CC BY
40
УДК 622.831
ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРЫ СЛОИСТЫХ ГОРНЫХ ПОРОД И ГЕОМАТЕРИАЛОВ НА ДЕФОРМАЦИОННО-ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА ПРИ РАСТЯЖЕНИИ 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: usoltseva57@mail.ru
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, научный сотрудник, тел. (383)330-96-41, e-mail: paveltsoy@mail.ru
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: centre@misd.nsc.ru
Приводятся результаты экспериментального исследования деформационно-прочностных свойств образцов со слоистой структурой: метаалевролита, сланца и эквивалентного искусственного геоматериала при испытаниях на объемное сжатие, растяжение, одноосное сжатие. Дан анализ полученных закономерностей изменения данных характеристик в зависимости от угла напластования и вида нагружения.
Ключевые слова: лабораторный эксперимент, объемное сжатие, одноосное сжатие, растяжение, горная порода, угол напластования, деформационно-прочностные характеристики.
EFFECT OF STRUCTURE OF LAYERED ROCKS AND GEOMATERIALS ON STRENGTH AND DEFORMATION CHARACTERISTICS UNDER TRIAXIAL COMPRESSION AND TENSION
Olga M. Usol'tseva
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Candidate of Physico-Mathematical Sciences, Director of the Geomechanical, Geophysical and Geodynamic Measurement Center for Shared Use, tel. (383)330-96-41, e-mail: usoltseva57@mail.ru
Pavel A. Tsoy
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk 54 Krasny prospect; Novosibirsk State Technical University, 630073, Russia, Novosibirsk, 20 Karl Marx prospect, Candidate of Physico-Mathematical Sciences, Researcher, tel. (383)330-96-41, e-mail: paveltsoy@mail.ru
Vladimir N. Semenov
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Main Specialist, tel. (383)330-96-41, e-mail: centre@misd.nsc.ru
The paper reports testing data on strength and deformation characteristics of layered specimens of metasiltstone, schist and equivalent artificial geomaterials under triaxial compression, uniaxial compression and tension. The determined mechanisms of change in the listed characteristics depending on bedding angle and loading type are analyzed.
Key words: laboratory experiment, triaxial compression, uniaxial compression, tension, rock, bedding angle, strength and deformation characteristics.
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].
Данная работа посвящена изучению закономерностей изменения деформационно-прочностных свойств образцов искусственного геоматериала и горных пород (метаалевролита, сланца), имеющих слоистую структуру, при трех видах нагружения - растяжении, одноосном сжатии, объемном сжатии.
Испытания образцов проводились на сервогидравлическом прессе INSTRON 8802, при нагружении образцов непрерывно фиксировались: осевая нагрузка, продольная и поперечная деформация, при испытаниях на объемное сжатие проводилась дополнительная запись бокового давления, подаваемого на образец, помещенный в компрессионную камеру.
На образцах из искусственного геоматериала, метаалевролита и сланца, имеющих слоистую структуру, были проведены серии экспериментов: на растяжение (бразильская проба), одноосное сжатие, объемное сжатие при двух различных значениях бокового давления 3 МПа, 6 МПа для искусственного геоматериала и - 6 МПа, 12 МПа для метаалевролита и сланца. Скорость деформирования составляла 0,1 мм/мин. Для каждого типа материала построены зависимости предела прочности (бв), модуля деформации (Ест) и коэффициента поперечной деформации (v) от угла напластования ¥.Образцы из искусственного геоматериала, состояли из слоев двух типов следующего 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°.
Для образцов искусственного геоматериала зависимости предела прочности, модуля деформации и коэффициента поперечной деформации от угла напластования ¥ = 0°, 15°, 30°, 45°, 60°, 75°, 90° при одноосном сжатии и объемном сжатии при двух различных значениях бокового давления приведены на рис. 1, для образцов метаалевролита и сланца - на рис. 2, 3.
