В качестве деформационной характеристики грунтов используется также модуль деформации

1 - 2n² / (1 - n)

Е₀ = --------------------(6.7)

M_v

где n — коэффициент Пуассона грунтового массива.

 

Прочность грунтов обычно нарушается в результате сдвига одной части грунта по другой. Сопротивление грунта сдвигу определяется на специальных сдвиговых приборах. Результаты эксперимента представляются в виде графика в системе координат «предельное сопротивление сдвигу τ_n — нормальное напряжение сжатия σ», который обычно представляет прямолинейную зависимость вида

τ_n = с + σ_i tgφ, (6.8)

где τ_n и σ_i,- — соответственно предельное касательное и нормальное напряжения, с и φ -удельное сцепление и угол внутреннего трения грунта.

Вечномерзлые грунты могут находиться в твердо-мерзлом, пластично-мерзлом и сыпуче-мерзлом состояниях.

Твердомерзлые грунты прочно сцементированы льдом, практически несжимаемые, имеют модуль деформации Е_о > 100 МПа и хрупко разрушаются при относительно высокой скорости приложения нагрузки. В зависимости от состава грунтов изменяется температура, ниже которой грунты находятся в твердомерзлом состоянии: для песков крупных и средней крупности эта температура равна -0,1 °С, для мелких и пылеватых песков -0,3 °С, для глин -1,5 °С. При температуре, выше указанной, но ниже температуры начала замерзания, грунты находятся в пластично-мерзлом состоянии, в котором грунты сцементированы льдом, но обладают вязкими свойствами. Такие грунты характеризуются достаточно большой сжимаемостью и имеют модуль деформации Е_о < 100 МПа. Сыпуче-мерзлые грунты имеют отрицательную температуру, но не сцементированы льдом.

Отличительной особенностью мерзлых и вечномерзлых грунтов по сравнению с немерзлыми грунтами является то, что они представляют четырехкомпонентную систему, состоящую из твердых частиц, незамерзшей воды, воздуха и льда. Их прочность и деформируемость в значительной степени зависят от количества, состава и свойств незамерзшей воды и льда. Поэтому помимо указанных выше основных параметров (плотности грунта ρ, плотности твердых частиц грунта ρ_s и весовой влажности грунта w) физическое состояние мерзлых грунтов характеризуется весовым содержанием незамерзшей воды w_w при температуре природного залегания грунта. Эту характеристику можно определить по формуле

w_w = k_w w_p,(6.9)

где k_w — коэффициент, зависящий от числа пластичности I_р и температуры грунта; w_p — влажность грунта, соответствующая границе раскатывания. (см. 6.3).

Производной от основных характеристик является суммарная льдистость мерзлого грунта

ρ (w_tot - w_w)

I_tot = ----------------,(6.10)

ρ_i (1 + w_w)

где р_г — плотность льда.

 

Искусственно замороженные грунты обычно образуются при сооружении противофильтрационных завес в плывунах. С понижением температуры искусственно замороженных пород их прочность увеличивается, а деформируемость снижается.

 

Механические свойства грунтовых массивов в большей степени, чем породных массивов, зависят от подземных вод, содержащихся в порах грунта, трещинах и полостях и способных перемещаться под действием силы тяжести.

При определенной скорости движения подземной воды вместе с ней могут перемещаться мелкие частицы грунта водоносного горизонта. Из водоносного горизонта или подстилающего его водоупорного слоя постепенно вымываются пылеватые, мелкопесчаные, а иногда и глинистые частицы, т. е. происходит механическая суффозия грунта. В результате увеличивается пористость грунта и в конечном итоге повышается сжимаемость и уменьшается сопротивление сдвигу грунта. Механическая суффозия может развиваться, если диаметр выносимых мелких частиц приблизительно в 8 раз меньше размера частиц грунта, через которые осуществляется механическая суффозия.

В засоленных мелкодисперсных грунтах фильтрующаяся вода вызывает растворение и вынос растворенного вещества — химическую суффозию грунта. При этом также увеличивается пористость грунта и соответственно его деформируемость, уменьшается сопротивление грунта сдвигу. В результате химической суффозии скальных пород развиваются карстовые процессы и образуются карстовые полости.

 

Ультразвуковые скважинные датчики; 2 - досылочные штанги; 3 - фиксирующее устройство с распределительным вентилем; 4 - координатное устройство; 5 - ёмкость с запасом воздуха; 6 - регистрирующий прибор.

Сейсмический метод находит применение при геофизических исследованиях больших участков массива горных пород (сотни метров) и позволяет, кроме определения скоростей упругих волн, также анализировать затухание колебаний по мере прохождения волной разных баз.

 

Деформационные характеристики также могут быть определены с помощью методов искусственного нагружения участков массива.

Обычная схема таких испытаний состоит в том, что испытуемый участок породного массива оконтуривают с нескольких сторон, сохраняя связь с остальным массивом лишь по одной или двум плоскостям. Затем с помощью гидравлических домкратов или иных нагрузочных устройств оконтуренный участок нагружают, фиксируя нагрузки и соответствующие им деформации пород и при необходимости доводя усилия вплоть до разрушения нагружаемого участка массива. Одна из схем такого нагружения приведена на рис. 6.15.

