Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования 11
1.1. Анализ методов определения предела длительной прочности горных пород при сжатии 11
1.1.1. Прямой (классический) метод 14
1.1.2. Косвенные (ускоренные) методы 15
1.2. Анализ результатов определения предела длительной прочности соляных пород при сжатии 41
1.3. Цель и задачи исследования 53
Глава 2. Методика проведения исследования 55
2.1. Характеристика испытательного оборудования 56
2.2. Отбор проб и изготовление образцов 65
2.3. Залечивание образцов соляных пород насыщенным рассолом 67
2.3.1. Влияние залечивания на кратковременную прочность при одноосном сжатии 69
2.3.2. Влияние залечивания на кратковременную прочность при растяжении 71
Глава 3. Результаты экспериментального опрещелмия предела длитешюй прочности соляных пород различными методами 80
3.1. Определение предела длительной прочности прямым методом в одноосном напряженном состоянии 80
3.2. Определение предела длительной прочности прямым методом в объёмном напряженном состоянии 87
3.3. Определение предела длительной прочности различными косвенными методами в одноосном напряженном состоянии , 91
3.3.1. Метод объёмных деформаций 92
3.3.2. Билогарифмический метод 98
3.3.3. Метод изменения скорости нагружения 100
Глава 4. Разработка нового метода определения предела длительной прочности соляных пород, исследование повеевденности пород при различных ввдах напряженного состояния и времени действия нагрузки
4.1. Петрографическое исследование изменения структуры соляных пород при одноосном сжатии 112
4.1.1. Структура исходного недеформированного образца . 112
4.1.2. Изменение структуры образцов, испытанных в кратковременном режиме нагружения 113
4.1.3. Изменение структуры образцов, испытанных в режиме ползучести 118
4.1.4. Общая картина изменения структуры 120
4.2. Исследование структуры деформированных образцов соляной породы методом электронной микроскопии 123
4.3. Определение предела длительной прочности соляной породы новым методом; результаты исследования процесса накопления повреждений в деформируемом материале 131
4.3.1. Одноосное напряженное состояние, кратковременный режим нагружения 136
4.3.2. Одноосное напряженное состояние, режим ползучести 148
4.3.3. Объёмное напряженное состояние, режим ползучести 153
4.3.4. Объёмное напряженное состояние, кратко временный режим нагружения; построение паспорта длительной прочности 153
Глава 5. Практические приложения результатов исследований 172
5.1. Методика ускоренного определения предела длительной прочности соляных пород при сжатии в одноосном и объёмном напряженном состояниях, построение паспортов длительной прочности 173
5.1.1. Состояние вопроса 173
5.1.2. Исходные положения 174
5.1.3. Отбор проб и изготовление образцов 175
5.1.4. Оборудование, приборы, материалы 175
5.1.5. Порядок проведения работы 176
5.1.6. Построение паспорта длительной прочности . 181
5.2. Разработка методики ускоренного определения паспортов кратковременной и длительной прочности соляных пород по результатам испытаний на сжатие разновысоких образцов 183
5.2.1. Состояние вопроса 183
5.2.2. Установление связи между отношением -U-и боковым давлением б з ПРИ кратко-временных и длительных испытаниях соляных пород 184
5.2.3. Методика ускоренного определения паспортов кратковременной прочности 196
5.2.4. Методика ускоренного определения паспортов длительной прочности 201
5.2.5. Сопоставление напряженного состояния соляных целиков с паспортами кратковременной и длительной прочности 203
5,3, Методика ускоренного определения паспортов прочности соляных пород на заданные сроки . 206
5.3.1, Состояние вопроса . 206
5.3.2, Исходные положения 209
5.3.3, Порядок проведения работы 209
Выводы по главе 214
Заключение 217
Список литературы 226
Приложение 243
- Анализ результатов определения предела длительной прочности соляных пород при сжатии
- Отбор проб и изготовление образцов
- Определение предела длительной прочности различными косвенными методами в одноосном напряженном состоянии
- Определение предела длительной прочности соляной породы новым методом; результаты исследования процесса накопления повреждений в деформируемом материале
Введение к работе
Актуальность работы, В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на І98І-І985 годы" производство минеральных удобрений отнесено к базовым отраслям индустрии, определяющим развитие народного хозяйства страны. За последнее десятилетие ЦК КПСС и Совет Министров СССР приняли два специальных постановления (февраль 1976 г, и сентябрь 1981 г.) об интенсификации разработки Верхнекамского месторождения калийных солей. Выполнение этих постановлений требует совершенствования горной технологии, развитие которой неразрывно связано с решениями различных вопросов геомеханики.
