CC BY
35
УДК 622.831
ЗАВИСИМОСТЬ ДЕФОРМАЦИОННО-ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ГЕТЕРОГЕННЫХ ГЕОМАТЕРИАЛОВ ОТ СТРУКТУРЫ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ВИДАХ НАГРУЖЕНИЯ. МЕХАНИЗМ ЭВОЛЮЦИИ ЗОНЫ РАЗРУШЕНИЯ*
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
Установлены закономерности изменения деформационно-прочностных характеристик от вида нагружения и структуры материала: концентрации включений и соотношения пределов прочности включений и связующего. Показано влияние вида нагружения и структуры геоматериала на развитие зоны разрушения.
Ключевые слова: горная порода, лабораторный эксперимент, деформационно-прочностные свойства, структура, спекл-метод, микродеформации.
DEFORMATION AND STRENGTH CHARACTERISTICS VERSUS STRUCTURE OF HETEROGENEOUS MATERIALS UNDER VARIOUS-TYPE LOADING. MECHANISM OF FAILURE ZONE EVOLUTION
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
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
* Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований (проект № 15-05-07566) на оборудовании ЦКП ГГГИ СО РАН.
The authors have found the mechanisms of change in the deformation and strength characteristics of a material versus its loading type and structure: concentration of particles and ratio of ultimate strength of particles and binder. The influence of loading type and structure on evolution of failure zone in geomaterials is illustrated.
Key words: rock, laboratory experiment, deformation and strength characteristics, structure, speckle-method, microdeformation.
В данном исследовании изучаются образцы из искусственного геоматериала, содержащего круглые включения с гладкой поверхностью, вследствие чего сцепление с материалом связующего по границам включений достаточно было достаточно слабым. Рассмотрены два случая: материал 1 - предел прочности связующего материала при осевом сжатии составляет 55,4 МПа, что выше предела прочности включений; материал 2 - предел прочности связующего материала при осевом сжатии составляет 5,9 МПа, что ниже предела прочности включений. В каждый материал включения добавлялись в количестве: 3,1; 6,2; 15,6; 31,2% объема образца, что составляло 50, 100, 250, 500 включений шарообразной формы соответственно. Выполнены испытания образцов по определению деформационно-прочностных характеристик при растяжении, одноосном и объемном сжатии, построены паспорта прочности материалов [1-4]. Средние деформационно-прочностные характеристики и зависимости "напряжение - деформация" партии образцов из материалов 1 и 2 приводятся на рис. 1 и в табл. 1, 2.
Проведенное исследование позволяет заключить следующее:
- Искусственные включения ослабляют прочность материала, независимо от соотношения предела прочности связующего и минеральных частиц;
- При объемном сжатии добавление жестких включений в мягкое связующее приводит к более значительному повышению прочностных свойств;
- Значения коэффициента Пуассона и сцепления уменьшаются с увеличением объема включений для двух типов смесей; модуль Юнга и угол внутреннего трения для материала 1 возрастают с количеством включений, для материала 2 - уменьшаются;
- Для материала 2 с увеличением количества включений значительно возрастает участок остаточной прочности, для материала 1 - этот участок уменьшается.
Для исследования механизма зарождения и развития макродефекта в образце, процесс нагружения останавливали при различных уровнях напряжений от 0,5 до пиковой нагрузки, и проводилось исследование поверхности образца под микроскопом.
Анализ микродефектов на поверхности образцов показал, что микротрещины зарождаются на границах включений (рис. 2). Структура материала и характер приложения внешних нагрузок также существенно влияют на механизм образования и развития микротрещин отрыва и сдвига, взаимодействие которых приводит в конечном итоге к формированию макродефекта - макротрещины скола. Механизм образования макротрещины скола зависит как от соотношения предела прочности включений и связующего, так и от характера приложения нагрузок.