—•—1 2 —о—3
а б в
Рис. 1. Зависимости пределов прочности (а), модулей деформации (б) и коэффициентов поперечной деформации (в) образцов искусственного геоматериала от угла напластования ¥ при одноосном сжатии (1); объемном сжатии при боковом давлении 3 МПа (2); объемном сжатии при боковом давлении 6 МПа (3)
а б в
Рис. 2. Зависимости пределов прочности (а), модулей деформации (б) и коэффициентов поперечной деформации (в) образцов метаалевролита от угла напластования ¥ при одноосном сжатии (1); объемном сжатии при боковом давлении 6 МПа (2); объемном сжатии при боковом давлении 12 МПа (3)
Для образцов искусственного геоматериала, метаалевролита и сланца и были проведены испытания на растяжение (бразильская проба) по ГОСТ 21153.3-85, определены пределы прочности. Как показал анализ данных испытаний, при растяжении наиболее существенное значение имеет угол ориентации слоев относительно направления нагрузки-угол © (рис. 4). Зависимость пределов прочности образцов искусственного геоматериала, метаалевролита и сланца от угла © представлены на рис. 5.
—•— 1 --»-2 —о—3
а б в
Рис. 3. Зависимости пределов прочности (а), модулей деформации (б) и коэффициентов поперечной деформации (в) образцов сланца от угла напластования ¥ при одноосном сжатии (1); объемном сжатии при боковом давлении 6 МПа (2); объемном сжатии при боковом давлении 12 МПа (3)
1JLJLAJLJLJ1
ТТТТТТИ
0 = 0° 15°
30 ° 45 ° 60 ° 75 ° 90 °
Рис. 4. Угол © ориентации слоев геоматериала относительно направления нагрузки при испытаниях "бразильская проба"
а б в
Рис. 5. Зависимости пределов прочности образцов искусственного геоматериала (а), метаалевролита (б) и сланца (в) образцов метаалевролитаот угла 0 ориентации слоев относительно направления нагружающей силы при растяжении
В результате проведенного исследования получены закономерности изменения деформационно-прочностныхсвойств от структуры (ориентации слоев) для искусственного геоматериала, имитирующего горную породу, природных образцов метаалевролита и сланца.
При объемном сжатии:
• Пределы прочности и модули деформации образцов аргиллита, метаалев-ролита и искусственного геоматериала зависят от угла напластования качественно таким же образом, как при одноосном сжатии, но значительно в меньшей степени. Кроме того, с увеличением бокового давления эта зависимость от ¥ уменьшается.При значениях угла напластования ¥= 0°, 90° пределы прочности отличаются не более 14% , причем при ¥=0° предел прочности несколько выше. Наименьшее значение предел прочности принимает при ¥=45°; в интервале изменения угла анизотропии ¥=0°^45° наблюдается плавное уменьшение предела прочности на 25-36%. Зависимость модулей деформации от угла анизотропии ¥ имеет вид, аналогичный поведению пределов прочности. При значениях угла напластования ¥= 0°, 90° модули деформации отличаются не более 13%. Наименьшее значение модуль деформации принимает при ¥ = 45°. В интервале изменения угла анизотропии ¥ = 0°^45° наблюдается плавное уменьшение модуля деформации на 18-37%.
При растяжении (бразильская проба):
• Наиболее существенное значение имеет угол ориентации слоев относительно направления нагрузки-угол ©. Наибольшее значение предел прочности принимает при значениях ©= 90°, наименьшее при ©= 0°.
Таким образом, проведенное экспериментальное исследование подтверждает, что как искусственные геоматериалы, так и природные образцы, имеющие слоистую структуру, имеют качественно похожие закономерности изменения деформационно-прочностных характеристик взависимости от угла напластования и угла ориентации слоев относительно нагрузки, причем различие пределов прочности и модулей деформации является существенным, может достигать ~60%.0тмеченную анизотропию свойств горных пород необходимо принимать во внимание, чтобы избежать значительных ошибок при проведении расчетов НДС массива горных пород.
Работа выполнена на оборудовании ЦКП ГГГИ 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. http://dropdoc.ru/doc/835915/vliyanie-sloistosti-porod-na-ih-prochnostnye-svojstva
4. GhazvinianA., GeranmayehR.,Vaneghi M.,HadeiR., AzinfarM.J.. Shear behavior of inherently anisotropic rocks // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 61, 2013.
© О. М. Усольцева, П. А. Цой, В. Н. Семенов, 2016