Несущие элементы системы подземной разработки калийных солей находятся в различных напряжённых состояниях и характеризуются длительными сроками службы. Поэтому определение оптимальных параметров этих элементов требует сведений о длительной прочности соляных пород при различных напряжённых состояниях.
Длительная прочность соляных пород (в том числе и соляных пород Верхнекамского месторождения) изучена мало, полученные результаты противоречивы. Подавляющее большинство известных методов определения предела длительной прочности разработано для одноосного напряжённого состояния, правомерность их применения в объёмном напряжённом состоянии ещё не доказана. Многие косвенные методы на одном и том же материале дают различные значения предела длительной прочности и не всегда достаточно обоснованы. Поэтому разработка метода определения предела длительной прочности, который был бы физически обоснован и который давал бы надёжные данные при различных напряжённых состояниях , является актуальной в научно-методическом и практическом плане.
Цель работы - разработать метод определения предела длительной прочности соляных пород на сжатие при различных напряжённых состояниях и определить его численные значения для соляных пород Верхнекамского калийного месторождения.
Основная идея работы - использовать степень накопления повреждений в деформируемой породе в качестве объективного критерия определения её предела длительной прочности.
Методика исследования включала в себя анализ, систематизацию и обобщение ранее выполненных отечественных и зарубежных работ, экспериментальные лабораторные исследования, выполненные по известным и разработанным методикам (испытано 3200 образцов), статистический и корреляционный анализ полученных результатов, сопоставительный анализ полученных расчётных данных и натурных наблюдений.
Экспериментальные исследования включали: длительные испытания в одноосном и объёмном напряжённом состояниях на установках УП-2 и УДП конструкции ВШМИ; испытания с различной скоростью деформирования на испытательной машине МЭ-10ТМ; кратковременные испытания в объёмном напряжённом состоянии в стабилометре конструкции ВНИМИ; кратковременные испытания разновысоких образцов соляных пород на прессе УМ-5А; петрографическое и электронномикроскопическое исследование структуры деформированных образцов соляных пород; исследование методом насыщения процесса накопления повреждений в образцах соляных пород при различных напряжённых состояниях, времени действия нагрузки и пути нагружения.
К защите представляются: закономерности изменения параметра повреждённости и прочности соляных пород на сжатие при различном характере их нагружения, а также ускоренные методы определения их предела длительной прочности и прочности на заданные сроки при различных видах напряжённого состояния.
Научная новизна. Обосновано использование начала роста параметра повреждённости в деформируемых соляных породах в качестве объективного критерия определения их предела длительной прочности.
Разработан ускоренный метод определения предела длительной прочности соляных пород при сжатии в одноосном и объёмном напряжённом состояниях.
Установлено, что при кратковременном и длительном режимах нагружения в одноосном и объёмном напряжённом состояниях процессы накопления повреждений в соляной породе качественно аналогичны.
Обнаружено, что при нагрузках ниже предела длительной прочности скорость деформирования, боковое давление и путь нагружения не оказывают влияние на величину исходной повреждённости образцов соляных пород.
Найдены зависимости предела длительной прочности сильвинита от величины бокового давления, а также зависимости параметра повреждённости деформированных образцов сильвинита от степени нагружения, скорости деформирования, времени действия нагрузки и вида напряжённого состояния.
Получена обобщённая аппроксимация зависимости предела длительной прочности соляных образцов от их коэффициента формы.
