В статье рассказывается о трех основных методах определения предела прочности горных пород при одноосном растяжении/сжатии образцов. В связи с тем, что подобные испытания проводятся всё в большем количестве, а сроки, отводящиеся на их выполнение, становятся все более сжатыми, автор предлагает применение метода, который заключается в разрушении образцов произвольной формы встречными сферическими инденторами. Для проведения испытаний в статье рекомендуется применение нового оборудования ПСН-0.16.10 и ПСН-1.14.10, разработанного специалистами ООО «ПрогрессГео».

Игорь Озмидов

Генеральный директор ООО «ПрогрессГео», советник РАЕН

Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

 

 

В настоящее время испытания скальных грунтов и горных пород методом одноосного сжатия приобретают все большую важность в инженерно-геологических изысканиях. Во многих регионах нашей страны и за её пределами постоянно растет потребность в проведении большого количества качественных испытаний скального грунта, что, в свою очередь, требует применения новых методик и современного оборудования, позволяющих в кратчайшие сроки и с минимальными ресурсными и финансовыми затратами выполнять эти исследования без потери качества.

Методы испытаний

На сегодняшний день существует три основных метода определения предела прочности горных пород при одноосном растяжении/сжатии образцов. Они описаны в ГОСТ 21153.3-85 и ГОСТ 24941-81 [1, 2].

Первый метод заключается в определении предела прочности цилиндрических и призматических образцов прямым растяжением. Метод предназначен для получения показателя предела прочности породы по слабейшему поперечному сечению образца при одноосном растяжении в направлении его оси, заданном относительно сложения (слоистости) породы.

Сущность метода заключается в проведении испытаний цилиндрических или призматических образцов. Исследование сводится к измерению разрушающей силы при продольном растяжении образца через стальные обоймы загрузочного устройства.

Второй метод предполагает разрушение цилиндрических образцов сжатием по образующей. Он предназначен для массовых испытаний с целью определения предела прочности горной породы по определенному сечению образца при одноосном растяжении в направлении, заданном относительно сложения (слоистости) породы.

Сущность метода заключается в проведении испытаний цилиндрических образцов. При испытании измеряются значения разрушающей силы, приложенной через стальные встречно направленные плиты или клинья нагрузочного устройства к образующим образца на его диаметральном сечении, ориентированном заданным способом относительно сложения (слоистости) породы. Схема нагружения представлена на рисунке 1.

Ris 1 Shema nagruzhenija obrazca

Рис. 1. Схема нагружения образца. 1 - нижняя плита (нижний клин); 2 - образец; 3 - верхняя плита (верхний клин); 4 – сегмент.

Третий метод заключается в разрушении образцов произвольной формы встречными сферическими инденторами. Метод предназначен для исследовательских и массовых испытаний горных пород в лабораторных и полевых условиях с целью определения предела прочности при одноосном растяжении в направлении, перпендикулярном к слабейшему сечению, проходящему через ось нагружения образца.

Сущность метода заключается в измерении разрушающей силы, приложенной к образцу через стальные встречно направленные сферические инденторы. Схема нагружения представлена на рисунке 2 [2].

Ris 2 Shema nagruzhenija obrazca

Рис. 2. Схема нагружения образца. 1 - корпус; 2 - нижний шток; 3 - вкладыш; 4 -индентор; 5 - верхний шток.

Наибольший интерес представляет третий метод испытания скальных грунтов (горных пород), поскольку он имеет ряд преимуществ относительно первых двух в условиях массовых испытаний. Основным его преимуществом является высокая скорость выполнения работ, т.к. метод позволяет испытывать образцы произвольной формы, не требуя предварительной подготовки грунта, что, как правило, и занимает большую часть времени в испытании. Кроме того, подготовка образца грунта для испытаний по первым двум методам требует дополнительных площадей и обеспечения специальных условий труда, связанных с очисткой рабочего пространства от мусора и пыли, что весьма трудно, а иногда и невозможно организовать в лабораторных условиях.

Проведение испытания по третьему методу проводится в три этапа:

  1. Образец устанавливается между инденторами таким образом, чтобы ось нагружения образца была ориентирована относительно строения (слоистости) породы в соответствии с заданным направлением растяжения породы.

  2. Образец равномерно нагружается до разрушения со скоростью 0,1-0,5 кН/с.

