CC BY
28
УДК 622.831
ДЕФОРМАЦИОННО-ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА ГЕОМАТЕРИАЛОВ СО СЛОИСТОЙ СТРУКТУРОЙ ПРИ ОДНООСНОМ И ОБЪЕМНОМ СЖАТИИ
Ольга Михайловна Усольцева
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, кандидат физико-математических наук, зав. ЦКП ГГГИ СО РАН, тел. (383)330-96-41, e-mail: [email protected]
Павел Александрович Цой
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)330-96-41, e-mail: [email protected]
Владимир Николаевич Семенов
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, главный специалист, тел. (383)330-96-41, e-mail: [email protected]
Борис Борисович Сиволап
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, ведущий инженер, тел. (383)330-96-41, e-mail: [email protected]
Приводятся закономерности влияния угла напластования на деформационно-прочностные квазистатические и упругие динамические характеристики образцов геоматериалов со структурой двух типов - сплошными и с предварительными плоскостями ослабления при одноосном и объемном сжатии.
Ключевые слова: лабораторный эксперимент, одноосное сжатие, геоматериал, угол напластования, плоскости ослабления, предел прочности, модуль деформации, динамический модуль Юнга.
STRAIN-STRENGTH PROPERTIES OF LAMINATED-STRUCTURE GEOMATERIALS UNDER UNIAXIAL AND BULK COMPRESSION
Olga M. Usol'tseva
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Ph. D., Head of The Shared Use Center for Geomechanical, Geophysical, and Geodynamic Measurements, SB RAS, tel. (383)330-96-41, e-mail: [email protected]
Pavel A. Tsoi
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Novosibirsk State Technical University, 630073, Russia, Novosibirsk, 20 Karl Marx prospect; Ph. D., Researcher, tel. (383)330-96-41, e-mail: [email protected]
Vladimir N. Semenov
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Main Specialist, tel. (383)330-96-41, e-mail: [email protected]
Boris B. Sivolap
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Leading Engineer, tel. (383)334-88-80, e-mail: [email protected]
The researchers report the regularities for the bedding angle effect on strain-strength quasi-static and elastic dynamic characteristics of geomaterial specimens of two-type structures: continuous and with initially weakened planes under uniaxial and bulk compression.
Key words: laboratory test, uniaxial compression, geomaterial, bedding angle, weakened planes, ultimate strength, deformation modulus, Young modulus.
Для прогноза устойчивости породных массивов при ведении горных работ, в том числе на больших глубинах, оценки несущей способности грунтов и горных пород при проектировании и возведении зданий и сооружений, а также создания качественных моделей поведения горных пород под действием различного видов нагрузок, необходимо учитывать, что горная порода является сложноорганизованной неоднородной средой, во многих случаях проявляющей существенно анизотропные свойства. Обзор литературы за последнее время показывает, что большое внимание исследователей уделяется изучению влияния структуры и текстуры горных пород, в частности слоистых сред, на развитие в них деформационных процессов [1-4].
Основная задача исследования состояла в том, чтобы определить закономерности изменения деформационно-прочностных свойств образцов искусственных геоматериалов и горных пород со слоистой структурой в зависимости от угла напластования при трех видах нагружения - растяжении, одноосном сжатии, объемном сжатии. Данная работа является продолжением исследований 2015 г. Образцы из искусственный геоматериала были изготовлены по методике 2015 г., они состояли из двух чередующихся слоев различного состава: 1-й слой: песок - 30 г, цемент - 10 г, клей Neolit - 4 г, вода - 2,5 г;2-й слой: песок - 30 г, цемент -5 г, клей Neolit - 3,5 г, вода - 2,5 г. Размеры цилиндрических образцов - длина 60 мм, диаметр 30 мм. Угол напластования (угол между осью цилиндра и нормалью к плоскости слоев (изотропии)) составлял ^=0°, 15°, 30°, 45°, 60°, 75°, 90°. В 2016 г. слоистый материал изготавливался прием непрерывно в один, в отличие от предыдущего исследования 2015 г., когда каждый слой добавлялся после выдержки в одни сутки, т.е. создавались предварительные плоскости ослабления. На рис. 1 приведены фотографии некоторых образцов до испытания.
Была проведена серия экспериментов на одноосное сжатие, объемное сжатие при двух различных значениях бокового давления 3 МПа и 6 МПа (не менее 3-х образцов для каждого вида испытаний). Скорость деформирования составляла 1 мм/мин. Для каждого типа материала построены зависимости предела прочности (ав), модуля деформации (Ест) и коэффициента поперечной деформации (v) в зависимости от угла напластования
Ф=0° 30° 45° 60° 90°
Рис. 1. Фотографии образцов искусственного геоматериала до испытаний (¥= 0°^ 90°); с предварительными плоскостями ослабления (а); сплошные (б)
Испытания образцов проводились на сервогидравлическом прессе INSTRON 8802, программа нагружения задавалась по перемещению траверсы пресса, проводилось непрерывное измерение и запись результатов эксперимента в компьютерный файл: осевой нагрузки, продольных и поперечных деформаций. Методики испытаний и измерений составлялись на основе [5-10]. На рис. 2 приводятся зависимости пределов прочности и модулей деформации образцов искусственного геоматериала от угла напластования при одноосном сжатии; объемном сжатии при боковом давлении 3 МПа; объемном сжатии при боковом давлении для образцов из сплошного слоистого материала и с предварительными плоскостями ослабления.