Установлена связь между боковым давлением и коэффициентом формы соляных образцов при кратковременном и длительном натру- женин.
Обнаружено, что в паспортах длительной и кратковременной прочности соляных пород, выраженных в виде огибающих предельных кругов Мора, отношение ординат точек этих кривых при равных абсциссах и отношение тангенсов углов внутреннего трения есть величина постоянная.
Практическая ценность работы заключается: в разработке методики ускоренного определения предела длительной прочности соляных пород при сжатии в одноосном и ооемном напряжённом состояниях и построения паспортов длительной прочности; в разработке методики ускоренного определения паспортов прочности соляных пород на заданные сроки; в разработке методики ускоренного определения паспортов кратковременной и длительной прочности соляных пород по результатам испытаний на сжатие разновысоких образцов; в определении значений предела длительной прочности соляных пород Верхнекамского месторождения при различных видах напряжённого состояния.
Публикация, По теме диссертации опубликовано 7 статей.
Объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Содержит 145 страниц машинописного текста, 73 рисунка, 31 фотографию, 43 таблиц, список литературы из 485 наименований, приложение - 3 стр.
Исследования, результаты которых изложены в диссертации, проводились автором с 1976 по 1982 годы в Березниковском отделении Уральского филиала ВНИИГалургии,
Автор считает своим долгом выразить глубокую признательность канд.техн.наук Ю.М.Карташову за консультации, полезные - ю - советы и ценные замечания. Ряд приведённых в диссертации результатов явился развитием и продолжением идей Юрия Михайловича, изложенных в его работах.
Анализ результатов определения предела длительной прочности соляных пород при сжатии
Результаты определения предела длительной прочности соляных пород в литературе ещё не анализировались и не обобщались.
Ниже даётся критический анализ работ, в которых приведены экспериментальные значения предела длительной прочности соляных пород или приведены экспериментальные зависимости прочности соляной породы во времени = f() в аналитическом или графическом виде. Работы рассмотрены в хронологическом порядке, авторские обозначения сохранены. В конце настоящего параграфа результаты анализа обобщены.
Е.П.Сивоконь /102/ исследовал прочностные свойства сильвинита Калуш-Голынского месторождения в кратковременном и длительном режимах нагружения. Появление первых трещин было визуально зафиксировано при нагрузках, составляющих 60-70$ от кратковременной прочности. При оценке несущей способности целиков калийных рудников предлагается использовать нагрузку Rnp=0,6Ro , где /?0 - кубиковая прочность породы, a RHP соответствует прочности соляных пород при длительном действии постоянной нагрузки.
В своей более поздней работе /88/ Е.П.Сивоконь определял уровень микротрещинообразования образцов каменной соли д;-4-друтими методами - по изменению скорости прохождения ультразвука через деформируемый образец иіпШМзменению объёма образца,определяемого с помощью коэффициента поперечной деформации. Дополнительно на разновысоких образцах A- = i 4 определялся уровень образования макротрещин визуальным наблюдением. По данным прозвучивания микротрещины начинали появляться при нагрузке R„ , составляющей 28$ от кратковременной прочности. Объём образцов начинал увеличиваться при нагрузке RT составляющей 47$ от кратковременной прочности. Визуальным наблюдением установ-лено, что при Д-=1 уровень появления микротрещин составлял в среднем 52$, а при 4 - 85$ от разрушающей нагрузки. Однако, в этой работе Е.П.Сивоконь не связал величины Rv и Rr с пределом длительной прочности.
В работе /12/ приведены результаты опытов на одноосную ползучесть сильвинитовых образцов Верхнекамского месторождения. Образцы представляли собой кубики с ребром 90 и 57 мм и цилиндры диаметром и высотой 57 мм. Установлено, что деформации ползучести образцов затухают при степенях нагружения 0,3-0,4. Отмечается большой разброс значений реологических параметров -до 100$ и более. Так значение параметра В , необходимого для определения предела длительной прочности, находилось в пределах 0,7-2,0. Предел длительной прочности сильвинитовых образцов, определенный по формуле (1.4), составил 33-59$ от их кратковремннной прочности.
