МИНИСТЕРСТВО УГОЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ СССР ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГОРНОЙ ГЕОМЕХАНИКИ И МАРКШЕЙДЕРСКОГО ДЕЛА ВНИМИ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ИСПЫТАНИЮ ГОРНЫХ ПОРОД НА РАСТЯЖЕНИЕ МЕТОДОМ СЖАТИЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ОБРАЗЦОВ ПО ОБРАЗУЮЩЕЙ

Ленинград

1969

МИНИСТЕРСТВО УГОЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ СССР

ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГОРНОЙ ГЕОМЕХАНИКИ И МАРКШЕЙДЕРСКОГО ДЕЛА ВНИМИ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ИСПЫТАНИЮ ГОРНЫХ ПОРОД НА РАСТЯЖЕНИЕ МЕТОДОМ СЖАТИЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ОБРАЗЦОВ ПО ОБРАЗУЮЩЕЙ

Ленинград

1969

и раскалывающего образец. Диапазон изменения значения К п® формуле (4) - от 0,78 до 1,00 при среднем значении К=0,85.

Кунтыш М.Ф., решив задачу ялоскодеформярованного состояния образца, предлагает учитывать в расчетной формуле коэффициент Пуассона fAj /9/;

°р⁼£ £    ⁺    ₍₅₎

В этой формуле значение    (l+fJ/)ll    + 2/Ау) изменя

ется в довэльяо широких пределах: от 0,637 при fjb =0 до 1,91 при Д</ -0,5.

Для практических целей, учитывая, что коэффициент Пуассона большинства горных пород находится в пределах от 0,10 до 0,25, Кунтыш М.Ф. предлагает аркннмагь К*=1 н использовать для расчета предела прочности на растяжение следующее простое выражение:

Чирков С.Е. провел опыты по эмпирическому определению коэффициента К /16/ и установил, что при раскалывании призм, пластик и кубов различных пород (т.е, при исследовании схемы испытаний, отличающейся от рассматриваемой) коэффициент 1. Выражение (6) для определения прочности на растяжение (К“1) предлагает (в качестве условной меры прочности) использовать Койфман М.И. /3/.

С другой стороны, многие исследователи проводят обработку результатов испытаний по формуле (1), обосновывая экспериментально или теоретически пригодность основной формулы (1,4,14,19-21.24,26/.

В табл.1 представлен анализ расчетных формул и значение коэффициента К по данным различных исследователей.

Недостатком большинства из рассмотренных нсследо-

10

T I Cl Ml I

Созосшшм ринпп форкуя. apntunisi iu еоризнч* up os «осп пород и растяпа. вра кш-1»*П ««телок cam о-Эраако* ао oOpaaynai

1 * Кимр- Неж«р| ЗИ«И| ЕсХФщхвятя К ( 'V- t ) в.а п во Т«1СТ) innaniot сред"** акшим PIUIMDIKM I * г try**2 I * - 0,637 К - 0,637 .4*0,637 К. 0,637 2 о,- f (1*0,01 f ) «г Ли2 > K-Z.OQX > 1,00 1ф«£ «0,I«T/Wll‘ к-i.or *1,00, орш |^.:кг/м ' 4.1,02*1,00, пря V.?«r/W К* 1,00 8 0» * J «Г/СИ2 4 К • 0,78 К - 0,85 К. 1,00 К. 0,65 4 V* «гЛя2 9 К - 0,637 К . 1,19 К. 1,91 К. 1,00 «г/еи2 op* и - 0 пр* и*0,25 арщ /< *0,5 9 V*£ 6 К • 1,00 К - 1,00 х. 1,00 К- 1,00

ваннЙ является •тсутсгзие сопоставительных испытаний с методом прямег» растяжения, причем некоторые исследователи отмечают 'сложность создан ля однородного напряженного состояния в опытах на прямое растяжение и недостоверность получаемых из гахях опытов показателей сопротивления разрыву хрупко разрушающихся материа юв' /16/. Если можно согласиться о первой частью данной формулировки (сложность), то вторая часть (недостоверность) является спорной. При любых косвенных методах оаределеН/in i*.>ro или иного показателя физико-мехачичос-ких свойств пород необходимо обязательное сопоставление результатов с точными прямыми методами испытаний хэталонные методы), как бы сложны они не были. В противном случае лет возможности объективной оценки той май иной расчетной схемы и предлагаемой формулы.

