Товары в корзине: 0 шт Оформить заказ
Стр. 1 

77 страниц

Купить бумажный документ с голограммой и синими печатями. подробнее

Цена на этот документ пока неизвестна. Нажмите кнопку "Купить" и сделайте заказ, и мы пришлем вам цену.

Распространяем нормативную документацию с 1999 года. Пробиваем чеки, платим налоги, принимаем к оплате все законные формы платежей без дополнительных процентов. Наши клиенты защищены Законом. ООО "ЦНТИ Нормоконтроль"

Наши цены ниже, чем в других местах, потому что мы работаем напрямую с поставщиками документов.

Способы доставки

  • Срочная курьерская доставка (1-3 дня)
  • Курьерская доставка (7 дней)
  • Самовывоз из московского офиса
  • Почта РФ

В документе описаны разработанные лабораторией механических испытаний ВНИМИ методы испытаний горных пород при одноосном и объемном сжатии

 Скачать PDF

Оглавление

Введение

Глава I. Определение прочности пород на одноосное сжатие

     1 Краткий анализ основных схем испытаний

     2 Влияние отношения высоты образца к его диаметру на прочностные и деформационные свойства горных пород

     3 Разработка эталонных (точных) и приближенных методов определения прочности пород на одноосное сжатие

     4 Результаты испытаний

     5 Основные рекомендации

Глава II. Упрощенные методы определения показателей объемной прочности горных пород

     1 Краткий анализ существующих методов испытаний

     2 Разработка упрощенного метода испытаний

Приложение 1. Прибор сжатия БП19

Приложение 2. Метод испытаний прочности горных пород на одноосное сжатие в устройстве с напряженными прокладками

Приложение 3. Метод испытаний прочности горных пород на одноосное сжатие в устройстве с шариковыми инденторами и эластичной прокладкой

Приложение 4. Упрощенный метод определения показателей объемной прочности горных пород

Приложение 5. Программа машинной обработки результатов испытаний образцов горных пород в стабилометре

Литература

 
Дата введения01.02.2020
Добавлен в базу01.01.2018
Актуализация01.02.2020

Этот документ находится в:

Организации:

РазработанВНИМИ
УтвержденВНИМИ
Стр. 1
стр. 1
Стр. 2
стр. 2
Стр. 3
стр. 3
Стр. 4
стр. 4
Стр. 5
стр. 5
Стр. 6
стр. 6
Стр. 7
стр. 7
Стр. 8
стр. 8
Стр. 9
стр. 9
Стр. 10
стр. 10
Стр. 11
стр. 11
Стр. 12
стр. 12
Стр. 13
стр. 13
Стр. 14
стр. 14
Стр. 15
стр. 15
Стр. 16
стр. 16
Стр. 17
стр. 17
Стр. 18
стр. 18
Стр. 19
стр. 19
Стр. 20
стр. 20
Стр. 21
стр. 21
Стр. 22
стр. 22
Стр. 23
стр. 23
Стр. 24
стр. 24
Стр. 25
стр. 25
Стр. 26
стр. 26
Стр. 27
стр. 27
Стр. 28
стр. 28
Стр. 29
стр. 29
Стр. 30
стр. 30

ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИ И ИНСТИТУТ ГОРНОЙ ГЕОМЕХАНИКИ И МАРКШЕЙДЕРСКОГО ДЕЛА ВНИМИ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ПРОЧНОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД НА СЖАТИЕ

Ленин pat 1 9 7 3

всесоюзный научно-исследовательскии институт горной геомеханики и маркшейдерского дела вними

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ПРОЧНОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД НА СЖАТИЕ

Л е н и игра д 19 7 3

но будет изложена ниже. Принципиальное отличие этого метода испытаний от изображенного на рис.2,а, заключается в том, что кроме шариковых инденторов, выполняющих такую же роль, как и зубцы на рис.2,а, имеется эластичная податливая прокладка (например, пластмасса), обеспечивающая равномерное нагружение образца при грубо обработанных его торцах.