В работах /14,34/, выполненных под руководством А.Н.Став-рогина, приводятся результаты временных исследований сильвинитов Старобинского и Верхнекамского месторождений при одноосном сжатии. Эксперименты проводились на призмах размерами 150х150х х 300 мм, которые длительное время выдерживались под постоянными нагрузками. Максимальная продолжительность опытов при малых уровнях нагружения достигала 5-8 месяцев. Анализ кривых объемных деформаций показал, что уплотнение соляных пород про исходило при весьма малых напряжениях, составляющих 10-15$ от кратковременной прочности. При больших нагрузках материал образца разрыхлялся. Предел длительной прочности образцов, определенный прямым методом, составил 40-45$ от кратковременной прочности.
Сведения о временных исследованиях соляных.пород содержатся и в других работах ЕНИМИ /35,104/, выполненных под руководством А.Н.Ставрогина.
В работе /8/ дается диапазон значений длительной прочности каменной соли: эь?.= 140 220 кг/см2 (60+75$ от кратковременной прочности), но не указывается - какому времени испытания соответствуют приведенные значения длительной прочности. Метод испытания, оборудование и характеристика образцов также не приводятся.
Я.А.Бич, Ю.Д.Белов и др. /103/ провели натурные испытания сильвинита Верхнекамского месторождения при кратковременном и длительном действии одноосной сжимающей нагрузки. Длительное наг-ружение снизило значение напряжений, при которых появлялись первые трещины, со 130-150 кг/см до 86 кг/см . Исходя из предположения, что пропорционально этому должен снизиться и предел длительной прочности, авторы работы /103/ предлагают принимать значение предела длительной прочности равным 100 кг/скг, что составляет примерно 67$ от кратковременной прочности.
Свойства каменной соли Солотвинского и Соль-йлецкого месторождений при длительном нагружении описаны в работах /15,37,81, 105/. Испытывались образцы цилиндрической формы диаметром 36 мм и высотой 70 мм. Опыты проведены на установке одноосной ползучести УП-2 конструкции ЕНИМИ. Степени нагружения задавались равными 0,5-0,9. Максимальная продолжительность опыта 40-50 суток /15,81,105/ и 250 суток /37/. Предел длительной прочности каменной соли, определенный методом объёмных деформаций /81/ и методом релаксации напряжений /15,37/, составил 50$ от кратковременной прочности.
В работах Е.С.Оксенкруга /37,105/ приведены результаты исследования длительной прочности каменной соли в рассольной среде.
Испытания проведены в одноосном напряженном состоянии в камере из органического стекла. Нагружение осуществлялось пружинным прессом ІШ-25 Ш?Д. Установлено, что рассол, проникая в микротрещины образца, снижает его предел длительной прочности в 1,5 раза.
Результаты испытаний сухих и увлажненных образцов каменной соли диаметром 60 мм и высотой h = 90+150 мм приведены в работе /13/. Предел длительной прочности сухих образцов составил 0,6 (осж. Увлажнение уменьшило предел длительной прочности до 0,35 6сж.
Баронча А. и Глодяну Е. /106/ провели экспериментальные исследования длительной прочности каменной соли различных месторождений 1 умынии. Испытания проведены на образцах диаметром 5 см -0-=2. ЦРИ одноосном сжатии в режиме ползучести. Максимальная продолжительность эксперимента - 400 суток. Предел длительной прочности, определенный прямым методом, составил 20$ от кратковременной прочности.
В работе П.Кнолля /19/ описывается комплекс исследований, проведенных на карналлите и хартзальце калийных месторождений ГДР. Эксперименты проведены на цилиндрических образцах диаметром от 16 до 56,4 мм с различным коэффициентом формы Л -ру- . который изменялся от 0,4 до 3. При исследовании ползучести максимальная продолжительность опыта составляла 2500 часов, в отдельных случаях - до 4000 часов. При исследовании ускоренной ползучести опыты продолжались примерно 2 часа. Главную часть экспериментов составляли исследования ускоренной ползучести. Прочность при сложном напряженном состоянии определялась в камере Кармана. Боковое давление изменялось от 0 до 350 кг/см2.