Деформация
а
Рис. 1. Диаграммы деформирования "напряжение - деформация" (а - материал 1, б - материал 2) при одноосном сжатии в зависимости от концентрации включений: 1 - 0%; 2 - 3,1%; 3 - 6,2%; 4 - 15,6%; 5 - 31,2%
Деформационно-прочностные характеристики материала из материала 1 с включениями
Таблица 1
б
№ п.п. Количество включений Модуль Юнга, МПа Коэффициент Пуассона Предел п зочности, МПа Сцепление, МПа Угол внутр. трения (град)
Сжатие Растяжение Схема Кармана
4 МПа 8 МПа 10 МПа
1 0 14890 0,231 55,4 8,5 62,7 70,8 74,1 11,04 47,6
2 3,1% 14600 0,22 48,1 7,8 51,3 56,7 60,9 10,07 47,6
3 6,2% 12750 0,199 38,5 6,6 46,4 49,9 54,8 8,29 46,5
4 15,6% 10870 0,176 30,8 5,5 35.8 40,8 43,8 6,67 45
5 31,2% 8230 0,163 22,4 4,5 27,3 30,2 33,8 5,32 43,3
Таблица 2
Деформационно-прочностные характеристики материала из материала 2 с включениями
№ п.п. Количество включений Модуль Юнга, МПа Коэффициент Пуассона Предел прочности, МПа Сцепление, МПа Угол внутр. трения (град)
Сжатие Растяжение Схема Кармана
4 МПа 8 МПа 10 МПа
1 0 991,3 0,311 5,9 2,6 12,8 18,5 24,3 2,03 23,1
2 (3,1% 1103 0,281 5,1 2,1 11,3 15,8 19,4 1,64 23,9
3 6,2% 1203 0,274 4,5 1,8 10,5 14,1 - 1,42 25,0
4 15,6% 1287 0,234 3,8 1,5 9,9 12,4 - 1,2 25,6
5 31,2% 1311 0,187 2,4 1,3 8,3 11,8 - 0,71 25,9
Рис. 2. Фотографии рабочей поверхности образцов на разных стадиях нагружения от 0,5 до пиковой нагрузки Для материала со структурой типа 1 (жесткая матрица + мягкие включения) разрушается как матрица, так и включения. Трещина скола при сдвиге без бокового поджатия располагается примерно параллельно действию осевой силы, количество микротрещин сдвига, расположенных под углами 30-70° к направлению действия нагружающей силы незначительно (рис. 3 а, б). При сдвиге с боковым поджатием трещина скола имеет сложную ступенчатую поверхность и образует угол 50-70° с направлением осевой силы, как при одноосном, так и при двухосном нагружении (рис. 3 в, г).
Для материала со структурой типа 2 (мягкая матрица + жесткие включения) разрушается только матрица, включения остаются неповрежденными. Микротрещины сдвига практически не наблюдаются при сдвиге без бокового поджатия. При сдвиге с боковым поджатием возникают микротрещины как сдвига, так и отрыва, угол наклона макротрещины скола составляет от 20 до 45° с направлением осевой силы в зависимости от величины боковой нагрузки.
а б Е г
Рис. 3. Фотографии образцов после разрушения: а, б - при сдвиге без бокового поджатия; в, г - при сдвиге с боковым поджатием 8 МПа
Анализ микроструктуры показал, что область локализации микроповреждений начинает развиваться там, где имеется скопление близко расположенных пор и включений.На образцах из песчаника и искусственных геоматериалов, обладающих структурной неоднородностью в виде соответствующих минералогических включений, в процессе одноосного нагружения до разрушения были детально исследованы особенности распределения и эволюции их напряженно-деформированного состояния на микроуровне по рабочим поверхностям породных образцов с помощью лазерного измерительного оптико-телевизионного комплекса АЬМЕС-^ [6, 7]. Анализ экспериментальных данных показал, что несмотря на то, что заданным видом нагружения породного образца является одноосное сжатие с постоянной скоростью перемещения траверсы пресса, тем не менее, пространственно-временное поле микродеформаций является существенно неоднородным. На рис. 4 приведен характерный трехмерный график, соответствующий нагрузке 0,5 предела прочности образца, где по осям х и уотложены координаты поверхности образца в продольном и поперечном направлении соответственно, по оси z - величина микродеформации в соответствующей точке измерения сканируемой поверхности.
Эволюция деформационного поля показывает, что микродеформациив зоне будущего разрушения превышают средние значения по поверхности, кроме того их флуктуации также выше средних значений. На ранней стадии нагружения микродеформации, превышающие средние по образцу значения локализуются вокруг слабой зоны и далее, по мере повышения нагрузки, в ней возникают микроповреждения и магистральный разрыв.
Рис. 4. Распределение микродеформации в продольном направлении по сканируемой поверхности образца в момент нагружения, соответствующий на диаграмме «напряжение - время» 0,5 предела прочности образца
Таким образом, в результате проведенного исследования можно заключить, что параметры структуры материала и вид нагружения взаимосвязаны с процессами внутреннего микродеформирования и являются определяющим в прогнозе зоны будущего макроразрушения.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙСПИСОК
1. ГОСТ 28985-91 Породы горные. Методы определения деформационных характеристик при одноосном сжатии.
2. ГОСТ 21153.2-84 Породы горные. Методы определения предела прочности при одноосном сжатии.
3. ГОСТ 21153.3-85 Породы горные. Методы определения предела прочности при одноосном растяжении.
4. ГОСТ 21153.8-88 Породы горные. Методы определения предела прочности при объёмном сжатии.
5. Опарин В.Н., Усольцева О.М., Семенов В.Н., Цой П.А. О некоторых особенностях эволюции напряженно-деформированного состояния образцов горных пород со структурой при одноосном нагружении. // ФТПРПИ. - 2013. - № 5.
6. Опарин В.Н., Усольцева О.М., Цой П.А., Семенов В.Н. Об энергетическом подходе к анализу сложных деформационно-волновых процессов в геоматериалах со структурой под нагружением до разрушения. // Проблемы недропользования (ISSN 2316-1586). - 2014. -№ 3.