Реализация поля однородного плоского напряженного состояния при сжатии осуществлена в работе [16], в которой предлагается применять вместо давильных плит жесткие гребенки с зубьями.

Одним из способов передачи равномерной нагрузки на образец является дискретная передача давления по отдельным участкам образца через различного рода площадки.

В исследованиях Хельмута [19] влияние трения по торцам устранялось оригинальной конструкцией давильных плит, которые набраны в виде пакета из стальных брусков сечением 3x5 мм. Между брусками оставляются зазоры в 0,02 см и в этих же пределах обеспечена их поперечная подвижность. Для устранения трения на поверхности образца А.Е.Десовым [82] разработана следующая схема испытаний. На поверхности образца устанавливаются специальные прокладки, представляющие собой металлические пластинки толщиной 16 мм, с наклеенной на них мягкой резиной толщиной 4—5 мм. Сверху резины укладываются металлические кубики размером 2x2x2 см, с зазорами в обоих направлениях 1—2 мм. В работе [20] влияние трения по торцам устранялось аналогичным образом: вместо плоских давильных плит применялись стальные стержни сечением 3x5 мм, собранные в пакет, соответствующий размеру грани образца, и имеющие возможность взаимного поперечного перемещения в пределах 0,2 мм. В работе [21] для равномерного распределения нагрузки давление на образец передавалось через заполненную маслом медную подушку и через 64 прилегающих к образцу стальных кубика с;ечением 1,27х 1.27Х 1,27 см. Наборные штампы и резиновые прокладки описаны в работе [22]. Наборные штампы, состоящие из отдельных элементов призматической формы, контактируют с образцом и имеют размеры 10Х 10 мм с высотой 30 мм. Давление на штампы передается от гидраэлической камеры; между отдельными призмами оставлены зазоры. Прочность испытанных кубиков бетона (10Х 10Х Ю см) была практически равной прочности призм (10x10x60 см). Отдельные нагружающие элементы применялись авторами работы [23]; реализация однородного напряженного состояния при этом осуществляется с помощью специальных стержневых прокладок. Наиболее распространенная схема испытаний со штампами изображена на рис.2,6.

Применение смазки и низкомодульных прокладок между торцами образца и давильными плитами — пожалуй, самый

10

старый способ создания однородного напряженного состояния в материале испытываемого образца.

Еще в 1900 г. Феппль пришел к выводу, что применение смазки между образцом и давильными поверхностями пресса позволяет добиться более однородного напряженного состояния в материале испытываемого образца [24). Феппль установил также, что при испытании кубика материала со смазкой прочность получается ниже, чем при испытании того же материала с трением по торцам.

В качестве смазки (или тонких низкомодульных прокладок) различные исследователи применяли машинное масло, сел и коновую пасту, жир, резину, мягкую и жесткую древесно-волокнистую плиту, фанеру, кальку, картон, цементный раствор, гипсовый слой, песок, графит, свинец, медь, пластмассу и другие материалы.

Сохранение цилиндрической формы образцов зернистых материалов при сжатии было достигнуто применением на торцах образца селиконовой пасты [25). При этих исследованиях было отмечено, что смазка на торцах обеспечивает однородность напряженно-деформированного состояния. Селиконовый жир, например, уменьшает коэффициент трения на торцах до 0,03. Сохранение цилиндрической формы испытываемых образцов было также осуществлено с помощью резиновых прокладок (рис.3,а), снижающих трение по торцам образца (26). В работе [27] изложены результаты исследований И.Н.Ахвердова и Л.К.Лукша. Усилие на образцы пород передавались через тонкую прослойку песка (рис.3,6).

1

Детальные исследования |    б

влияния прокладок и см аз-ки на прочность и деформируемость различных матери алов, в том числе и горных пород, приведены в работах [1, 4, 28, 29, 30, 31 и др.).

Главным аргументом при обосновании применения смазки или низкомодульных прокладок является следующее положение: смазка (или прокладка) уменьшает трение. Однако уменьшение трения еще не может гарантировать создания в образце напряженного состояния, близкого к однородному. Одновременно с уменьшением трения смазка и особенно

11

низкомодульные прокладки могут вызвать следующие нежелательные явления:

1.    Проникновение смазки (прокладки) в поры образца. В работе [32] было доказано, например, что мягкие тефлоновые прокладки, применяемые для обеспечения равномерного распределения напряжений по обоим основаниям образца породы, искажали его прочность из-за внедрения прокладки в трещины и поры, что вызывало появление растягивающих напряжений на торцах. Такое же расклинивающее влияние оказывает свинец, олово, парафин и другие материалы.

2.    Растяжение торца образца. Мягкие прокладки (смазка), существенно отличаясь упругими свойствами от материала испытываемого образца, деформируются при сжатии в большей степени, чем образец. Поэтому они вызывают растяжение при-торцевой зоны образца. Так, например, опыты с измерением поперечных деформаций при испытании образцов пород на сжатие со смазкой определенной толщины показали, что деформации у торцов больше, чем в средней его части [33].

3.    Неравномерность распределения напряжений по торцу образца. Мягкая прокладка (или смазка) в средней части находится в объемном напряженном состоянии, а вблизи от боковых граней образца наблюдается одноосное напряженное состояние. Это вызывает концентрацию нагрузки в средней части торца образца (рис.З.в). Если между мягкой прокладкой и образцом положить лист копировальной бумаги, то форма отпечатка будет свидетельствовать о характере распределения напряжений по торцу образца. Проведенные авторами настоящей работы исследования показали, что при использовании смазки и низкомодульных прокладок (парафин, резина) максимум напряжений приходится на центральную часть образца. Такое распределение напряжений вызывает появление дополнительных растягивающих напряжений и искажает значение прочности.

Влияние смазки легко проверить, испытав образцы породы с различным отношением высоты образца к его диаметру: чем ниже образец, тем меньше его прочность. Этот факт также свидетельствует о том, что смазка (или низкомодульная прокладка) может вызвать появление в торцевых зонах образца растягивающих напряжений, искажающих истинную прочность.

Существенное влияние на напряженно-деформированное состояние материала образца породы оказывает материал смазки (прокладки) и его толщина. На рис.4 приведены типичные кривые испытания пород со смазкой или с низкомодульными прокладками. Кривая / соответствует результатам испытаний породы с трением по торцам; кривые 2—5 — со смазкой (прокладкой) различной толщины (кривая 5 соответствует результатам испытаний с прокладкой максимальной толщины). В принципе можно рассматривать результаты испытаний с трением по торцам,

12

как испытания со смазкой (проклад-* , кой) при толщине ее равной нулю. При^ увеличении толщины смазки (прокладки) получается «веер» кривых прочности, среди которых некоторая линия 3 будет примерно соответствовать прочности материала при напряженном состоянии, близком к однородному. Кривые, расположенные выше линии 3. соответствуют условиям опыта с трением по торцам, а расположенные ни- же — условиям опыта со смазкой.

Рис.4

и./л.

Данный подход (смазка торцов образца) к получению однородного напряженного состояния материала образца трудно рекомендовать как стандартный для различных типов горных пород, отличающихся по прочности и деформируемости. Еще в 1909 г. исследованиями Ринне было установлено, что для каждого типа породы необходимо экспериментально подбирать определенную «оптимальную» прокладку (34). При применении таких низкомодульных прокладок, как, например, резина (Е=з 0,20*10ъкг/см2\ /л * 0,5), в образце могут возникать растягивающие радиальные и тангенциальные напряжения, составляющие на контакте с прокладкой значения, равные примерно половине приложенного осевого сжимающего напряжения (35). Напряжения в образце весьма чувствительны к отношению^ /Е и отношению толщины прокладки к ее диаметру. При исследованиях следует стремиться к тому, чтобы /л /Е для прокладки было меньше fx /Е для образца (35).