Сопоставление результатов испытаний (точным и косвенным методом) проводились в работах /3,4,16,20,27/. Многими авторами было отмечено, что прочность, получаемая при прямом растяжении* меньше, чем прочность, полу-

11

ченная методом сжатия образцов по образующей (при вычислении прочности на растяжение по формуле (1). Следует отметить, что если расчитывать прочность по формулам (3), (4), (5) ж (в), то получится еще большее расхождение между экспериментальными данными (увеличение значения предела прочности на 30-60%).

Прн сопоставлении методов прямого растяжения я сжатия образца по образующей необходимо иметь ввиду, что в первом случае невозможно предугадать место разрыва, тах как образец при этом разрушается в наиболее 'опасном* месте, по плоскости наибольшего естественного ослабления случайными дефектами породы, а во втором случае - по заранее выбранной, 'вынужденной' плоскости, обусловленной положением сжимаемого цилиндра относительно давильных плит иди стержней. Это, естественно, должно привести к завышению показателей прочности на растяжение. Отклонение от прочности при прямом растяжении будет том больше, чем более неоднородна порода, чем больше в ней трещин,прослойков к т.д.

2. Обоснование методжкя и техники проведения испытаний

Рекомендуемой настоящими указаниями методикой испытанна обоснованно нормируются все положения, существенно влияющие на результаты испытаний:

размеры образцов (диаметр и отношение длины образца к его диаметру), чистота обработки юс боковой поверхности, способ передачи давления на образец я выбор формулы для расчета прочности на растяжение. Это обоснование базируется на сотоставлении полученных результатов испытаний с результатами испытаний на одноосное растяжение.

Учитывал работу /24/, целесообразно применять для испытаний цилиндрические образны пород диаметром 40-45мм.

Основываясь на результатах работ /1,15/ и специально проведенных ВНИМИ исследований, отношение длины образца к его .диаметру необходимо принимать равным 0,6-1,0.

12

При таком соотношении прочностные показатели практически не к*.ению~ся, а коэффициент вариации оказывается мимимальн им,

Для обоснования способа перелаян давления, а также для экспериментальной проверки предложенных, различными авторами расчетных формул, во ВНИМИ проведены сопоставительные испытания образцов горных пород как методом прямого растаженмя (в камере ПР-2), так и методом сжатия образцов по образующей /4/. Испытаяг.я был? проведены на мрамора (в двух направлениях), песчанике и еландо. Боковая поверхность образцов перед испытанием шлифовались. При испытаниях применялись три схемы нагружения: сжатие образца между шлифованными плитами (рис.2,6), сжатие образца между двумя металлическими

Рмс.2.

стержнями диаметром 3 мм (рнс.2,в), сжатие образца между шлифованной плитой и стержнем диаметром Змм (рнс«2,г)» Схема испытаний на одноосное растя же мне представлена на рлс.2,а« Определение прочности ва растяжение при сжатия цилиндров по образующей производилось по формуле 6р ^0,037-11

13

Результаты исследований приведены в габл.2.

Анализ результатов испытали! показывает следующее. Прочности на растяжение лри испытания образцов по схеме ^гв' (рис.2) практически совпадает с прочностью образцов, испытан*!ых по схеме    Поэтому,    для    упрощения    тех

ники испытаний, целесообразно проводить испытания л о схеме ^гг', т.е. с одним стержнем и шлпфованчой плитой. Сопоставительные аслыМ-пи доказали, что прочность на растяжение, определенная при испытании по схемам ^тв^г я ”г^т, практически нале отличается от прочности при одноосном растяжении (схема 'а'), а результаты испытаний: по схеме *6* превышают прочность на одноосное растяжение на 30% (для мрамора). Таким образам, при сжатия образцов между шлифованными платами прочность получается вышо, чем при испытании до схемам "в" я "ги при одноосном растяжении.

