Методы испытаний пород при динамических нагрузках.

В реальных условиях горные породы подвергаются воздействию различных нагрузок, при этом режимы нагружения могут быть самыми разнообразными - от статического до импульсного.

В принципе любые процессы нагружения являются динамическими, так как протекают в реальном времени, однако степень их динамичности различна, и в зависимости от того, насколько велик вклад сил инерции в общем балансе сил, действующих на образец или деформирующийся объем, тот или иной режим нагружения относят к категории статических или динамических.

В настоящее время не существует общепринятого критерия динамичности процесса, хотя были предложены различные классификации режимов нагружений.

По-видимому, наиболее общей характеристикой режима нагружения является скорость относительной деформации, поскольку эта характеристика определяет процесс деформирования в каждой точке деформируемого объема независимо от способа нагружения.

Различные технологические процессы в массивах горных пород можно соотнести с определенными скоростями деформации. Так, скорость деформации пород

* в выработках при длительных статических нагрузках составляет V_e = 10^-12 - 10^-10 с^-1 и менее (реологические процессы);

* при статическом режиме испытаний образцов горных пород со стандартной скоростью нагружения V_e = 10^-3 c^-1;

* при внезапных обрушениях пород кровли V_e = (10^-3 - 10¹) c^-1;

* при взрывах V_e = (10¹ - 10⁵) c^-1.

В соответствии с этим к статическому способу нагружения могут быть отнесены скорости деформации V_e <10^-3 с^-1; при скоростях деформирования 10^-3 < V_e <10² процесс нагружения может считаться квазистатическим и, наконец, скорости деформирования V_e >10² с^-1 характеризуют динамические режимы нагружения.

Для изучения закономерностей изменения деформационно - прочностных характеристик с увеличением скорости приложения нагрузок и возрастанием скорости деформирования пород наиболее рациональным является применение таких методов испытаний, которые без существенных изменений позволили бы в широком диапазоне изменять скорость деформирования пород от статических до динамических режимов приложения нагрузок.

С этой точки зрения к настоящему времени наиболее разработана методика, основанная на принципе разрезного (составного) стержня Гопкинсона. Она позволяет определять деформационно-прочностные характеристики горных пород при одноосном сжатии и растяжении (рис. 6.11).

Для автоматической регистрации усилий и деформаций на упругие элементы стержней-динамометров и боковую (или торцовую) поверхность образцов наклеивают тензодатчики, сигналы от которых фиксируются обычно светолучевыми осциллографами.

Рис. 6.11. Схема испытаний горных пород при динамическом сжатии (а) и динамическом растяжении (б).

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).