  3. Затем определяется величина площади поверхности разрыва образцов в см2 с погрешностью до 0,10 см2.

Предел прочности при одноосном растяжении (р, МПа) каждого образца вычисляется по формуле:

р = 7,5 P/S *K,

где P  - разрушающая сила, кН; S  - площадь поверхности разрушения образца, см2K  - безразмерный масштабный коэффициент.

Предел прочности при одноосном сжатии (сж, МПа) для каждого образца вычисляется по корреляционным зависимостям, исходя из полученного значения предела прочности при одноосном растяжении (р, МПа). Эти зависимости приведены в таблице 1.

Табл. 1. Корреляционные зависимости для вычисления предела прочности при одноосном сжатии

Разновидности горных пород

Корреляционные зависимости

Аргиллиты, мергели

сж = 16р

Алевролиты, известняки

сж = 20р

Песчаники

глинистые

сж =  18 Р

карбонатные

сж = 21 р

кварцевые

сж = 25 р

Прочие осадочные

при р ≤ 1 МПа

сж = 12 р

при р > 1 МПа

сж = 20 р - 8 МПа

Изверженные и метаморфические

сж = 25 р

Возможности оборудования

В настоящее время разработано и запущено в серию производство новейшего оборудования для испытания горных пород ПСН-0.16.10 и ПСН-1.14.10.

Конструкция прибора ПСН обеспечивает приложение нагрузки на образец до 100 кН (10 тонн силы) с помощью гидромеханического привода штока нагружателя, что позволяет испытывать высокопрочные породы, такие как граниты, магнетиты и т.п. Гидромеханический привод является оптимальным в условиях ударных нагрузок (момент разрушения образца) и позволяет развивать высокие нагрузки при сравнительно небольших габаритах и весе установки, что может быть немаловажно в эксплуатации оборудования в полевых условиях. Нагрузка на образец прикладывается сменными сферическими инденторами, которые могут быть выполнены как в соответствии с ГОСТ 24941-81 с диаметром сферы 15 мм, так и в соответствии с ASTM  D 5731-08 с диаметром сферы 10 мм. [4, 5]. В качестве измерительного органа в приборе используется встроенный в гидромагистраль высокоточный датчик давления, подключаемый к электронному контроллеру с режимом фиксации максимального давления в момент раскола образца, что в свою очередь позволяет проводить измерения с высокой точностью в том числе в условиях ударных нагрузок.

Ris 3 Pribor dlja ispytanija skalnyh gruntov po GOST

Рис. 3. Прибор для испытания скальных грунтов по ГОСТ 21153.3-85 «ПСН-0.16.10»

Табл. 2. Технические характеристики прибора для испытания скальных грунтов

Привод  гидравлический

Максимальная осевая нагрузка

100 кН

Погрешность измерений

+/- 0,5 кН

Максимальное рабочее давление

200 бар

Рабочий ход поршня

110 мм

Габариты образца

100х100х100 мм

Габариты прибора ДхШхВ

520х490х680 мм

Масса прибора в сборе

55 кг

Прибор ПСН-0.16.10 комплектуется программным обеспечением, позволяющим проводить автоматизированную обработку результатов опыта, включая автоматический расчет площади скола образцов по отсканированной проекции поверхности скола. Обработка происходит по алгоритму, описанному выше, в соответствии с ГОСТ 21153.3-85 и ГОСТ 24941-81.

Все эти преимущества позволяют значительно повысить скорость проведения испытаний, уменьшить погрешность результатов, а также получить отличные эксплуатационные качества и максимальную экономическую отдачу.

Ris 4 Rezultaty obrabotki dannyh v sootvetstvii s GOST

Рис. 4. Результаты обработки данных в соответствии с ГОСТ 21153.3-85 и ГОСТ 24941‑81 на программном обеспечении PG -TEST  «ПрогрессГео».

Также существуют модификации приборов ПСН, оснащенные высокоточным датчиком перемещения и соответствующим контролером для выгрузки данных опыта в компьютерный интерфейс. Таким образом, данная модификация прибора (ПСН-1.14.10) позволяет проводить испытания не только для определения предела прочности горных пород, но и испытания на деформируемость.