Интересные результаты опытов с применением различных прокладок и смазок приведены М.Ф.Кунтышем [1]. Для исследований был взят известняк с разным отношением высоты образца к его диаметру (от 0,5 до 2,0). В качестве смазки (или

низкомодульных прокладок) применялись парафин толщиной 1—2 мм, плотная резина, капрон, свинец, картон и металлические шлифованные стальные пластины. Толщина прокладок была выбрана равной 5 мм. Наибольшая прочность была у образцов, испытанных с трением по торцам и с прокладкой из картона, минимальная — при испытании пород с резиновой прокладкой. Прочность образцов известняка, испытанных с парафиновой смазкой, оказалась постоянной при различном отношении высоты образца к его диаметру (в пределах от 0,5 до 2,0). Это дает основание предполагать, что для данного типа породы (известняк) материал смазки (парафин) и его толщина (1 — 2 мм) оказались оптимальными, а величина прочности, полученная при таком испытании, оказалась близка к истинной прочности породы. Коэффициент внутреннего трения парафина был близок к коэффициенту внутреннего трения известняка.

13

Г.И.Ширко испытывал образцы бетона при различных торцевых условиях 129]. При определенной толщине парафиновой смазки на торцах образцов их прочность практически не изменялась с изменением отношения hQ/d0 от 0,3 до 3,0 (h0 и d0 — соответственно высота и диаметр испытываемого образца).

Авторами настоящей работы, совместно с сотрудниками ВНИИПромгаза Н.С.Хачатурьяном и Е.С.Оксенкругом, проведены детальные исследования влияния торцевых условий на прочность и деформируемость соляных горных пород (31). Однородное напряженно-деформированное состояние материала образцов было обеспечено при двух типах прокладок: 1) тонкий слой резиновой прокладки толщиной 0,25 мм\ 2) парафиновая смазка (0,5 мм) в сочетании с медной фольгой (0,1 мм), примыкающей к торцу образца. В обоих случаях деформирование образца было однородным, без образования «бочки» или «антибочки» у торцов образца, а прочность не изменялась при изменении отношения h0/d0 от 0,5 до 3,0.

В работе [36] приведены результаты испытания на сжатие образцов чистой меди при различной толщине смазки (политетрафторэтилена) и при сухом трении образца о давильные плиты. При испытании с трением по чгорцам образец деформировался в виде «бочки», с двумя листами прокладки — наблюдалась обратная бочка, с одним листом — деформация была равномерная.

Результаты вышеприведенных исследований показали, что для одного типа горной породы (или какого-либо материала) можно подобрать какую-либо одну определенную смазку (прокладку), при которой напряженное состояние материала образца будет близким к однородному. Но эта прокладка (смазка) будет совершенно не пригодна для других типов горных пород.

Оригинальный тип прокладок был применен Кокером и описан в работе [4]. Кокером оптическим методом было изучено напряженно-деформированное состояние образца при применении прокладок из того же материала, что и испытываемый образец. Соприкасающиеся поверхности прокладки и образца были тщательно пригнаны друг к другу; толщина прокладки была больше, чем 0,5 диаметра образца. При этих условиях в образце реализовалось почти равномерное распределение напряжений. Подобные породные прокладки применялись при изучении физико-механических свойств пород различными исследователями [9, 30, 37 и др.). Однако при детальном рассмотрении целесообразность применения таких прокладок весьма проблематична. В самом деле, представим себе образец горной породы диаметром d0 я высотой h0. Допустим, что к обоим торцам образца прилегают прокладки из той же породы диаметром d, и высотой, равной 0,6d0. Как было' доказано, в испытываемом образце может быть создано однородное поле напряжений, если тор-

цы образца и прокладки плотно пригнаны друг к другу. Но наилучшая пригонка двух частей одного и того же материала получится, если прокладка будет естественным продолжением образца, без механического разделения. В таком случае надо брать высоту образца, равной (3,0—3,5)d0, и условно рассматривать торцевые области его как породные прокладки. Нетрудно видеть, что в этом случае (наилучшем в отношении «пригонкиэ прокладки и образца) остаются нерешенными многие проблемы одноосного сжатия.

