Зависимость деформационно-прочностных характеристик геоматериалов со структурой в интервале температур от -20 до +120 ºс при различных видах нагружения

Усольцева Ольга Михайловна; Цой Павел Александрович; Семенов Владимир Николаевич; Сиволап Борис Борисович

УДК 622.831

ЗАВИСИМОСТЬ ДЕФОРМАЦИОННО-ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ГЕОМАТЕРИАЛОВ СО СТРУКТУРОЙ В ИНТЕРВАЛЕ ТЕМПЕРАТУР ОТ -20 ДО +120 °С ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ВИДАХ НАГРУЖЕНИЯ*

Ольга Михайловна Усольцева

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт горного дела им. Н. А. Чинакала» СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, кандидат физико-математических наук, руководитель ЦКП ГГГИ СО РАН, тел. (383)330-96-41, e-mail: usoltseva57@mail.ru

Павел Александрович Цой

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «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. Карла Маркса 20, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник, тел. (383)330-96-41, e-mail: paveltsoy@mail.ru

Владимир Николаевич Семенов

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «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

Борис Борисович Сиволап

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт горного дела им. Н. А. Чинакала» СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, ведущий инженер, тел. (383)334-88-80, e-mail: bor.nsk.ru@mail.ru

Получены новые закономерности и корреляционные зависимости изменения деформационно-прочностных характеристик образцов из искусственных гетерогенных геоматериалов с заданными параметрами двухкомпонентной структуры 2-х видов: минеральные частицы + связующее, с различным соотношением пределов прочности. Определено влияние вида нагру-жения при следующих значениях температур: -20, 0, 20, 40, 60, 80, 90, 95, 100, 105, 120 °C.

Ключевые слова: горная порода, лабораторный эксперимент, деформационно-прочностные свойства, растяжение, одноосное, объемное сжатие, температура.

CHANGE OF DEFORMATION AND STRENGTH CHARACTERISTICS OF STRUCTURED GEOMATERIALS IN THE TEMPERATURE RANGE FROM -20 TO +120 °С UNDER DIFFERENT-TYPE LOADING

Olga M. Usoltseva

Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Ph. D. Phys-Math, Executive Director of Shared Use Center for Geo-mechanical, Geophysical and Geodynamic Measurements SB RAS, tel. (383)330-96-41, e-mail: usoltseva57@mail.ru

Pavel A. Tsoi

Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect; Novosibirsk State Technical University, 630073, Russia, Novosibirsk, 20 K. Marx prospect, Ph. D. Phys-Math, Researcher, tel. (383)330-96-41, e-mail: paveltsoy@mail.ru

* Работа выполнена на оборудовании ЦКП ГГГИ СО РАН.

Vladimir N. Semenov

Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Principal Specialist, tel. (383)330-96-41, e-mail: centre@misd.nsc.ru

Boris B. Sivolap

Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Principal Chief engineer, tel. (383)330-96-41, e-mail: bor.nsk.ru@mail.ru

The authors have derived new laws and correlation dependences for change in the deformation and strength characteristics of specimens made of artificial heterogeneous geomaterials with preset parameters of two-component structure of 2 types (mineral particles + binder with varied ratio of ultimate strengths) and assessed influence of loading type at the following temperatures: -20, 0, 20, 40, 60, 80, 90, 95, 100, 105, 120 °C.

Key words: rock, laboratory experiment, deformation and strength characteristics, tension.

Экспериментальные данные по деформационным и прочностным свойствам горных пород, а также оценка их изменения в зависимости от напряженно-деформированного состояния и температурных условий являются крайне необходимыми в прогнозе устойчивости породных массивов при ведении горных работ, оценке несущей способности грунтов и горных пород при проектировании и возведении зданий и сооружений. Имеется достаточное количество работ, в которых изучалось влияние на деформационно-прочностные характеристики горной породы температуры [1-5], скорости нагружения [6], микроструктуры [7-11]. Несмотря на обширное количество проведенных экспериментальных работ в данной области на различных видах горных пород, проблема экспериментального исследования закономерностей изменения деформационно-прочностных свойств геоматериалов является по-прежнему актуальной.