Рис. 2. Зависимости пределов прочности (а, б) и модулей деформации (в, г) образцов
искусственного геоматериала от угла напластования при одноосном сжатии (1, 4); объемном сжатии при боковом давлении 3 МПа (2, 5); объемном сжатии при боковом давлении 6 МПа (3, 6); кривые 1-3 - образцы с предварительными плоскостями ослабления, 4-6 - образцы из сплошного геоматериала
Анализ экспериментальных данных показал, что степень анизотропии существенно влияет на деформационно-прочностные свойства образцов искусственного геоматериала со слоистой структурой.
• При одноосном и объемном сжатии для двух типов геоматериала, как сплошного (тип 2), так и с предварительными плоскостями ослабления (тип 1): при значениях угла напластования ¥=0°,90° пределы прочности и модули деформации принимают максимальные значения и отличаются не более 1-3%; минимальное значение пределы прочности и модули деформации принимают при ¥=45°. Для геоматериала типа 1 зависимости пределов прочности и модулей деформации от угла напластования более слабые.
• Отношение ав (при ¥=90°)/ав (при ¥=45°) при одноосном сжатии и объемном сжатии при боковом давлении 3 и 6 МПа составляет 1,3^1,18 для материала типа 2 и 2,79; 1,76; 1,45 - для материала типа 2. Отношение Е (при ¥=90°)/Е (при ¥=45°) при одноосном сжатии и объемном сжатии при боковом давлении 3 и 6 МПа составляет 1,5^1,2 для материала типа 2 и 1,81^1,29 - для материала типа 2. Отношения значений пределов прочности при одноосном, объемном сжатии (3 и 6 МПа) к значению предела прочности наиболее прочного слоя для геоматериала типа 1 составляет 1,05; 1,02 при ¥=90° и 1,33; 1,28; 1,22 при ¥=45°4; аналогичные отношения модулей деформации составляют 1,02 при ¥=90° и 1,5; 1,36; 1,21 при ¥=45°.
• Отношения значений пределов прочности при одноосном, объемном сжатии (3 и 6 МПа) к значению предела прочности наиболее прочного слоя для геоматериала типа 2 составляет 1,24; 1,13, 1,05 при ¥=90° и 3,45; 1,91; 1,53 при ¥=45°4; аналогичные отношения модулей деформации составляют 1,12; 1,1; 1,05 при ¥=90° и 2,03; 1,5; 1,28 при ¥=45°.
Таким образом, проведенное экспериментальное исследование подтверждает, что в слоистой анизотропной геосреде деформационно-прочностные характеристики существенно зависят от угла напластования. Установлены зависимости деформационно-прочностных характеристик слоистых геоматериалов от параметров структуры. На основе теоретической модели Тиена-Саламона дана оценка упругих параметров слоистых геосред (модуль упругости, коэффициент Пуассона). На основе критерия разрушения Хоека-Брауна получен прочностной параметр который не зависит от уровня бокового давления. Полученные в результате проведенного исследования данные о закономерностях изменения деформационно-прочностных характеристик геоматериалов и горных пород в при различных видах нагружения, а также их корреляция со структурой, могут быть использованы при оценке деформационно-прочностных свойств керна, расчете НДС.
Исследование выполнено в рамках НИР, проект «Разработка методов и измерительных средств для создания комплексных мониторинговых систем геомеханико-геодинамической безопасности горнодобывающих предприятий Сибири. Геомеханика и физика формирования и развития очаговых зон катастрофических событий, разрушения горных пород в природных и горнотехнических системах» на оборудовании ЦКП геомеханических, геофизических и геодинамических измерений СО РАН.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Строкова Л.А., Шагорина Е.Г.. Взаимосвязь структурно-текстурных особенностей горных пород и их прочности // Технология и техника геологоразведочных работ. Томский политехнический университет. 2010.
2. Трчкова И., Живор Р.. Сравнение физических и механических свойств образцов пород из разреза Кольской сверхглубокой скважины и их гомологов с поверхности // Вестник МГТУ, том 10, №2, 2007 г.
3. Бабиюк Г.В., Курман С.А.. Влияние слоистости пород на их прочностные свойства // Электронный архив Донецкого национального технического университета (г.Донецк). 2006.
4. Ghazvinian A., Geranmayeh R.,Vaneghi M., Hadei R., Azinfar M.J.. Shear behavior of inherently anisotropic rocks // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 61, 2013.
5. ГОСТ 28985-91 Породы горные. Методы определения деформационных характеристик при одноосном сжатии.
6. ГОСТ 21153.2-84 Породы горные. Методы определения предела прочности при одноосном сжатии.
7. ГОСТ 21153.3-85 Породы горные. Методы определения предела прочности при одноосном растяжении.
8. ГОСТ 21153.8-88 Породы горные. Методы определения предела прочности при объёмном сжатии.
9. ГОСТ 21153.7-75 Породы горные. Метод определения скоростей распространения упругих продольных и поперечных волн.
10. Работнов Ю.Н. Механика деформируемого твердого тела. М.: Наука, 1979.
11. Tien Y.M., Tsao P.F.. Preparation and mechanical properties of artificial transversely isotropic rock // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, vol. 37, pp. 10011012, 2000.
12. Tien Y.M., Kuo M.C., Juang C.H.. An experimental investigation of the failure mechanism of simulated transversely isotropic rocks // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, vol. 43, pp. 1163-1181, 2006.
© О. М. Усольцева, П. А. Цой, В. Н. Семенов, Б. Б. Сиволап, 2017