Основной вывод из анализа результатов испытаний пород на сжатие со смазкой: специальными смазками (прокладками) можно обеспечить напряженное состояние материала образца, близкое к однородному. Для каждого испытываемого материала необходима своя специальная смазка или прокладка. Ошибкой многих исследователей являлось то, что сжатие образца породы со смазкой или с низкомодульными прокладками без достаточного основания рассматривалось ими как испытание, позволяющее обеспечить в любых породах однородное напряженное состояние. Но проверка этой однородности (например, равномерность деформаций по высоте образца) практически не производилась.

Применение особой технологии испытаний. Для уменьшения сил трения между торцами образца и плитами пресса некоторые исследователи применяют специальную технологию испытаний, обеспечивающую более равномерное распределение напряжений по торцу.

Г.Д.Полосаткиным было предложено уменьшать трение на торцах при испытании металлических образцов вращением передающих давление накладок [38]. При определенном режиме вращения влияние изгибающего момента в образце может быть сведено к минимуму.

К.КЛихарев для уменьшения торцевого трения применял фильтровальную бумагу, пропитанную парафином [39]. Нагрузка на образец металла подавалась ступенями. После каждой ступени нагрузки образец полностью разгружался и производилась смена фильтровальной бумаги на обоих концах. При такой последовательности этапов нагружения образцы деформировались равномерно, без образования бочки.

15


Одним из возможных путей к уменьшению трения на торцах образца может быть вибрационное приложение нагрузки [40]. На рис.5 изображены образцы из парафина, разрезанные (после нагружения) по вертикальной плоскости. На рисунке видны нити, вмонтированные в образцы перед испытанием. При испытании образцов выбрационными нагрузками, величина которых изменялась от 0 до некоторого давления с частотой f=8 гц, характер распределения деформаций значительно равномернее, чем при статическом нагружении, так как торцы образца периодически освобождаются от нагрузки, что способствует уменьшению торцевого трения.

Аннотация

В настоящих сМетодических указаниях .    .    .»

описаны разработанные лабораторией механических испытаний ВНИМИ методы испытаний горных пород при одноосном и объемном сжатии. Указания составлены канд.техн.наук Ю.М.Карташовым и инж. А. А. Грохольским.

У£.    539.411



Всесоюзный научно-исследовательский институт горной гео


механики и маркшейдерского дела (ВНИМИ). 1973.


Введение

Прочностные показатели горных пород являются важнейшими физико-механическими характеристиками, учет которых необходим при решении различных горнотехнических задач. Среди этих показателей основное положение занимает предел прочности на одноосное сжатие — основная константа различных материалов, в том числе и горных пород. Практически в каждой лаборатории, занимающейся исследованием физикомеханических свойств пород, прежде всего определяют предел прочности на одноосное сжатие. К настоящему времени имеется большое количество результатов испытаний пород на одноосное сжатие, разработаны и разрабатываются новые методы определения этого показателя, предлагаются различные нормативные положения по проведению испытаний.

С одной стороны, повышенный интерес исследователей к определению основного прочностного показателя горных пород является положительным фактором, так как позволяет более обоснованно решать целый ряд горнотехнических задач. Однако различие в методиках испытаний не позволяет сопоставлять результаты испытаний отдельных исследователей, приводит к дублированию работ, удорожает проведение исследований и затрудняет использование опытных данных. В различных организациях используются образцы кубической, призматической или цилиндрической формы, образцы-диски (для испытаний методом соосных пуансонов), образцы полуправильной и неправильной формы и т.д. Торцевые усилия при этом также; различны: жесткая заделка торцов, сухое трение, смазка и различного рода прокладки (парафин, свинец, пластмасса и др.).

В работе [1] детально изложены основные факторы, влияющие на прочность пород при сжатии (масштабный фактор, форма образца, торцевые условия, скорость нагружения, вертикальный размер образца и т.д.). Можно ли пренебречь влиянием этих факторов, так ли велико их влияние на прочность? Для примера можно указать, что только различные условия на торцах образца для одной и той же породы, как доказывается в вышеупомянутой монографии, могут вызвать изменение предела

прочности породы на одноосное сжатие более чем в пять раз. Почти такое же влияние на прочность оказывает и вертикальный размер образцов.