Были испытаны также образцы аород с нешлифованной боковой поверхностью. На боковой поверхности таких образцов делались лутем шлифовки на планшайбе, плоские фаски шириной от 2 до 5 мм в местах контактаобразца с давильными устройствами. Результаты испытаний (при сжатии образца между шлифован о.! плитой и стержнем) в ^боих. случаях (.-илнфова 1Н.П л нешлифованная боковая поверхность образца с фасками), практически мало отличались. При испытании образцов с нешлифованно! боковой поверхностью и без фасок прочность уменьшалась на 5-20%.

Испытания были проведены в специальном приборе, сконструированном ла базе аксиатора для соосяых пуансопов (прибор типа БУ-11, позволяющий проводить йены галла на сжатие и растяжение методом соосных пуансонов, на изгиб но ВУГИ и на растяжеито путем сжатия образцов по образующей). Схема прибора изображена на рлс.З. Резиновые вкладыши прибора служат для центрировка образца, шарнирное устройство обеспечивает плотное, без зазоров и поперечных смешений, прилегание давильного стержня к боковой поверхности образца.

С учетом результатов данных исследовал.*!.!, а также вышеупомянут ых работ других авторов, обосчовыз >.ощих

14

АННОТАЦИЯ

В настоящих 'Указаниях* описывается косвенный метод олределеяня прочности горных пород на растяжение путам сжатия цилиндрических образцов ио образующей. Приводится анализ расчетных схем и формул для определения предела прочности пород на растяжение описываемым методом, предлагаются рекомендации по методике и технике проведения испытаний, а также по обработке полученных результатов.

'Указания' рекомендуются для использования в научно-исследовательских, проектно-конструкторских и производственных организациях угольной промышленности.

'Указания' составлены сотрудниками лаборатории механических испытанна ВНИМИ ка мд.техн.наук КХМ.Кар-ташовым, инженерами М.М.Михеевой н М.А.Малык.

Научное руководство осушес твлялссь заведующим лабораторией механических испытаний канд.техн.наук Б.В.Матвеешым.

ВВЕДЕНИЕ

Одной из виновных прочностных характеристик горных перед являете* прочность на одноосное растяжение. Применяющиеся в настоящее время методы испытаний ча растяжение можно разделить на две группы:

1)    методы, основанные на прямом растяжении образцов горных пород;

2)    косвенные методы испытаний.

Методы первой группы позволяют получать достоверные показателя прочности пород при условии создания в образце одноосного и однородного напряженного состояния. Однако, обеспечение этих условий, как справедливо отмечают многие исследователи, встречает большие технические трудности, Основными недостатками при испыталиях пород на растяжение методами первой группы являются следующие:

1)    трудность точного центрирования нагрузки относительно образца н несоосиость приложенной к образцу нагрузки, вызывающей изгиб образца при испытаниях;

2)    возникновение на контактах образца с захватами,

(а так же в местах изменения сечения образца) концентрации напряжений. Кроме этих основных недостатков, связанных с методикой проведения самих испытаний, необходимо отметить и трудность (а в некоторых случаях и невозможность) изготовления образцов пород, значительных по величине и достаточно точных по размерам, а иногда и сложных по конфигурации.

Указанные недостатки удалось преодолеть, применяв разработанный ВНИМИ метод испытаний /10/, при котором образец скрепляется легкоплавким сплавом с двумя захватами, движущимися вдоль цилиндрической направляющей прибора (тип прибора ПР-2), Испытания на этом приборе образцов пород с наклеенными датчиками сопротивлений показали, что распределение напряжений в средней части образца близко к однородному; концентрация напряжений в местах соединения образца с легкоплавким сплавом значн-

Тельне меньше, чем при других прямых методах испытаний; возможность перекоса образца при испытаниях исключена, Величину прочности породы на растяжение, полученную при испытаниях в приборе ПР-2, можно считать наиболее точной я достоверной характеристикой. Однако, недостатком этого метода является сложность аппаратуры, большая трудоемкость и малая производительность испытаний, Повтому нельзя рекомендовать этот метод для массовых испытаний. Наиболее целесообразно выборочное использование точного метода, каж эталона прочности, в сочетании с упрощенными (косвенными) методами испытаний.

