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 наг-ружения (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 вседствие 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

f = М_к / w_Р,(6.4)

где М_к -величина крутящего момента после разрушения образца по поверхности структурной неоднородности, кГ^.см.

Для отбора образцов с выделенным типом структурных неоднородностей на базе ручного алмазного пробоотборника конструкции ЦНИГРИ была изготовлена установка для выпиливания образцов непосредственно из стенок выработок или других обнажений горных пород (рис.6.19).

Рис.6.19 Пневматическая установка и образец, выпиленный с её помощью из стенки горной выработки.

Наконец, учитывая, что разрушение пород в массиве происходит по слабейшему звену и вне зависимости от прочностных характеристик других элементов, для определения прочностных характеристик структурных неоднородностей низких порядков могут применяться методы, основанные на применении маркшейдерской или стереофотограмметрической съемки площадей обрушения пород под землей или обрушений налегающей толщи на земной поверхности, обрушений и оползаний бортов карьеров и т.д. Эти методы позволяют методом обратных расчётов оценивать разрушающие напряжения, а по ним находить прочностные характеристики слабейшего элемента массива пород, определять характеристики сопротивления пород сдвигу для конкретного типа структурных неоднородностей, устанавливать для них значения коэффициентов структурного ослабления.