Отбор проб и изготовление образцов
Основные экспериментальные исследования проведены на сяль-винитовых образцах-близнецах пласта Красный П, слой 5 Первого Березниковского рудоуправления Верхнекамского калийного месторождения. Глубина залегания пласта в месте отбора проб равна 220 м.
Форма образцов - цилиндрическая, диаметр 36 мм, высота 70 мм. Отношение высоты образца к его диаметру -- -2 выбрано в соответствии с рекомендациями /22,112/. Образцы были ориентированы перпендикулярно напластованию. Относительная влажность материала образцов составляла (0,2±0,05)$. Химический состав: KCI - 41, NaCL- 57,6$; //0.- 0,6$; CaSOr 0,6$; МдСІг 0,1$. Петрографическое описание образцов приведено в разделе 4.1. настоящей работы.
Источником проб служили соляные блоки размерами 40x40x40 см, которые отбирались из свежепройденной выработки - одиночного хода комбайна ПК-8. Блоки отделялись от массива частой строчкой шпуров, которые бурились ручным электросверлом. Взрывные работы не проводились. Отбор, транспортирование и хранение проб прово дились в соответствии с требованиями, изложенными в работах /13,113,114/.
Цилиндрические образцы выбуривались из блоков керноотбор-ником с прижимным устройством конструкции ВНИМИ /115/ и торцевались на токарном станке в специальной разрезной гильзе с резиновым вкладышем. Требования, предъявляемые к подготовленным образцам /8,13,116/, были выполнены. Во всех опытах равномерное приложение нагрузки к образцам осуществлялось через шаровую опору.
Для получения одной экспериментальной точки испытывалось не менее пяти образцов-близнецов /117/.
Вопросу идентичности образцов уделялось особое внимание. Во-первых, все сильвинитовые образцы были отобраны из одного сезонного прослоя и внешне ничем не отличались друг от друга. Во-вторых, учитывалась возможность возникновения микронарушений образцов в процессе их изготовления. Чтобы устранить эти микронарушения, которые могли исказить результаты эксперимента и увеличить коэффициент вариации, все образцы до начала испытаний залечивались в насыщенном рассоле. Подробное описание процесса залечивания и его результатов приведено в следующем параграфе настоящей работы. Кратковременная прочность сильвинитовых образцов на одноосное сжатие беж составила 29,4 1,1 Ша с надежностью 95$. Столь незначительный (4$) разброс результатов определения величины прочности свидетельствует о высокой степени идентичности подготовленных образцов.
Кроме сильвинитовых образцов были изготовлены образцы--близнецы межпластовой каменной соли КрШ-КрП Верхнекамского калийного месторождения и образцы-близнецы мрамора месторождения "Коелга". Диаметр образцов каменной соли 36 мм, высота мм, кратковременная прочность на одноосное сжатие 26,6±1,6 МПа (надежность 9 . Диаметр образцов мрамора 30 мм, высота 60 мм, кратковременная прочность на одноосное сжатие 85,7 3,5 МПа (надёжность 95$). Образцы каменной соли до испытаний залечивались в насыщенном рассоле. Образцы мрамора не залечивались.
Залечивание, которое сводилось к многократному вакуумному насыщению образцов рассолом и медленному высушиванию, проводилось с целью устранения гликродефектов соляных образцов, подготовленных к испытаниям.Залечиванию предшествовало приготовление насыщенного рассола и наблюдение за его проникновением в образцы соляных пород.
Насыщенный по калию и натрию рассол готовился растворением в воде измельченных образцов сильвинита и каменной соли. Плотность приготовленного осветленного рассола составляла 1,237г/см3 при температуре 20С. Данные химического анализа рассола: К = 9,96$; Л/а= 20,51$; Мд= 0,12$; Са = 0,46$.