Рис. 6.15. Схема определения деформационных характеристик и прочности породных призм при нагружении гидравлическими домкратами в натурных условиях.

а - вид на породную призму в стенке выработки, подготовленную к срезу; б - боковая проекция срезаемой призмы; в - срезаемая призма с установленными гидравлическими домкратами (в плане).

 

Среди методов этой группы заслуживают внимания также методы определения деформационных характеристик участков массива, основанные на тензометрических дистанционных измерениях радиальных смещений пород в стенках буровых скважин при распирании скважин с помощью специального гидравлического устройства - прессиометра.

Наконец, к этой же группе методов относятся и методы определения деформационных свойств пород на основе опытных горных работ. Эти методы связаны с применением "обратных расчетов". Сущность этих методов состоит в том, что с помощью горных работ исследуемый элемент массива (участок кровли выработки, целик или группа целиков и т. п.) подвергают деформированию, обычно вплоть до разрушения. В процессе опытных горных работ фиксируют происходящие при этом смещения, деформации, изменения напряжений в изучаемом участке массива и соответствующие им геометрические параметры целиков, обнажении кровли и т. п.

Если прямые задачи геомеханики состоят в том, чтобы на основе известных механических свойств рассчитать возможные смещения, деформации и напряжения в участках массива при различных геометрических параметрах горных разработок, то в данном случае ставят обратную задачу: определить механические, в частности деформационные, свойства пород в массиве на основе фиксируемых геометрических параметров и наблюдаемых смещений, деформаций и изменения напряжений. Для правильного определения механических свойств пород в натурных условиях необходимо, чтобы аналитические зависимости, используемые в расчетах, надежно отражали действительный механизм процессов в изучаемом участке массива.

В качестве одного из примеров рассматриваемой группы методов можно назвать опытное распирание гидростатическим давлением жидкости или газа стенок камеры или тоннеля и измерение при этом смещений с расчетом упругих характеристик пород в массиве. По своей сущности этот метод аналогичен методу прессиометрических измерений и отличается от последнего значительно большими размерами испытуемого участка массива.

Применяют также опытное нагружение, вплоть до раздавливания, одного или группы междукамерных целиков при выемке смежных с ними целиков; опытное обнажение кровли выработок с установлением деформаций ее изгиба, определением предела прочности на изгиб и расчетом показателей деформационных характеристик пород кровли.

По измерениям деформаций контура подземной выработки во времени, используя математический аппарат наследственной теории ползучести, можно определить реологические показатели массива пород.

По сути дела во всех этих случаях также идёт речь об определении характеристик некоторых объёмов пород с учётом тех или иных видов структурных неоднородностей в зависимости от параметров испытуемого участка и конкретной структуры данного массива.

Следует подчеркнуть, что методы определения механических свойств на основе опытных горных работ дороги, отличаются высокой трудоемкостью и сложностью организации работ, поэтому их применяют сравнительно редко. Поскольку возможное число таких опытов крайне ограничено, особое внимание необходимо обращать на соответствие участков опытных горных работ поставленным задачам эксперимента и степени общности получаемых при этом результатов.

 

6.3.3. Методы определения прочностных свойств.

Как уже говорилось, при изучении III - го, а тем более II - го и ниже порядка структурных неоднородностей интегральный путь определения прочностных характеристик, т. е. путь испытания образцов становится малоприемлемым и более целесообразно применять дифференциальный путь определения свойств, т.е. путь непосредственного определения прочностных характеристик по поверхностям структурных неоднородностей того или иного порядка. Это также является тем более оправданным, поскольку прочностные свойства подчиняются схеме "избирательности-независимости", разрушение происходит в наиболее слабом звене и не зависит от прочности других структурных элементов.

Вообще необходимо признать, что определение прочностных характеристик непосредственно по поверхностям структурных неоднородностей низких порядков представляет собой до настоящего времени мало разработанную проблему геомеханики. Общепринятых методик проведения подобных испытаний нет, имеются лишь отдельные предложения и весьма небольшой опыт определения указанных характеристик.

При этом основные трудности заключаются в подготовке специальных образцов для проведения испытаний, а также в выборе подходящих методик проведения экспериментов.

 

К числу возможных методов, которые могут быть применены для непосредственного определения прочностных свойств структурных неоднородностей низких порядков можно отнести методы, которые носят название точечных испытаний пробниками.

Эти методы получили развитие, главным образом, в связи с задачами оценки свойств пород, пересекаемых при бурении разведочных, нефтяных или газовых скважин. Они основаны, как правило, на определении усилий при статическом или динамическом внедрении специального индентора в массив на заданную глубину, либо на определении глубины и площади внедрения индентора при дозированном усилии внедрения.

Известны также методы, основанные на определении геотехнологических свойств, в частности, показателей вращательного бурения (сверления) пород при стандартных режимах бурения.