Ris 5 Pribor dlja ispytanija gornyh porod

Рис. 5. Прибор одноосного сжатия для испытания горных пород по ГОСТ 21153.3-85 и ГОСТ 24941‑81 «ПСН-1.14.10».

Табл. 3. Технические характеристики прибора одноосного сжатия для испытания горных пород

Привод  механико-гидравлический

Максимальная осевая нагрузка

100 кН

Погрешность измерений

+/- 0,5 кН

Максимальное рабочее давление

200 бар

Рабочий ход поршня

110 мм

Габариты образца

100х100х100 мм

Габариты ДхШхВ

520х490х680 мм

Масса прибора в сборе

60 кг

В качестве результатов испытания на деформируемость определяются статический контактный модуль остаточной деформации горной породы и статический контактный модуль упругости горной породы.

В тоже время, на приборе ПСН-1.14.10, оснащенном контроллером преобразования данных, имеется возможность выгрузки числовых значений измеряемых величин в режиме реального времени на протяжении всего опыта, что позволяет получить наиболее информативную и точную деформационную характеристику породы. Пример испытания представлен на рисунке 6.

Ris 6 Rezultaty obrabotki dannyh jeksperimenta

Рис. 6. Результаты обработки данных эксперимента на программном обеспечении PG -TEST  «ПрогрессГео».

В качестве дополнительного оборудования на приборах серии ПСН можно применять сменные плоские штампы (рис. 7), выполненные в соответствии с ГОСТ 21153.3-85 (см. рис. 1). Это, в свою очередь, позволяет проводить испытания в целях комплексного определения пределов прочности и одноосного растяжения/сжатия.

Ris 7 Smennye ploskie shtampy

Рис. 7. Сменные плоские штампы (ГОСТ 21153.3-83).

Данный метод заключается в измерении разрушающей силы при многократном раскалывании образцов пластинчатой и брусчатой формы и определения предела прочности при сжатии, то есть в измерении разрушающей силы сжатия, полученной при раскалывании образцов кубообразной формы.Образец нагружают равномерно со скоростью 1-5 МПа/с до раскалывания сначала на бруски, затем по поперечным линиям на кубики полуправильной формы. Диски диаметром 40-60 мм раскалывают на четыре части. При каждом раскалывании образца записывают разрушающую силу в килоньютонах и среднюю длину линии раскола в сантиметрах, которую измеряют штангенциркулем с погрешностью не более ±0,05 см.

Предел прочности при одноосном растяжении (σ кр) в МПа для каждого образца вычисляют по формуле

σ кр = ( P/l*b ) * 10,

где P - разрушающая сила, кН; l  - средняя длина линии раскола образца, см; b  - толщина пластины (диска), см.

Предел прочности при одноосном сжатии (σ ксж) в МПа для каждого образца вычисляют по формуле

σ ксж = P/S * 10,

где P - разрушающая сила, кН; S  - средняя площадь поперечного сечения образца, равная полусумме площадей верхнего и нижнего торцов образца до его разрушения, см.

При обработке результатов определения предела прочности при одноосном растяжении породы в качестве числа проведенных единичных определений принимают общее число выполненных расколов.

Также приборы ПСН могут оснащаться дополнительным модулем, предназначенным для определения поперечной деформации и коэффициента Пуассона υ, вычисляемого по формуле:

 υ = Δε2Δε1,

где значения Δε1 и Δε2 – диапозоны продольных и поперечных деформаций соответственно [3].

Приборы ПСН в настоящее время не имеют абсолютных аналогов как на отечественном, так и на зарубежном рынках. Оборудование активно применяется во многих инженерно-геологических областях в различных регионах нашей страны.

geografia-6

Рис. 8. География использования оборудования «ПрогрессГео» для испытания горных пород.

Приборы ПСН внесены в Государственный реестр средств измерений.

Список литературы

1. ГОСТ 21153.3-85 «Породы горные. Методы определения предела прочности при одноосном растяжении»

2. ГОСТ 24941-81 «Породы горные. Методы определения механических свойств нагружением сферическими инденторами»

3. ГОСТ 12248-2010 «Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости»

4. ASTM D5731-08 «Standard Test Method for Determination of the Point Load Strength Index of Rock and Application to Rock Strength Classifications»

5. Bulletin of Engineering Geology and the Environment. Volume 74. Number 3.August 2015