В данной работе предложен иной подход, позволяющий на искусственном модельном материале, имитирующем горную породу, с заданными параметрами структуры (связующее с добавлением включений с различными значениями пределов прочности и процентным составом). Искусственные геоматериалы такого типа имитируют слабо сцементированные зернистые горные породы, которые встречаются в осадочных геологических формациях и, зачастую, являются причиной оседания поверхности, нестабильности при бурении скважин, осыпания песка в нефте- и газоносных залежах. Из-за невозможности собрать и охарактеризовать горные породы такого типа возникает сложность получения достаточно полной информации. Альтернативный подход заключается в изготовлении искусственных материалов, в которых подходящие структурные параметры (соотношение пределов прочности связующего и включений, процентный состав) могут методично и независимо друг от друга варьироваться при лабораторных испытаниях.

Основная задача данной работы состояла в том, чтобы определить закономерности перехода образцов искусственных геоматериалов с заданной структурой нескольких типов в предельное состояние при широкой вариации темпера-

турных условий и трех видах нагружения - растяжении, одноосном сжатии, объемном сжатии.

Испытания механических свойств испытательных образцов проводились на серво гидравлическом прессе INSTRON 8802 при скорости нагружения 0, 1 мм/мин. В процессе экспериментов непрерывное измерялись и записывались в компьютерный файл: осевая нагрузка, продольная и поперечная деформациями испытаниях на объемное сжатие - боковое давление, подаваемого на образец, помещенный в компрессионную камеру. Определение деформационных свойств пород производилось согласно требованиям [12-16].

Были изготовлены образцы из следующего состава: I. Связующее (матрица); 2) связующее с добавлением включений из керамзита в количестве 25%, 50%, 75 от общего веса связующего (искусственный геоматериал со структурой типа 3; II. связующее с добавлением включений из метаалевролита в количестве 25%, 50%, 75% от общего веса связующего (структура типа 4); IV. Мета-алевролит. Для каждого типа образцов выполнены испытания при трех видах нагружения: растяжение, одноосное сжатие, объемное сжатие с боковым давлением 3 МПа при следующих температурах: -20, 0, 20, 40, 60, 80, 90, 95, 100, 105, 120°С. Для всех серий испытаний определены пределы прочности, сцепление, угол внутреннего трения, модуль Юнга, коэффициент Пуассона.

На рис. приведены зависимости нормированных пределов прочности а/а0 и безразмерной величины сцепления с/с0 (отнесенных к пределу прочности а0 и сцеплению с0 соответственно при температуре 20°С).

Рис. Зависимости безразмерных пределов прочности при при растяжении (а), одноосном сжатии (б), объемном сжатии (в) и сцепления (г) от температуры для образцов следующего структурного состава:

1- матрица, 2 - 25% метаалевролита, 3 - 50% метаалевролита, 4 - 75% метаалевролита, 5 - 25% керамзита, 6 - 50% керамзита, 7 - 75% керамзита, 8 - метаалевролит

Анализ экспериментальных данных выявил следующие закономерности:

1. Наиболее существенное влияние температура оказывает на значение предела прочности при растяжении, наименее - при объемном сжатии.

2. Длягеоматериала, структура которого представляет собой более слабые включения относительно матрицы, влияние температуры усиливается с увеличением количества включений. Предел прочности при растяжении и одноосном сжатии для геоматериала, содержащего 25% включений уменьшается на 40%, для 50% включений - на 60%, и для случая 75% включений - на 80-90%. При объемном сжатии предел прочности для геоматериала, содержащего 25% включений уменьшается на 20%, для 50% включений - на 30%, и для случая 75% включений - на 70%.

3.Для геоматериала, структура которого представляет собой более прочные включения относительно матрицы, количество включений незначительно влияет на величину предела прочности: при растяжении и одноосном сжатии он уменьшается приблизительно на 30% (для геоматериала, содержащего 25% , 50% и 75% включений), при объемном сжатии - на 20%.

4. В интервале температур испытаний от 95 до 105°С происходит значительно более резкое уменьшение значений пределов прочности образцов всех типов искусственных геоматериалов по сравнению с предыдущим (от 20 до 95°С) и последующим (от 105 до 120°С) температурными интервалами.

