РАЗДЕЛ 2
ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФОРМИРОВАНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ ПОРОД В НЕРАВНОКОМПОНЕНТНОМ ПОЛЕ
СЖИМАЮЩИХ НАПРЯЖЕНИЙ
2.1. Экспериментальная техника
За последние годы в практике решения инженерных задач, связанных с
прогнозированием предельного состояния горных пород, произошло существенное
изменение в части использования физико-механических характеристик пород. Ранее,
в качестве основного показателя, применялось временное сопротивление пород
одноосному сжатию [71], затем паспорта прочности [72], а в настоящее время
развивается направление по использованию физико-механических характеристик,
полученных в условиях, приближенных к реальным. Обычно реальные условия
нагружения описываются на основе оценки величин трех главных напряжений. Прямое
экспериментальное изучение явлений, происходящих в горном массиве под влиянием
трех напряжений, т.е. в натурных условиях, сопряжено со значительными
техническими трудностями. В настоящее время наиболее доступным способом
получения характеристик, достаточно надежно отражающих состояние горного
массива, является физическое моделирование с использованием установок
трехосного сжатия. Физика и техника экспериментов на установке подобного типа
подробно описана в работах [25, 26, 73-74]. Однако из всех существующих
установок трехосного сжатия (УТС), предназначенных для испытания горных пород,
только установка, разработанная и используемая в ИФГП НАНУ [75], позволяет
моделировать и определять свойства любой части горного массива (нетронутая,
призабойная). Это связано в первую очередь с тем, что рабочая камера, в которую
помещается натурный материал, позволяет в трех взаимно перпендикулярных
направлениях создавать независимые напряжения, аналогичные по величине и
направлению напряжениям в горном массиве.
Аксонометрическая проекция рабочего органа приведена на рис. 2.1. На станине
неподвижно монтируются опоры 5, 11, 16, обеспечивающие передвижение рабочих
воспринимающих плит 4, 10, 15 по направляющим. Нагружающее устройство состоит
из гидроцилиндров, расположенных по 3-м взаимноперпендикулярным осям,
соединительных звеньев с которыми скреплены пяты 2, 7, 14, входящие в рабочий
орган. Пяты передают усилие от нагружающего устройства к нажимным плитам 3, 6,
12 и далее на образец 8, кроме того, служат направляющими для рабочих плит.
Рабочие воспринимающие плиты 4, 10, 15 и нажимные плиты 3, 6, 12 снабжены
пружинами 9.
Рис. 2.1. Аксонометрическая проекция рабочего органа установки трехосного
напряженного состояния.
Описанное устройство работает следующим образом. При движении штоков
гидроцилиндров по трем взаимноперпендикулярным осям по направлению к образцу 8
нажимные рабочие плиты 3, 6, 12 располагаются с заходом друг относительно друга
и рабочих воспринимающих плит 4, 10, 15. Например, нажимная плита 6 (ось у)
скользит по нажимной плите 3 и воспринимающей 4. Одновременно плита 6
соприкасается с плитой 12 и воспринимающей 10, перемещая их по направляющим
пяты 14 и соответственно опоры 11. При этом сжимаются пружины нажимной плиты 12
и воспринимающей 10, которые своим усилием расжатия обеспечивают постоянный
контакт между нажимной плитой 6 и воспринимающей 10. Аналогичная картина
наблюдается при перемещении двух других штоков гидроцилиндров (по оси х и z).
При этом образуется замкнутая камера 13, в которой находится испытываемый
образец. Давление на образец осуществляется нажимными плитами 3, 6, 12, с одной
стороны, и воспринимающими 4, 10, 15 с другой - по всей плоскости
соприкосновения этих плит с соответствующими гранями образца.
Применением вышеописанной геометрии обеспечивается замкнутость рабочей камеры,
что гарантирует однородность напряженного состояния в исследуемом образце и
возможность независимого регулирования усилий на штоках гидроцилиндров в трех
взаимно перпендикулярных направлениях.
Несмотря на существенные преимущества УНТС, по сравнению с установками,
используемыми для аналогичных исследований, имеются и недостатки, к которым, в
первую очередь, следует отнести потери усилий прикладываемых к нажимным плитам
на трение в узлах – «опора - воспринимающая или нажимная плита – образец».
Значительного уменьшения трения в подвижных узлах УНТС удалось добиться за счет
замены трения скольжения в звене «опора - воспринимающая или нажимная плита» на
трение качения, расположив между двумя контактирующими поверхностями роликовую
опору, конструкция приведена на рис. 2.2. Коэффициент трения при этой замене
как показывают расчеты, выполненные в соответствии с [76], уменьшается в 50
раз.
Рис. 2.2. Конструкция узла трения «опора - нажимная плита»:
1 - нажимная плита;
2 - опора;
3 - ролики;
4 - центрирующие пружины;
5 - сепаратор.
Таким образом, замена трения скольжения на трение качения в звене «опора -
нажимная или воспринимающая плита» позволяет при деформировании образцов
допускать любые соотношения между тремя напряжениями без предварительного учета
потерь на трение. Кроме этого, улучшается работа установки в целом (снижается
износ поршней гидроцилиндров и уплотнений) и как результат - повышается
точность определения прочностных и деформационных характеристик образцов.
Все экспериментальные исследования по деформированию и разрушению горных пород
в неравнокомпонентном поле сжимающих напряжений, о которых пойдет речь в данной
работе, проведены на установке неравнокомпонентного трехосного сжатия УНТС
[75]. В качестве объектов исследования использовались осадочные породы
различных литологических разностей среднего и нижнего карбона Донбасса.
2.2. Методика экспериментальных исследований на УНТС
2.2.1. Отбор проб и изготовле