Некоторые сведения о поведении горных пород при циклическом нагружении

14.11.2019

Механические процессы деформирования и разрушения пород, встречающиеся в горнотехнической практике, очень разнообразны. Они связаны и с условиями изменения напряженного состояния пород в зоне ведения горных работ и со способами нагружения пород в процессе добычи.

В последние годы большое значение придается исследованию характеристик прочности и деформируемости горных пород при различных видах циклической деформации, т.е. характеристик усталости, способности горных пород противостоять переменным напряжениям или, наоборот, разрушаться под их воздействием.

Известны широкие исследования усталости конструкционных материалов (металлов, бетонов, пластмасс и др.).

При этом рассматриваются такие аспекты явления усталости, как влияние числа повторных нагружений, коэффициента асимметрии цикла, скорости (частоты) нагружения на величину прочности материалов, а также деформативная способность, остаточная прочность и др.

Анализ работ ряда советских и зарубежных авторов, посвященных усталости материалов, близких по свойствам к горным породам, таких как бетоны, позволил сделать следующие выводы.

Влияние на прочность при сжатии Rс.ст числа нагружений до N = 10в7 при повторных воздействиях с частотой не менее 1 Гц (от 1 до 16,7 Гц) выражается для бетонов средней прочности прямолинейной зависимостью

из которой вытекает, что прочность бетона Rсж.д в случае однократного нагружения (N=1) со скоростью изменения напряжений в течение цикла нагрузки (динамического нагружения) примерно на 15% превышает величину Rс.ст.

В формуле (6.2) Rс. = f(omax, N); Rсж.д = f(o = 2поаw) при N = 1.

Обобщение оценок зависимости усталостной прочности бетона различных марок на сжатие от величины коэффициента асимметрии цикла р при числе загружений S от 2*10в6 до 10в7 дает корреляционную зависимость

Если экстраполировать эту прямую в область р - 1, то прочность бетона при однократном динамическом нагружении Rсж.д должна превысить предел статической прочности, т.е. Rсж.д/Rсж.ст = 1,05.

После усреднения коэффициентов, выражающих изменение прочности однократного нагружения в формулах (6.2) и (6.3) принимается его значение 1,1. Уравнение циклической прочности бетонов средней прочности при любых значениях р и N представляется в виде

Подобная зависимость получена и для усталостной прочности бетонов на растяжение Rр.у

Зависимости (6,2)-(6.5) рекомендуются для практических расчетов.

Качественное влияние частоты нагружения w на предел усталости бетонов, обнаруженное при рассмотрении данных с циклической прочности для р = 0/0,1 С изменением w в пределах от 0,1 до 16,7 Гц, выражается в том, что с ростом частоты нагружения величина предела усталости возрастает.

Немногочисленны пока исследования усталости горных пород, особенно при разных частотах нагружения. Это связано в основном с тем, что экспериментальная база начала развиваться сравнительно недавно; отсутствует унифицированная аппаратура, подготовка и проведение испытаний связаны со значительной затратой времени. Несмотря на это уже получен ряд важных закономерностей влияния на прочность и деформируемость горных пород режимов переменного нагружения; разработаны методы и аппаратура для циклических испытаний, а также ускоренных испытаний пород на длительную прочность, ползучесть.

Исследования усталости крепких горных пород довольно разносторонние, хотя количество их пока нельзя признать удовлетворительным для проведения широких обобщении, подобных имеющимся, например, для бетонов. Отметим основные выводы таких исследований.

В результате испытаний на сжатие полых цилиндрических образцов каменной соли и глинистого сланца под постоянной нагрузкой Fo и при циклически изменяющейся нагрузке F = Fо + F sin w l предложена формула для описания процесса развития деформаций во времени, подобная уравнению линейной ползучести.

Испытания образцов некоторых изверженных и метаморфических пород на сжатие, растяжение и сдвиг на универсальной машине с пульсатором ЦД-100 Пу в диапазоне частот 4,17—12,5 Гц показали изменение показателей прочности и упругости при однократном динамическом нагружении со скоростью изменения напряжений цикла нагрузки по сравнению с их значениями, определенными при статических нагрузках: отношение модулей упругости Eд/Ест составляло 1,1—1,79, коэффициентов Пуассона vд/vст — 1,14—1,79; отношение пределов прочности при сжатии Rсж.д/Rсж/cт — 0,5—1,89, а при растяжении Rр.д/Rр.ст - 0,53-1,1; сдвиговым напряжениям при статических и динамических нагрузках испытанные горные породы противостояли практически одинаково. Относительные деформации от частоты не зависели.

Экспериментальные исследования салемского известняка в режиме циклического нагружения сжатия и растяжения с частотой 2 Гц позволили установить пределы его усталостной прочности, составившие для сжатия Rсж.у = 0,78 Rсж.ст и для растяжения Rр.у = 0,7 Rр.ст.

Исследование изменения объема AV/V (дилатансии) при одноосном пульсирующем сжатии гранита с циклической осевой нагрузкой до 200 МПа показало увеличение дилатансии при возрастании числа циклов, причем уменьшалось напряжение, при котором она возникала.

Японскими учеными на созданной испытательной установке с измерительной и записывающей аппаратурой испытаны цилиндрические образцы трех типов песчаника диаметром 25 мм и высотой 50 мм. Предельное число циклов нагружения на усталость составило 10в4-10в5. Выведены уравнения прочности вида lg(oа — Rсж.у) = с — d lg N, где с и d — константы; при этом Rсж.у = 0,6 Rсж.д (Rсж.д — максимальное напряжение при однократном нагружении). Ширина петли гистерезиса диаграмм напряжение-деформация под влиянием пульсирующего сжатия сужается по мере увеличения числа циклов, вновь расширяясь при приближении к разрушению. Модуль упругости Юнга имеет тенденцию к понижению с увеличением N.