Для того, чтобы можно было наблюдать за проникновением рассола в образцы, его окрашивали в ярко-синий и зелёный цвета. Часть образцов насыщалась керосином, окрашенным в ярко-красный цвет. Исследовались различные типы соляных пород Верхнекамского месторождения - всего 50 образцов. Насыщение проводилось как при атмосферном давлении, так и при вакуумировании.
Установлено, что рассол проникает в образцы, в основном, по границам зерен. Различные типы соляных пород насыщались рассолом в различной степени. Наиболее рыхлыми - проницаемыми для рассола - оказались следующие разновидности соляной породы: мелкозернистый белый галит, мелкозернистый розовый галит коржей пласта Красный II, средне - и крупнозернистая подстилающая каменная соль, среднезернистый розовый сильвинит, глинистые прослои. Наиболее плотные разновидности соляной породы - это красный мелкозернистый сильвинит, перистый галит и шпатовая соль. Однако, и в них имелись микродефекты: в шпатовую соль жидкость проникала по плоскостям спайности; в тёмный перистый галит -- по редким микротрещинам и тончайшим прослоям глины; в красный сильвинит - по отдельным точечным дефектам и по редким короткшл микротрещинам. Как правило, дефекты соединялись между собой, образуя своеобразную "сеть", пронизывающую всю толщу образца.
Залечивание образцов, подготовленных к испытаниям, производилось в следующей последовательности. Образцы помещались в вакуумэксикатор, заливались рассолом и вакуумировались при давлении 2КГ3 Мїїа в течение двух часов. Как правило, выделение пузырьков воздуха из образцов прекращалось в конце первого часа вакуумирования. После снятия вакуума производилась выдержка при атмосферном давлении в течение 3-5 часов. Затем насыщенные образцы помещались в термостат и выдерживались в течение 48 часов при температуре 60±2С. Охлаждение образцов проводилось вместе с термостатом. На этом первый цикл залечивания оканчивался. Далее вся процедура повторялась. Всего было проведено три цикла залечивания, в результате чего все микродефекты, связанные с поверхностью образцов, закристаллизовы-вались (залечивались). В том, что микродефекты действительно залечивались, можно было убедиться по результатам цветной капиллярной дефектоскопии: индикаторная жидкость (окрашенный керосин) не проникала в залеченные образцы, в то время, как
Определение предела длительной прочности различными косвенными методами в одноосном напряженном состоянии
Для исследования совместного влияния вида напряженного состояния и фактора времени на прочность соляной породы необходимо провести массовые испытания. В этом случае прямой метод определения предела длительной прочности неприемлем вследствие его чрезвычайной трудоёмкости и большой продолжительности опыта. Поэтому необходимо было выбрать какой-либо косвенный метод.
На основе анализа методов определения предела длительной прочности, изложенного в первой главе настоящей работы, были выбраны для сравнения следующие косвенные методы: метод объёмных деформаций, билогарифмический метод и метод изменения скорости нагружения. Критерием выбора служили: надёжность метода, возможность определения предела длительной прочности как в одноосном, так и в объёмном напряженном состоянии, небольшая продолжительность эксперимента, возможность определения предела длительной прочности без экстраполяции результатов эксперимента.
Испытания проводились при одноосном сжатии в кратковременном режиме с постоянной скоростью деформирования. В процессе опыта регистрировались действующие напряжения б , время t , продольные Є и поперечные Є2 деформации образцов. Объёмные деформации Ev определялись по формуле:
Испытано 50 образцов сильвинита. Дополнительно - для сравнения - были испытаны образцы каменной соли - 40 штук и образцы мрамора месторождения "Коелга" - 22 штуки. Образцы каменной соли и сильвинита испытывались при скоростях деформирования 1,00мм мми 0,01 мин, образцы мрамора - при скоростях 0,01 и 0,005 мин.