Среди косвенных методов испытаний большое распространение в практике лабораторий, занимающихся исследованием свойств пород, получили такие методы, как метод соосных пуансонов /11/, метод ВУГИ (сжатие пуансоном тонкого диска породы, впертого по краям) /17/ и методы раскалывания, разрабатываемые и внедряемые И ГД им,А.А.Ско-чжмского /5*^7, 9,16, 18/, ВНИМИ /1,4,8,14/ и рядом других организаций. Подробный анализ отечественных и зарубежных работ, посвященных изучению прочности материалов на растяжение методами раскалывания, приведен в вышеупомянутых работах ИГД им.А,А.Сжэчинского и использован в настоящих указаниях.

Настоящая работа посвящена описанию метода испытании пород на растяжение путем сжатия цилиндрических образцов нагрузкой, пркложениой ю образующей. Метод откосится к косвенным, основанным на раскалывании образцов, и к настоящему времени широко применяется как в СССР, так ж за рубежом. Метод сжатия кжлиндров ж радиальном направлении в литературе часто называется также 'бразильским', по названию страны, в которой ои был впервые описан, */

х) Исследования горных пород методом сжатия цилиндрических образцов по образующей впервые проводились в 1933-35 гг, в СССР /5/, однако,вследствие запоздания соответствующей публикации, приоритет в разработке метода принадлежит бразильским исследователям.

Необходимо отметить, что данный метод используется для определения прочности на растяжение как горных пород, так ж других хрупких материалов: бетон, гипс, чугун, пластмассы, стекло и т.д. Для отдельных материалов описываемый метод принят как стандартный (ГОСТ 4800-59 'Бетон, гждротехннческне методы испытаний бетона').

Международным бюро по механике горных пород (Прага, 1963) рекомендован в качестве стандарта проект методики испытаний горных пород на растяжение методом сжатия цилиндрических образцов по образующей /24/. Проектом предусматривается раздавливание цилиндрических образцов двумя диаметрально противоположными силами; диаметр н длина образцов - 40-45 мм. Способ передачи нагрузки - че- , рез плиты пресса. Скорость приложения нагрузки - 1-6 кг/см' в 1 сек. Прочность на растяжение подсчитывается по формуле (1).

1. Состояние вопроса

Испытание горных пород на растяжение методом сжатия цилиндрических образцов по образующей впервые описали бразильские исследователи Карнейро и Барцеллос /21/. Схема испытаний по данному методу изображена на рис.1, а.

Рис.1.

5

Цилиндрический образец горной породы нагружается равномерно распределенными силами, приложенными к диаметрально противоположным образующим образца и нормальными к его оси. Метод основан на известном решении задачи теории упругости - задачи Герца - /23/, из которого следует, что в плоскости действия внешних сил растягивающие напряжения, перпендикулярные к этой плоскости, имеют постоянную величину и равномерно распределены по диаметру образца (рнс.1в). Величина этих растягивающих напряжений 6^ равна

2Ри

ftctl

В плоскости загружения, кроме растягивающих напряжений, возникают действующие в вертикальном направлении сжимающие напряжения (рис.1,6). У точек приложения нагрузки эти напряжения (теоретически) бесконечно велики, а с увеличением расстояния от точек нагружения быстро падают и имеют минимальные значения 6<у= 30_Л в центре •бразца (таким образом, в центре образна напряжения сжатия в три раза превышают растягивающие напряжения). При увеличении усилий, действующих по образующей образца, возрастают растягивающие напряжения, перпендикулярные к плоскости действия этих усилий, и при достижении ими предельных значений образец разрушается (происходит отрыв двух частей образца от растягивающих напряжений по поверхности, совпадающей с плоскостью действия внешних сил).

Предел прочности породы на растяжение 6р определяется по формуле, основанной на теории Герца:

<»

где Р - усилие, при котором образец разрушается;

Ob и V соответственно диаметр и длина образца.

Формулу (1) можно представить в следующем виде:

где К ^в    «=>    0,637 по теории Герца;

F - <Ь ■ I - площадь сечения плоскости разрыва.

Процесс разрушения образца состоит из двух стадий: образование зоны местного разрушения (уплотненной раздробленной породы, находящейся в условиях объемного напряженного состояния) вблизи контактов материала образца с давильными плитами и последующее полное (объемное) разрушение образца на две части /7/. Объемное разрушение (вторая стадия) начинается, как считают одни исследователи, в центре образца /7, 16, 20, 22/, а другие - на некотором удалении от центра /19/. Интересно отметить, что экспериментальные данные, доказывающие, что разрушение начинается в центральной части образца /16/, противоречат, как аоказано в работе /20/, теории Мэра в области растягивающих напряжений и еще раз служат подтверждением того, что общей огибающей в этой области (в осях ' О -'Ь    *)    не

существует /13/.