Все эти методы отличаются невысокой степенью точности определений, но позволяют экспрессно оценивать прочность непосредственно структурных неоднородностей низких порядков (как, впрочем, и для объёмов пород с высшими порядками неоднородностей), а в некоторых случаях и деформационные свойства.

Однако необходимо подчеркнуть, что на определяемые показатели в случае применении этих методов оказывает существенное влияние напряжённое состояние массива.

Также находят применение и другие схемы испытаний и определения прочностных характеристик по поверхностям структурных неоднородностей низких порядков.

В частности, сцепление [ t ] может быть определено путем среза породных призм, оконтуриваемых в породном массиве. Породную призму в массиве оконтуривают таким образом, чтобы она сохранила связь с массивом лишь по тем поверхностям структурных неоднородностей, по которым надлежит установить сцепление. К этим поверхностям прикладываются нормальные и касательные напряжения, создаваемые специальными нагрузочными приспособлениями - гидравлическими домкратами или гидравлическими подушками (последние применяются в массивах слабых пород). На рис. 6.16, 6.17 приведены различные схемы оконтуривания породных призм и приложения сдвигающих сил.

 

 

Рис. 6.16. Схемы оконтуривания и нагружения породных призм при определении сцепления по поверхностям естественных трещин при условии одностороннего нагружения (а), двустороннего нагружения (б) и среза одновременно по двум поверхностям трещин (в).

 

Рис. 6.17. Определение сцепления по естественным трещинам в массиве скальных пород.

А - щель для размещения давильной установки; б - давильная установка, состоящая из стальных плит и гидродомкратов; в - породная призма после среза (отчетливо видны поверхности естественных трещин, по которым произошел срез).

 

При использовании указанных методов, также как и в предыдущем случае точечными испытаниями пробниками, большие погрешности в определяемые величины вносит напряжённое состояние массивов пород.

 

Указанного влияния можно избежать, если испытания проводить на специальных образцах исследуемых структурных неоднородностей.

К числу первых подобных попыток относятся результаты непосредственного определения прочностных характеристик по поверхностям структурных неоднородностей III - го и II - го порядков для условий месторождений Чупинских слюдоносных пегматитов. При этом определялись предел прочности при одноосном растяжении [ s_р ], сцепление [ t ], j - угол внутреннего трения и f - коэффициент трения (внешнего) породы о породу по контактам структурных неоднородностей.

Для определения предела прочности на растяжение [ s_р ] весьма удобно применять метод раскалывания клиньями, при этом клинья могут устанавливаться точно на трещину, а образцы могут представлять собой пластины или призмы. Другими словами, практически без всяких изменений здесь применима методика определения прочности на растяжение для образцов-объёмов с высшими порядками структурных неоднородностей.

Иное положение с определением сцепления, угла внутреннего трения и коэффициента трения по поверхностям структурных неоднородностей.

В настоящее время наибольшее применение для определения сцепления и угла внутреннего трения находят методы испытаний специально подготовленных образцов в условиях одновременного действия сжимающих и срезающих нагрузок (схемы подобны испытаниям на срез в матрицах для образцов-объёмов с высшими порядками структурных неоднородностей).

Необходимо отметить, что помимо основных трудностей подготовки и закрепления образцов с целью обеспечения среза именно по исследуемой поверхности структурных неоднородностей, в плоскости среза создаётся крайне неоднородное поле напряжений, достаточно сильно проявляется эффект дилатансии (увеличение объёма образца вследствие его разрушения в момент среза) и по мере развития среза уменьшается площадь контакта сдвигающихся поверхностей. Всё это способствует возникновению существенных погрешностей и большому разбросу получаемых значений [ t ] и j.

В некоторой степени позволяет уменьшить возникающие погрешности методика испытаний, в основу которой положена схема кручения. При такой схеме в плоскости среза также создаётся неоднородное поле напряжений, однако оно поддаётся расчёту и может быть учтено при вычислении [ t ]. Эффект от дилатансии здесь может быть снижен путём применения статической нагрузки, а площадь контакта всё время остаётся постоянной для цилиндрических или близкой к постоянной для призматических образцов.

Для реализации испытаний методом кручения была специально сконструирована и изготовлена лабораторная установка (рис. 6.18), с помощью которой могут испытываться цилиндрические (или призматические) образцы диаметром 42 мм и высотой от 80 до 200 мм. Структурные неоднородности в образце в момент испытаний должны быть расположены по отношению к

Рис. 6.18. Установка для определения сцепления, угла внутреннего трения и коэффициента трения по поверхностям структурных неоднородностей методом кручения.

1 - нижнее неподвижное зажимное устройство; 2 - верхнее вращающееся зажимное устройство; 3 - динамометрический ключ; 4,5 - соединительные кольца и планки.

 

продольной оси образца под углом не менее 70⁰. Величина крутящего момента может быть измерена любым способом, например, с помощью динамометрического ключа.

 

Наконец, определение коэффициента трения производится в ходе тех же испытаний после разрушения образца по поверхности структурной неоднородности в процессе дальнейшего вращения и вычисляется по формуле