Необходимость стандартов на методы испытаний признается всеми исследователями. В последнее время некоторыми организациями разрабатываются проекты стандартов на различные виды испытаний: одноосное сжатие и растяжение, изгиб, срез и т.д. Можно отметить, что по некоторым отдельным нормативным наложениям особых разногласий среди исследователей не имеется (скорость нагружения, масштабный фактор, форма образца и др.). По другим положениям, к которым в первую очередь надо отнести торцевые условия при испытаниях, вертикальный размер образца, наличие шаровой центрирующей опоры, пока не удалось прийти к общему мнению. Имеющиеся предложения по стандартизации метода испытаний на сжатие, в том числе и «Проект международного стандарта», основаны, как правило, на волевом принятии торцевых условий и вертикальных размеров образцов, без достаточного научного и экономического обоснования этих патожений.

В настоящей работе описаны методы и приборы, разработанные и применяемые в лаборатории механических испытаний ВНИМИ, для определения прочности горных пррод на одноосное сжатие. Особое внимание при разработке методов испытаний было обращено на детальное обоснование торцевых условий при испытаниях и вертикальный размер испытываемых образцов, даны рекомендации по проведению испытаний пород на сжатие, описаны некоторые интересные особенности деформирования и разрушения пород при условии создания в них однородного напряженного состояния.

Необходимо учитывать, что стандарты могут быть разработаны как для грубого, приближенного определения прочности на сжатие, так и для более точного (эталонного) определения этого показателя [2]. Наличие нескольких методов определения какого-либо показателя свойств пород обосновано целью проводимых испытаний: так, например, на ранних стадиях освоения месторождения, на этапе подготовки проектного задания, когда требуются ориентировочные сведения о свойствах пород, вполне могут быть применены простые, приближенные методы испытаний, без применения сложной и дорогой испытательной аппаратуры, с меньшими требованиями к качеству обработки поверхности образцов. В тех же случаях, когда требуется получение более детальных и точных сведений о свойствах пород, необходимы более точные и представительные методы испытаний. В последнем случае особую важность представляет возможность получения истинной1 (см. стр.5), или действйтельной прочности горных пород на одноосное сжатие (эталонная прочность).

4

При разработке метода определения истинной прочности горных пород на одноосное сжатие большое внимание было уделено созданию в материале образца однородного напряженного состояния.

Результаты испытаний пород на одноосное сжатие позволили также авторам дать предложения по упрощенному определению показателей объемной прочности горных пород (сцепления и угла внутреннего трения). Краткое изложение упрощенного метода испытаний приведено в настоящей работе.

Введение, гл.Н и § 1, 2, 3, 5 гл.1 написаны канд.техн.наук Ю.М. Карташовым и инж. А.А.Грохольским; §4 гл.1 — канд.техн. наук Ю.М.Карташовым; приложения составлены инж. А.А.Грохольским. 1

ГЛАВА I. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОЧНОСТИ ПОРОД НА ОДНООСНОЕ СЖАТИЕ

Применяемые в настоящее время методы испытаний образцов горных пород на одноосное сжатие отличаются, как уже указывалось выше, большим разнообразием. Подробное описание наиболее часто применяемых методов и приборов можно найти в работах [1, 2, 3, 4 и др.]. Однако, как ни парадоксально это звучит, несмотря на большой экспериментальный и теоретический материал, до сих пор проблема одноосного сжатия не решена полностью. Это объясняется тем, что условия проведения испытаний пород на сжатие не обеспечивают создание в материале образца напряженного состояния, близкого к однородному. Прочностные показатели и характер разрушения образцов во многом определяются этими условиями эксперимента (особенно —торцевыми условиями), а в различных теориях прочности, например, трактуются .как данные испытаний при однородном напряженном состоянии материала образца. Это противоречие может быть разрешено только при постановке опытов с идеальными торцевыми условиями. Поэтому в последние годы основное внимание исследователей обращено на решение именно этой проблемы.