Несмотря на то, что метод сжатия образцов по образующей основан на точном математическом описании напряженного состояния образца, подтвержденном оптико-поляризационным методом, среди исследователей нет единого мнения о формуле, по которой необходимо расчитывать прочность пород (или других хрупких материалов) на растяжение.

Основные причины различных подходов к интерпретации полученных результатов испытаний заключаются в следующем:

1)    Отличие реальной картины напряженно-деформированного состояния в образцах горных пород от теоретических данных о распределении напряжений и деформаций;

2)    Большое разнообразие условий проведения испытаний;

7

3)    Различные расчетные схемы, принимаемые разными исследователями при математическом анализе напряженного состояния образца;

4)    Отсутствие (в большинстве случаев) сопоставлений получаемых результатов с данными испытаний на прямое растяжение в условиях одноосного и однородного напряженного состояния образца. Первая причина детально разобрана в работах /7, 16/, авторы которых справедливо указывают, что уравнение теории упругости, полученное при решении задачи Герца, должно быть строго справедливо только для идеально упругих материалов прк условии совершенно равномерно распределенной вдоль образующей нагрузки. Реальные горные породы не всегда подчиняются при нагружении зак ону Гука, а нагрузка распределяется по некоторой площадке смятия (при испытании образца между плоскими плитами пресса) или же происходит вдавливание в породу нагрузочных элементов (при испытании образца между клиньями, стержнями и т.п.). Эти обстоятельства приводят к отклонению реального процесса деформирования и разрушения образцов пород при испытаниях от расчетной идеализированной схемы.

Условия проведения испытаний по данным различных исследователей настолько отличаются друг от друга, что в настоящее время нет возможности сопоставлять результаты испытаний образцов (даже при расчетах прочности на растяжение по одной формуле). Существуют три основные схемы передачи усилия при испытаниях /1*7, 9,15-16, 18-27/:

а)    передача усилия на образец через жесткие плоские плмты пресса илн специальных нагрузочных устройств;

б)    передача усилия на образец через различные податливые прокладки (резина, дерево, фанера, пробка, алюминий, дюраль, фибра и т.п.);

в)    передача усилия на образец через жесткие металлические стержни или клинья.

Изменение контактных условий ведет, естественно, х изменению напряженно-деформированного состояния образ-

u I к изменению предельной разрушающей нагрузки.Как отмечается а работах /16,19/, разрушающая нагрузка увеличивается яри испытании образца с прокладками, а при сжатии между шлифованными плитами больше, чем при испытании между металлическими стержнями.

Размеры образной, чистота обработки их боковой пег-верхи ости, условия контактного прилегания давильных приспособлений к образцу и многие другие элементы техники испытаний до нестоящего времени не стандартизированы н изменяются в больших пределах. Нет также во многих публикациях ссылок на то, как проводились испытания: с применением центрирующих и шарнирных устройств или без них.

Вышеизложенные обстоятельства привели к тому, что многие исследователя отказываются от формулы (1) и предлагают свои формулы, основанные па различных представлениях о механизме разрушения образца.

Верховский Л.В. и Романовская В.В. предложили для определения прочности на растяжение следующую формулу

/2/

б„-^<Ю0,<И £>.    ₍₃₎

Р    2

Размерность отношения -у- в этой формуле - кг/мм .

Для металлов н сплавов значение К- (1+0,01 ■— ) лежит в пределах от 1,05 до 1,60; для горных пород значение J можно принимать от 0,1 кг/мм^ до 2,0 кг/мм^ поэтому К близко к единице.

Данилевским Г.Б. проведены исследования по теоретическому к экспериментальному обоснованию определения прочности пород яа растяжение описываемым способом /3/. Предложенная нм формула имеет вид:

O_p=K-J-~0,85-f.    (4)

Коэффициент К в этой формуле переменный и зависит от параметров породного клина, образуемого при разрушении у мест контакта образца с нажимными стержнями

9