На одной и той же породе выбранные косвенные методы сравнивались между собой и с прямым методом. Предел длительной прочности мрамора, определенный прямым методом, по данным ВНЙМИ составляет 75,4 МПа (0,88 эс «).
Наши эксперименты показали, что в процессе нагружения объём образцов сначала уменьшался, а после некоторого значения напряжения начинал увеличиваться. Этот момент отражался на трафике зависимости„б-Є"в виде точки излома (точки резкого изменения хода функций б-SJ - см.рисЗ.Ю. Согласно рассматриваемому методу напряжение, соответствующее этой точке является пределом длительной прочности.
Результаты экспериментального определения предела длительной прочности сильвинита, каменной соли и мрамора методом объёмных деформаций с трудом поддаются статистической обработке, поскольку у значительной части испытанных образцов (42$ образцов соляных пород и 33$ образцов мрамора) зарегистрирован сложный характер изменения объёма в процессе нагружения: кривая зависимости б- Sv - имеет две, тр и более точек излома, многократно пересекает ось напряжений, отсутствует стадия уплотнения и т.д. (табл.3.1). По таким аномальным кривым б-ву корректное определение предела длительной прочности вряд ли возможно.
Если аномальные кривые б-vисключить из анализа и определить предел длительной прочности воо по оставшимся образцам, то получим:для сильвинита б = 1,5 МПа (0,05 беж), КВАР= 58$;для каменной соли б ,= 4,9 МПа (0,18беж), AW = 61$;для мрамора боо = 43,5 МПа(0,51 беж), AW = 29$.
Если в анализируемую совокупность включить результаты испытаний образцов, не имеющих стадии уплотнения (принимая в этом случае бею), то в среднем значение предела длительной прочности составит:для сильвинита боо = 0,8 МПа (0,036с ), КВАР. = 126$;для каменной солибоо= 3,6 МПа (0,14беж), КВАР- 91$;для мрамора боо =33,5 МПа (0,39бо ), КВАР.= 73$.
Как видно из приведенных данных, сложный характер изменения объёма образцов вносит элемент субъективности в статистическую обработку результатов эксперимента и поэтому является существенным недостатком рассматриваемого метода.
Одной из возможных причин большого разброса значений предела длительной прочности, определенного методом объёмных деформаций, а также сложного характера зависимости б-Sv , является, по-видимому, неравномерное деформирование образца в поперечном направлении. На рис.3.12 хорошо видно отличие идеализированного распределения поперечных деформаций S2 , обусловленного использованием расчетной формулы ІЗ.З), от реального распределения 6Z по высоте образца. Неравномерность деформа
Определение предела длительной прочности соляной породы новым методом; результаты исследования процесса накопления повреждений в деформируемом материале
Предпосылками создания нового метода определения предела длительной прочности соляных пород явились следующие выводы, полученные нами в результате анализа экспериментальных данных:- долговечность породы под нагрузкой определяется процессом накопления повреждений;- процессы накопления повреждений в соляной породе при кратковременном и лительном режиме нагружения качественно похожи;- процесс разрушения начинается с боковой поверхности образца и развивается вглубь его;- дефекты породы трёхмерны, имеют различную сложную форму и трудно поддаются количественной оценке при прямом микроскопи-ровании;- необходима принципиально отличная от известных косвенных методов количественная оценка структурных изменений деформируе мого материала.
Эти выводы, а также ранее сформулированная концепция (см. стр. диссертации), привели к решению производить количественную оценку микродефектов деформированных породных образцов по массе индикаторной жидкости, заполнившей эти микродефекты, а предел длительной прочности определять по точке излома графика "параметр поврежденности - напряжение". Иными словами: перечисленные выше выводы позволили нам разработать новый метод иссле тдования поврежденности деформированной породы. Это4 метод мырекомендуем использовать в качестве косвенного (ускоренного) метода определения предела длительной прочности.