5. Получены новые эмпирические зависимости пределов прочности геоматериалов с различным количеством включений от температуры в интервале температур 20°С до 120°С при испытаниях на одноосное сжатие.

Для интервала температур от -20°С до 85-90°С

= (1 - щ)а$

Г

V Т0 у

-1,32т - 0,6

(1)

с*

где - < предел прочности образца изготовленного из матрицы при испытании на одноосное сжатие при температуре Т0 =293К, Т - температура испытания, т - относительное количество керамзитовых включений (т=0; 0,25; 0,5; 0,75). Для интервала температур от 85-90°С до 120°С:

< = (2т +1)<

г \ V Т0 у

-15т - 0,8

(2)

для образцов геоматериала с включениями метаалевролита -в интервале температур от -20°С до 85-90°С и от 85-90°С до 120°С - (3) соответственно:

</ = (т +1<

г \ V Т0 у

0,6т - 0,85

</ = (1,7т +1,4)<

Г \

V Т0 у

-1,8т - 2

(3).

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Tian H., Ziegler M., Kempka T. Physical and mechanical behavior of clay stone exposed to temperatures up to 1000° 1C. // International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences.-2014. - 70. - p. 144-153.

2. Arzua J., Alejano L.R., Walton G. Strength and dilation of jointed granite specimens in servo-controlled triaxial tests. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, 69 (2014), р. 93-104.

3. Haeri H., Shahriar K., Fatehimarji M., MoarefvandP. Experimental and numerical study of crack propagation and coalescence in pre-cracked rock-like disks1C // International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences. - 2014. - 67. - p. 20-28.

4. Li-yun L., Zhi-qiang X., Ming-xiu L., Yi.L., Chen F., Tie-Wu T. An experimental study of I-II-III mixed mode crack fracture of rock under different temperature. 13th International Conference on Fracture June 16-21, 2013, Beijing, China.

5. Meier T., Backers T., Stephansson О. The influence of temperature on Mode II fracture toughness using the Punch-Through Shear with Confining Pressure experiment. Proceedings of the 3rd CANUS Rock Mechanics Symposium, Toronto, May 2009.р.1-8.

6. Liu S., Xu J.. Study on dynamic characteristics of marble under impact loading and high temperature. // International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences. - 2013. - 62. - p. 51-58.

7. Meier T., Backers T., Stephansson O. The influence of temperature on Mode II fracture toughness using the Punch-Through Shear with Confining Pressure experiment // R0CKENG09: Proceedings of the 3rd CANUS Rock Mechanics Symposium, Toronto, May 2009 (Ed: M.Diederichs and G. Grasselli).

8. Hansen N., Goldsby D., Kohlstedt D. The importance of grain-boundary sliding during deformation of geological materials // Deformation Mechanisms, Rheology and Tectonics. - International Conference. - Leuven. - 2013. - р. 50.

9. Hunter N., Hasalova P., Weinberg R. Strain partitioning in crustal shear zones: the effect of interconnected micaceous layers on quartz deformation // Deformation Mechanisms, Rheology and Tectonics. - International Conference. - Leuven. - 2013.

10. Kohli A., Zoback M. Frictional properties of shale reservoir rocks // Journal of geophysical research: solid earth. - 2013. - Vol. 118, pp. 1-17.

11. Kazerani T. Effect of micromechanical parameters of microstructure on compressive and tensile failure process of rock. // International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, 64 (2013), рp. 44-55.

12. ГОСТ 28985-91 Породы горные. Методы определения деформационных характеристик при одноосном сжатии.

13. ГОСТ 21153.2-84 Породы горные. Методы определения предела прочности при одноосном сжатии.

14. ГОСТ 21153.3-85 Породы горные. Методы определения предела прочности при одноосном растяжении.

15. ГОСТ 21153.8-88 Породы горные. Методы определения предела прочности при объёмном сжатии.

16. ГОСТ 21153.7-75 Породы горные. Метод определения скоростей распространения упругих продольных и поперечных волн.

CHANGE OF DEFORMATION AND STRENGTH CHARACTERISTICS OF STRUCTURED GEOMATERIALS IN THE TEMPERATURE RANGE FROM -20 TO +120 ºC UNDER DIFFERENT-TYPE LOADING