При любом из известных методов определения прочности пород на одноосное сжатие в образце возникает неоднородное напряженное состояние, искажающее значение прочности: концентрация напряжений у торцов при испытании образцов с жесткой заделкой (с трением по торцам) или растягивающие напряжения на торцах при испытаниях.со смазкой или с низкомодульными прокладками. Неоднородность напряженного состояния в образце обусловлена, в основном, двумя причинами: внутренней, связанной с несовершенством строения пород и их структурными особенностями, и внешней, зависящей во многом от торцевых условий и от формы и размеров образцов [1]. Для большей части слабых и пластичных горных пород, а также для некоторых типов прочных пород неоднородностью напряженного состояния, связанной с внутренним строением пород, можно пренебречь, если размеры частиц породы по сравнению с размерами образца несоизмеримо малы. В этом случае внутри образца также неизбежны концентрации напряжений на границах частиц, включений, трещин, но при достаточно большом числе по-

6

следних, их малых размерах и относительно равномерном распределении в объеме образца можно оценивать эти концентрации напряжений как «однородность неоднородностей».

Говоря об однородном напряженном состоянии, следует иметь в виду только внешние причины, связанные со способом передачи нагрузки, обеспечивающим в максимально возможной степени однородность напряженного состояния и равномерное деформирование образца по его высоте. Ясно, что для пород с крупными включениями, редкими трещинами, ясно выраженной неравномерной слоистостью и т.д. принципиально невозможно обеспечить высокую однородность напряженного состояния при любом способе нагружения.

Разработка методов испытаний для создания в материале образца однородного напряженного состояния (или близкого к однородному) шла, в основном, по четырем направлениям:

1)    применение образцов специальной формы;

2)    применение специальных давильных плит;

3)    применение смазки и прокладок на торцах образца;

4)    применение особой технологии испытаний.

Применение образцов специальной формы. Для исключения влияния торцевых условий на прочность и деформируемость образцов пород Г.Н.Кузнецовым предложена специальная форма цилиндрического образца (рис. 1,а) с утолщенными концами и плавным переходом к рабочей части, в которой происходит разрушение [5]. Аналогичная форма образца была применена Паульдин-гом [6], изучавшим рост трещин при хрупком разрушении горных пород. Диаметр образцов в средней части был равен 12,5 мм, высота —

50 мм. Для уменьшения влияния концентраций напряжений концы образца делались несколько большего диаметра.


g


SwT1


:~<\h


ft


iisr I


Рис.1


§1. Краткий анализ основных схем испытаний

Принципиально новый подход к улучшению торцевых условий предложен в 1927 г. Зибелем и Помпом [7]. Для получения равномерного распределения напряжений они предложили сжимать цилиндрические образцы между двумя конусами, а сами образцы изготавливать с коническими углублениями на обоих торцах (рис. 1.6). Если угол между плоскостью дав* ления и образующими конусов будет равен углу трения испытываемого материала, то в образце будут приближенно получены

7

чисто осевые сжимающие напряжения. Недостатком этой схемы испытания является то, что в местах соприкосновения вершины конусной накладки с образцом возникают местные концентрации напряжений. Для их уничтожения В.М.Макушиным [8] предложена конструкция полых образцов (рис. 1,в). Конусные накладки, применяемые вначале для испытания металлов, нашли применение и при исследовании физико-механических свойств горных пород [*3, 9] и других материалов [10]. Наклон образующих принимается приблизительно равным углу, соответствующему направлению возникающих в образце «конических» трещин при испытании пород с трением по торцам. Модификацией этого метода является применение не конусных, а шаровых накладок и полых образцов со сферической выточкой на торцах (рис.1,г). Образцы при использовании конусных накладок деформируются без образования бочки.

Для пластичных горных пород может быть применена форма образца, разработанная М.В.Растегаевым [11] .Для уменьшения трения в торцевой части образца выполняется плоская выточка и заполняется каким-либо пластичным материалом, например парафином (рис. 1,д). В зависимости от свойств испытываемого материала торцевое углубление может заполняться также свинцом, оловом, воском, пальмитиновой кислотой и др. [12].

Применительно к прочным горным породам одним из способов уменьшения сил трения и создания в образце напряженного состояния, близкого к однородному, является тщательная шлифовка (полировка) торцов образца. Исследованием влияния чистоты обработки торцевых поверхностей на прочность и деформируемость горных пород занимались Г.Н.Кузнецов [4], Г.Л.Фисенко [13], Б.В.Матвеев [14], М.Ф.Кунтыш. [15] и др. Из теоретических исследований можно отметить работу Кокера [4], доказавшего, что при тщательной пригонке торцов образца, в последнем подучается распределение напряжений, близкое к однородному.

Г.Л.Фисенко в 1951 г. проводил испытания на сжатие образцов песчаника с полированными торцами между полированными плитами, без смазки торцов [13, 85]. Между полированными поверхностями образцов и плит коэффициент трения был около 0,05—0,10. Разрушение образцов в этом случае происходило путем отрыва по плоскостям, параллельным линии действия нагрузки.

М.Ф.Кунтыш провел тщательное изучение влияния макро-и микронеровностей на торцах на изменение механической прочности образцов [15]. При повышении степени чистоты поверхности, получаемой шлифовкой и полировкой, наблюдалось закономерное снижение прочности. Исследования показали, что все образцы посте шлифовки и полировки в той или иной

степени имеют овальность торцевой поверхности (рис.\%е). Погрешность при расчете напряжений, вызвавших разрушение, может достигать 100% и более. Результаты исследований М.Ф.Кунтыша необходимо учитывать при применении образцов с шлифованными торцами.

Так как тщательная шлифовка торцов образца не всегда может дать желаемые результаты, отдельные исследователи испытывали образцы пород с определенной степенью шероховатости на торцах. Так, в работе [16] для создания поля однородного напряженного состояния при сжатии рекомендовалось применение образцов с ,торцевыми частями, выполненными в виде гребенки (плоское напряженное состояние), с определенной высотой зубьев. М.Ф.Кунтышем отмечалось [15], что образцы пород, изготовленные с*, применением алмазной отрезки торцов, имели максимальные значения прочности (по сравнению с образцами, на которых торцы были отполированы или отшлифованы). Это объясняется тем, что при сжатии образца между шлифованными плитами практически вся его торцевая поверхность вступает в работу. Многочисленные неровности торца (рис.1,ж) вызывают, естественно, местные концентрации напряжений в начальной стадии нагружения. Однако повышенная шероховатость имеет и положительный эффект: породные выступы легко разрушаются при относительно небольшом усилии, а образующаяся породная крошка способствует равномерной передаче давления по всей поверхности образца.

Применение специальных давильных плит. Одним из оригинальных технических решений является устройство, предложенное С.Т.Кузнецовым и Ю.Г.Кротовым [17]. В предложенном устройстве (рис.2,а) для выравнивания контактных напряжений в образце на опорных плитах смонтированы накладки с зубчатой рабочей поверхностью. Торцы образцов после изготовления не шлифуют. Если образец представлен неровной поверхностью, поверхность распределения контактных напряжений достигается за счет хрупкого разрушения (выкрашивания) неровностей с образованием мелкой крошки, выполняющей роль эластичной подушки, выравнивающей напряжения. Основная идея, заключенная в этом способе,— разрушение приторцевой зоны образца и создание при этом породной подушки, выравнивающей напряжения на торце.

Усовершенствованием этого способа является предложение [ 18], сущность которого подроб-


Жесткаш

плита

Раина

Штампы


77777777777777


--

г----1пашшн


Образен.


3]6чатая ' Houaita


Рис.2


9


1

Под истинной или действительной прочностью породы на одноосное сжатие подразумевается прочность образца горной породы конкретных геометрических размеров, при условии создания в материале образца напряженного состояния, близкого к однородному. В настоящих Указаниях не затрагивается вопрос о масштабном факторе, о переходе от свойств образца к свойствам массива (к стр.4).