Суть нового метода исследования поврежденности деформированной породы заключается в следующем. Образцы породы доводятся до заданной степени нагружения (деформирования), разгружаются и насыщаются под вакуумом индикаторной жидкостью, инертной к испытываемому материалу. До и после насыщения образцы взвешиваются на аналитических весах с точностью до 2 10 т?. В качестве меры поврежденности П принимается безразмерная величина, равная отношению массы жидкости, заполнившей микротрещины образца, к массе сухого образца:где М4- масса сухого образца, г;/И2- масса насыщенного образца, г.
Параметр /7 характеризует степень разрыхления материала.Чувствительность метода зависит от точности взвешивания и от физических свойств индикаторной жидкости. С целью повышения чувствительности метода насыщение образцов целесообразно проводить неполярными жидкостями с низким поверхностным натяжением, высокой смачивающей способностью и низкой вязкостью (керосином,
бензолом и т.п.) /118/. Такие жидкости обладают высокой проникающей способностью: керосин, например, даже без вакуутлирования способен проникнуть в микротрещины раскрытием до 2 10"4 мм /148/.
Предложенный метод позволяет наблюдать мельчайщие дефекты невооруженным глазом, для этого достаточно добавить в индикаторную жидкость яркую краску или люминофор, способный светиться под ультрафиолетовыми лучами, и произвести несложное "проявление" (дефектоскопирование) по методике, изложенной в работе ДІ8/.
Метод физически обоснован и принадлежит к классу наиболее разработанных и точных весовых методов. Осуществляя как количественную (взвешиванием), так и качественную (визуальным контролем микродефектов) оценку поврежденности, предложенный метод отличается относительной простотой, доступностью, значительной производительностью и высокой чувствительностью - выявляются микротрещины раскрытием приблизительно до ІСГ3 мм. Кроме того, к достоинствам метода можно отнести объективность количественной оценки поврежденности, нелокальность дефектоскопии (определяется поврежденность всего образца в целом), а также то обстоятельство, что образец в процессе дефектоскопии не разрушается и его можно использовать для дальнейших исследований. Наибольшая относительная метрологическая погрешность метода, определенная по методике Д49/, не превышает 2%, Точность определения параметра поврежденности П составляет приблизительно І2#І0 относительных единиц.
Метод регистрирует микротрещины, связанные с поверхностью образца и не учитывает замкнутые, полностью изолированные дефекты. Игнорирование изолированных дефектов не является недостатком метода, поскольку решающую роль в зарождении и разви тии процесса разрушения играют не изолированные, а поверхностные трещины. Многочисленными исследованиями Д18,129,131,150, 151 и др./ установлено, что в поверхностном слое материала концентрация дефектов резко повышена. Это подтверждается и нашими исследованиями, проведенными на соляной породе (см.параграфы 4.1 и 4.2 настоящей работы). Повышенная концентрация дефектов в поверхностном слое материала объясняется тем, что шероховатости на поверхности тела являются локальными концентраторами напряжений, генерирующими микротрещины. Исследования Р.И.Гар--бера и Л.М.Полякова Л52/, проведенные на каменной соли, показали, что микротрещины образуются в первую очередь на поверхности деформируемого тела и прорастают вглубь его, причём, прорастание микротрещин происходит преимущественно в направлении участков с наибольшей концентрацией микродефектов.
Существует и такая фундаментальная причина интенсификации разрушения в поверхностном слое, как наличие физической границы на поверхности материала. В работе /131, стр.145/ отмечается: "...наличие такой границы, т.е. отсутствие соседних частиц у поверхностных атомов, изменяет силу межмолекулярного взаимодействия поверхностных макромолекул, что, в свою очередь, может сказаться на условиях их загрузки и разрыве". Наглядным примером, подтверждающим рещающую роль поверхностных трещин в процессе разрушения, служат классические опыты Л.Ф.Иоффе /153/, показавшие, что прочность тела повышается в сотни раз при устранении поверхностных микротрещин.
Предложенным методом была определена поврежденность всех образцов сильвинита, на которых определялся предел длительной прочности различными методами и проводились микроскопические исследования. Кроме того, исследовалось накопление повреждений