Известны исследования прочностных и упругих свойств на образцах андезита и песчаного туфа под действием пульсирующих нагрузок сжатия до N = 10в6 при среднем напряжении оср, составляющем 35 %, и амплитуде оa, составляющей 30 % от предела статической прочности при сжатии, а также мрамора, гранита, андезита, песчаного туфа и туфа под действием растягивающих пульсирующих нагрузок, составивших соответственно 42, 38, 39, 49 и 34 % от предела статическом прочности при растяжении Rр.ст. Частота изменялась от 0,003 до 5 Гц. В опытах на сжатие установлено изменение упругих характеристик андезита от числа циклов N; прочность на одноосное сжатие после приложения повторной нагрузки ниже предела усталости осталась почти той же величины. Исследованы гистерезисные петли, показано влияние частоты нагружения на модуль упругости при сжатии; при растяжении модули упругости не зависели от частоты нагружения, В испытаниях горных пород с частотой 0,003 — 5 Гц получены качественные представления относительно зависимости между динамическим модулем упругости, динамическими потерями и частотой; сделан вывод, что реологическая модель горной породы, находящейся под повторной нагрузкой, не является простой и нуждается в более тщательных исследованиях.

Для образцов алевритового песчаника в воздушносухом и водонасыщенном состоянии и модельных образцов из гипса и гранитного песка (в соотношении 1:1) на гидравлическом прессе ПД-20 с пульсатором проведены эксперименты при: а) статическом одноосном сжатии; б) комбинированном нагружении — статическом с динамическим вибрационным воздействием с постоянной частотой 13,3 Гц и амплитудой для соответствующей серии образцов ±5; 15; 25 и 35*10в2 Н, равной 1,5; 4,5; 7,5 и 10,3% от /Rсж.ст; в) статическом нагружении в комбинации с динамическим вибрационным воздействием с постоянной амплитудой Fа = ±10*10в2 H и частотой для соответствующей серии 8,3; 13,3; 16,7 и 20,0 Гц. Отмечается, что при вибрационном динамическом воздействии разрушающее напряжение уменьшается на 40 существенно изменяются деформационные характеристики образцов: уменьшаются модули упругости E и модули деформации М, возрастают коэффициенты поперечной деформации v и Пуассона v (до 2-х раз) с увеличением амплитуды и частоты. Введено понятие коэффициента динамической устойчивости kд.у = хд/хст (х = R, М, Е, v и т.д.). Неблагоприятные для строительной практики экстремальные значения деформационных показателей получены при w = 13,3 Гц. Наличие воды в породе увеличивало описанные эффекты динамического вибрационного воздействия, не изменяя их тенденции.

Циклическими нагружениями с частотой 4,17 Гц цилиндрических образцов песчаника и известняка при коэффициенте р = 0,8; 0,5; 0,066; 0,044 установлено, что между числом циклов S и omax существует линейная зависимость вида lg S = a lg omax+b, где а и b — коэффициенты, зависящие от р; скорость продольной деформации изменяется в процессе нагружения подобно кривым реологических испытаний и зависит от соотношения omax/Ry.

Необходимость изучения прочности и деформируемости горных пород при пульсирующих нагрузках в условиях сложного (объемного) напряженного состояния диктуется прежде всего тем, что оно характерно для естественного залегания пород, находящихся под действием различных по природе сил.

Горные породы подвержены одновременно действию геостатического давления, концентрации напряжений вследствие ведения горных работ и воздействию внешних сил, направленных на преодоление сопротивления разрушению породного массива. Режим и время воздействия внешних сил могут изменяться. Поэтому для горной науки и практики чрезвычайно важно знание закономерностей поведения пород при различных напряженных состояниях и режимах нагружения, в том числе повторно-переменного. В фундаментальных работах отмечается существенное влияние объемного напряженного состояния на механическое поведение горных пород при статических режимах нагружения. Так, увеличение сокового давления на 0,1 МПа приводит к возрастанию разрушающего главного осевого напряжения для ряда пород до 0,3-0,5 МПа, т.е. до 5 раз.

Что касается исследовании свойств пород, подвергнутых переменным нагрузкам в объемном напряженном состоянии, то они как в России, так и за рубежом практически отсутствуют.

Из имеющихся в единичном числе экспериментальных данных следует качественный вывод о том, что проявление усталостных свойств горных пород под воздействием пульсирующих нагрузок происходит более интенсивно и при значительно меньших числах нагружений, чем, например, у металлов и других материалов. Количественных зависимостей свойств горных пород при циклических нагрузках в функции амплитуды действующих напряжений, коэффициента асимметрии цикла, среднего напряжения, частоты (скорости) и числа нагружении с учетом вида напряженного состояния, дающих физическое представление о природе усталостном прочности и деформируемости, ни в России, ни за рубежом не установлено.

Сложность и трудоемкость экспериментов, отсутствие надежных способов, аппаратуры и методик испытаний являются причиной недостаточной изученности усталости горных пород. В то же время развитие такого направления продолжает оставаться актуальным, так как выявление закономерностей изменения сопротивления горных пород переменным нагрузкам и разработка рекомендаций по их использованию возможны только на основе обширных экспериментальных исследований. Поэтому особое внимание уделено созданию комплекса испытательной аппаратуры и разработке методов, позволяющих устанавливать количественное влияние условий циклического нагружения на процессы деформации и разрушения горных пород.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2020
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна