Предел прочности на одноосное сжатие и модуль деформации
Перейти к содержимому

Предел прочности на одноосное сжатие и модуль деформации

  • автор:

В чем разница между пределом прочности на одноосное сжатие и модулем деформации?

День добрый. Занимаюсь расчетом фундамента, грунт сложен из мергеля. По геологическим данным модуль деформации отсутствует но есть предел прочности на одноосное сжатие. Не подскажите в чем разница? и при расчете осадки можно ли использовать предел прочности на одноосное сжатие вместо модуля деформации?

Просмотров: 5660

гадание на конечно-элементной гуще

Регистрация: 31.05.2006

8.5.2. Определение показателей прочности и деформируемости скальных грунтов

Для установления прочности на одноосное сжатие для пород с пределом прочности при одноосном сжатии не менее 5 МПа применяют одноосное сжатие образцов правильной формы плоскими плитами; для пород с пределом прочности при одноосном сжатии от 10 до 150 МПа проводят разрушение образцов-плиток плоскими соосными пуансонами [22]. Определения характеристик прочности и деформируемости скальных грунтов проводятся применительно к расчетам и проектированию подземных сооружений, свай-стоек, горных работ и оборудования, изысканиях при разработке месторождений полезных ископаемых, при проведения исследовательских испытаний.

Скальные породы разрушаются различным образом в зависимости от температуры и давления. При низкой температуре и высокой скорости деформирования скальные породы показывают хрупко-упругое поведение. Они деформируются упруго до напряжений около 70 % предела прочности, затем трещины распространяются в большом объеме и скальная порода разрушается с образованием магистральной трещины или поверхности скола. При небольшом всестороннем давлении, соответствующей малой глубине залегания грунтов или вблизи свободной поверхности, разрушение сопровождается образование вертикальной раскалывающей трещины (схема 1, на рис. 8.55, а)). При большом всестороннем давлении на глубине наблюдается образование одной плоскости сдвига (схема 2, на рис. 8.55, а) в нагружаемом образце породы. При очень большом всестороннем давлении разрушение сопровождается образованием сети наклонных полос сдвига (схема 3, на рис. 8.55, а).

При низких скоростях деформирования, повышенных температурах и очень высоком всестороннем давлении на графике зависимости напряжение – деформация невозможно обнаружить максимум напряжений, показывающий состояние разрушения. Образцы показывают непрерывное деформирование с упрочнением характерное для вязкопластичных материалов. Вязкопластичное деформирование сопровождается образованием бочкообразной формы деформации образца. Переход от хрупко-упругого поведения к вязкопластичному возникает при увеличении давления, температуры или порового давления. Для большинства скальных пород это переход происходит при давлениях и температурах не характерных для реальных конструкций и условий. Однако, для некоторых глинистых сланцев, известняков (мел) и каменной соли, поташа, гипса и др., залегающих вблизи поверхности также характерно вязкопластичное поведение даже при обычной температуре [5].

Рис. 8.55. Прочность на одноосное сжатие скальных грунтов: а) зависимость деформации от напряжения для скальных грунтов, б) упругие деформации и деформации ползучести: А, Б, С – Упругое деформирование, Д – пик прочности, Е – длительная прочность, в) стадии деформации ползучести [5]

стандартных испытаниях на прочность образцов скального грунта осевые напряжения постепенно возрастают до его разрушения. Скальные грунты также могут деформироваться при постоянном уровне напряжений, это процесс деформации называется ползучестью. Ползучесть зависит от времени при постоянном напряжении и в скальных грунтах связана с распространением трещин (рис. 8.55, б). Стандартные испытания показывают возрастание деформации пропорционально приложенному напряжению до пиковой прочности, при которой образец скальной породы разрушается. В испытаниях на ползучесть напряжения быстро увеличиваются и сохраняются постоянными до разрушения. Деформация соответствующая пиковой прочности обычно меньше деформации при ползучести.

Кривая зависимости деформации от времени для испытаний на ползучесть скальных грунтов имеет характерные участки (рис. 8.55, в): упругая деформация возникает в начале, когда приложена мгновенная нагрузка, первичная ползучесть идет когда снижается скорость деформации, вторичная ползучесть характеризуется медленнными деформации. В конце этой стадии деформации резко возрастают и материал разрушается – проходит стадия прогрессирующей ползучести. В течение первой фазы ползучести материал приспосабливается к приложенному напряжению и трещины распространяются медленно к устойчивому состоянию, почти при постоянной скорости. В течение установившейся вторичной стадии ползучести материал разрушается все больше и больше с ростом новых трещин и раскрытием старых, в третьей стадии неконтролируемый рост трещин приводит к разрушению образца [5].

При испытании скальных грунтов устанавливаются следующие показатели:

  • предел прочности на одноосное сжатиеRс, МПа,
  • модуль упругости Е, МПа,
  • коэффициент Пуассона ν.

Для установления порочности на одноосное сжатие применяют следующие методы [22]:

  1. одноосное сжатие образцов правильной формы плоскими плитами (породы с пределом прочности при одноосном сжатии не менее 5 МПа);
  2. разрушение образцов-плиток плоскими соосными пуансонами (породы с пределом прочности при одноосном сжатии от 10 до 150 МПа).

Метод одноосного сжатия образцов правильной формы плоскими плитами [22]. Сущность метода заключается в измерении максимального значения разрушающего давления, приложенного к плоским торцам правильного цилиндрического образца через плоские стальные плиты.

Для испытания применяют: станок обдирочно-шлифовальный с плоским чугунным диском, вращающимся вокруг вертикальной оси, или станок плоскошлифовальный; машины испытательные или прессы, максимальное усилие которых не менее чем на 20–30 % превышает предельную нагрузку на образец; плиты стальные толщиной не менее 0,3 диаметра d (стороны квадрата) образца и диаметром, на 3–5 мм превышающим диаметр (диагональ квадрата) образца, устройства установочные (рис. 8.56), оснащенные сферическим шарниром (применяют при отсутствии на испытательной машине верхней подвесной сферической плиты), шлифпорошок.

обозначения

1накладная пята;

2подкладная пята;

3верхняя плита;

4обойма;

5образец;

6нижняя плита

Рис. 8.56. Схема установочного устройства для испытаний на сжатие образцов плоскими плитами

Размеры и объем проб должны обеспечивать изготовление образцов необходимой численности, размеров и ориентировки относительно направления слоистости; допускается производить консервацию проб негигроскопических пород с заменой марли, битуминированной бумагой, полиэтиленовой пленкой или другими водонепроницаемыми материалами, не взаимодействущими с горной породой.

При отборе проб гигроскопических пород (каменные соли, аргиллиты и т.п.) дополнительно отбирают несколько кусков размером не менее 30´30´10 мм и общей массой не менее 200 г для определения исходной влажности пробы. Куски дробят до частиц размером менее 10 мм и сразу же помещают в бюксы, которые для надежной герметизации обматывают клейкой лентой. Исходную влажность фиксируют в паспорте пробы.

Для испытания изготовляют цилиндрические или призматические (с квадратным поперечным сечением) образцы, которые изготовляют выбуриванием или выпиливанием на камнерезной машине из штуфов и кернов, их торцевые поверхности шлифуют на шлифовальном станке. Образцы из гигроскопических пород изготовляют без применения промывочной жидкости и до начала испытания хранят в эксикаторе. Из слоистых горных пород, или из пород с направленной трещиноватостью, изготовляют образцы, одинаково ориентированные относительно направления слоистости (трещиноватости). Размеры образцов должны соответствовать размерам, указанным в табл. 8.66.

Размеры образцов при массовых и сравнительных испытаниях

Размеры, мм, при испытаниях

Диаметр (сторона квадрата)

От 30 до 80 включ.

Отношение высоты образца к его диаметру

Образцы одной выборки должны иметь одинаковые размеры. Допускаются отклонения расчетных значений диаметра di и высоты hi каждого образца от их средних арифметических значений и по всем образцам выборки: по диаметру до 1 мм и по высоте до 2 мм. Количество образцов при массовых испытаниях должно быть не менее 6, при сравнительных испытаниях должно быть не менее 10.

Образец, в зависимости от наличия или отсутствия на испытательной машине подвесной сферической плиты, размещают соответственно либо только между стальными плитами, либо в установочном устройстве (рис. 8.56), совмещая ось образца с центром нижней опорной плиты испытательной машины, нагружают равномерно до разрушения со скоростью 1–5 МПа/с. Записывают максимальную величину разрушающей образец силы Р в килоньютонах, с указанием отношения m = h/d для образца.

При необходимости определяют влажность пробы непосредственно в момент испытания. Для этого дробят обломки образцов до частиц размером менее 10 мм, помещают в бюксы и взвешивают. Дробленую породу помещают в бюксы не позже чем через 10 мин, а взвешивают не позже чем через 30 мин после испытания.

Значение предела прочности при одноосном сжатии в МПа для каждого i –го образца выборки вычисляют по формуле

где Р – разрушающая образец сила, кН; S – площадь поперечного сечения образца, см 2 ; Кв – безразмерный коэффициент высоты образца, равный 1,00 при отношении высоты к диаметру m = 2 ± 0,05. Для других значений отношения m коэффициент Кв устанавливают по табл. 8.67.

Вычисления производят с точностью: площади поперечного сечения образца – до 0,01 см 2 , округляют – до 0,10 см 2 ; частных значений и среднего значения отношения m – до 0,10; частных значений и среднего арифметического значения, а также среднего квадратического отклонения предела прочности при одноосном сжатии – до 0,01 МПа, при этом значения менее 10 МПа оставляют без изменения, значение от 10 до 100 МПа округляют до 0,10 МПа, а значение более 100 МПа – до 0,50 МПа; значений коэффициента вариации – до 0,01.

Значения коэффициентаּКв

Метод разрушения образцов-плиток плоскими соосными пуансонами [22]. Сущность метода заключается в измерении максимальной разрушающей силы, приложенной к торцам образца через стальные плоские встречно и соосно направленные пуансоны. Метод предложен в 1960 г. Г.Н. Кузнецовым и Б.В. Матвееевым для массовых исследований.

Для проведения испытания применяют (кроме приборов перечисленных в первом способе): устройство нагрузочное (рис. 8.57) или любой другой конструкции, устанавливаемое на опорную плиту испытательной машины, обеспечивающее встречно-соосное приложение нагрузки к торцам образца через стальные пуансоны диаметром 11,27 мм (либо пуансоны диаметром 7,98 мм) с плоскопараллельными торцевыми поверхностями.

Для испытания изготовляют образцы-плитки в виде дисков. Допускается изготовлять образцы-плитки неправильного очертания в плане с необработанными боковыми поверхностями при условии, что контуры их торцов и боковых поверхностей позволяют вписать диск необходимого размера. Образцы должны иметь диаметр от 30 до 100 мм; высоту – от 10 до 12 мм (для пород с пределом прочности при одноосном сжатии не более 120 МПа) либо от 7,5 до 8,5 мм (для пород с пределом прочности при одноосном сжатии свыше 100 МПа). Количество образцов должно быть не менее 6.

Образец размещают между пуансонами нагрузочного устройства (рис. 8.57), установленного в центре опорной плиты испытательной машины (пресса), совмещая центр диска с осью нагружения. Образец нагружают через пуансоны равномерно до разрушения со скоростью 0,1 – 0,5 кН/с. Записывают максимальную величину разрушающей образец силы Р в килоньютонах, зафиксированную силоизмерителем испытательной машины, с указанием отношения m = h/d для образца. При необходимости определяют влажность пробы непосредственно в момент испытания.

Значение предела прочности при одноосном сжатии в МПа для каждого образца вычисляют по формуле 8.25, где S0 – условная площадь поперечного сечения образца, см 2 , выбираемая по табл. 8.68.

Условная площадь поперечного сечения образца

Диаметр образца: (диска), мм

Условная площадь S0, см 2 :

при пуансоне диаметром 11,27 мм

при пуансоне диаметром 7,89 мм

обозначения:

1верхний шток;

2образец;

3пуансон;

4вкладыш;

5нижний шток;

6корпус

Рис. 8.57. Схема нагрузочного устройства для разрушения образцов-плиток

Условная площадь поперечного сечения образца получена экспериментально и в неявной форме отражает зависимость между пределом прочности породы при одноосном сжатии и прочностью породы в условиях всестороннего сжатия в объеме, заключенном непосредственно между пуансонами и окружающей этот объем породной матрицей [22].

Крепость скальных пород оценивают коэффициентом крепости (f) – условной характеристикой сопротивляемости разрушению породы по формуле: f = Rc/100.

Сопротивление породы сжатию зависит от минералогического состава, текстуры, структуры, характера цемента и степени выветрелости. Структурно-текстурные особенности грунтов являются самым важным внутренним фактором, определяющим величину временного сопротивления сжатию. При испытаниях на одноосное сжатие наибольшие значения Rc (при прочих одинаковых условиях) будут характерны для скальных грунтов с проч­ими фазовыми (цементационными и кристаллизационными) контактами, а наименьшие – для грунтов со смешанными или переходными (точечными) контактами. При этом характер диаграммы «нагрузка-деформация», а также тип деформирования будет различным для хрупких, хрупко-пластичных и пластичных грунтов.

У различных типов скальных грунтов прочность на одноосное сжатие меняется в широких преде­лах: наибольшая у магматических и метаморфических грунтов, а наименьшая у осадочных скальных грунтов и выветрелых разностей (табл. 8.69).

Временное сопротивление сжатию основных типов скальных грунтов [50]

Группы скальных грунтов

Подгруппы и типы грунтов

Временное сопротивление сжатию Rс МПа

Интрузивные:

Известняки:

Дисперсность грунтов также оказывает сильное влияние на параметры прочности. С ростом дисперсности (уменьшением размера частиц, зерен, кристаллов и др.) в еди­нице объема грунта увеличивается число контактов между структурными эле­ментами, вследствие этого увеличивается и прочность структуры в целом. По­этому, мелкозернистые и мелкокристаллические скальные грунты всегда имеют большие значения прочности на сжатие, чем их крупнозернис­тые или крупнокристаллические разности при прочих одинаковых условиях. Наибольшей прочностью характеризуются равнозернистые и мелкозернистые кристаллические породы – базальты, кварциты и др.

Большое влияние на прочность оказывают однородность структуры. Наличие в структуре грунта неоднородностей различного порядка, представленных дефектами кристаллов, микротрещинами, пустотами, порами и другими фор­мами, приводит к снижению прочности на сжатие, так как любая неодно­родность может стать «зародышем» магистральной трещины или поверхности разрушения. Поэтому наибольшей прочностью на сжатие при прочих одинаковых условиях обладают скальные грунты с наиболее однородной, «бездефектной» структурой. Такая структура характерна для многих равномерно зернистых разностей магматических (например, гранитов) и метаморфических грунтов (мраморов, кварцитов и др.), а также многих типов осадочных скальных грунтов (хемогенных известняков, доломитов, песчаников, алевролитов аргиллитов). Все эти грунты с однородной структурой, как правило, отличаются более высокими прочностными характеристиками по сравнению с их неоднородными разностями.

Состав и количество жидкости влияет на удельную поверхностную энергию скального грунта и тем самым влияет на величину работы, совершаемой по разрыву структурных связей, поэтому контакт твердой фазы грунта с поверхностно-активной средой (жидкостью или газом) приводит к снижению прочности (эффект Ребиндера). В грунтах такой поверхностно-активной средой чаще всего является вода и водные растворы. Вода, внедряясь по порам и микротрещинам в глубь грунта, ослабляет струк­турные связи и увеличивает дефектность структуры грунта в целом и в результа­те этого любой водонасыщенный грунт всегда имеет более низкую прочность. чем тот же грунт в сухом состоянии.

Пористость и трещиноватость грунтов, являясь элементами их неоднород­ностей, влияют на значения параметров прочности однозначно: чем больше пористость и трещиноватость грунта, тем ниже значения его временного со­противления сжатию. Поскольку с увеличением степени выветрелости грун­тов обычно увеличивается их и трещиноватость, то при этом снижаются и их прочностные показатели. Выветрелые разности любых грун­тов всегда имеют более низкую прочность на одноосное сжатие [50].

Для предварительной оценки оснований, сложенных из элювиальных магматических пород и осадочных сцементированных пород допускается использовать значения предела прочности на одноосное сжатие в водонасыщенном состоянии Rc грунтов, приведенные в табл. 8.70–8.71.

Средние значения физических характеристик и предела прочности на одноосное сжатие Rc элювиальных магматических пород

Разновидность элювиальных грунтов по степени выветрелости

Характеристики элювиальных скальных грунтов магматических пород

Плотность , г/см 3

Коэффициент пористости е

Степень размягчаемости в воде

5  Rc  15

Определение деформационных показателей скальных грунтов [40]. Сущность метода заключается в измерении сжимающей силы, приложенной к торцам образца, продольных и поперечных деформаций его, вызванных этой силой. Метод предусматривает знание или определение предела прочности при одноосном сжатии испытываемой породы. Деформационные характеристики горных пород следует определять в диапазоне требуемых напряжений, при этом диапазон напряжений от 5 до 50 % от предела прочности при одноосном сжатии является обязательным.

Испытания образцов проводят для определения зависимостей «напряжение – деформация» и следующих деформационных характеристик горных пород с пределом прочности при одноосном сжатии не менее 5 МПа:

  • модуля упругости Е, МПа;
  • коэффициента Пуассона μ;
  • модуля деформации Е0МПа;
  • коэффициента поперечной деформации ν.

Значения предела прочности на одноосное сжатие элювиальных осадочных сцементированных пород

выветрелости Kwr

Значения Rc, МПа, для элювиальных осадочных скальных грунтов

Песчаники с преобладанием цемента

1 > Kwr  0,95

0,95 > Kwr  0,9

0,9 > Kwr  0,85

0,85 > Kwr  0,8

Kwr менее 0,8

Для определения пределов прочности горных пород применяют: установку колонкового бурения или станок вертикально-сверлильный по или радиально-сверлильный для выбуривания образцов из проб горных пород; машину камнерезную, снабженную отрезными алмазными кругами диаметром не менее 250 мм; стойку с индикатором часового типа; пресс с гидравлическим приводом или универсальную испытательную машину мощностью на 20–30 % превышающей разрушающую силу; индикаторы многооборотные с ценой деления 0,001 мм или индикаторы часового типа с ценой деления 0,01; тензорезисторы – для измерения относительных деформаций; тензометры обеспечивающие измерение продольных и поперечных деформаций образцов с погрешностью не более 2 %; приборы и устройства, обеспечивающие точность измерения регистрации относительных деформаций и нагрузок не менее 2 %, клей для наклейки тензорезисторов.

Для испытания изготовляют цилиндрические или призматические (с квадратным сечением) образцы. Образцы вырезают на камнерезной машине из штуфов или кернов, их торцевые поверхности шлифуют; при необходимости шлифуют боковые поверхности. Образцы из гигроскопических пород изготовляют без применения промывочной жидкости и до начала испытания хранят в эксикаторе. Размеры образцов должны соответствовать следующим требованиям: диаметр d (сторона квадрата a) при массовых испытаниях от 30 до 90 мм (h:d= 2,0 ± 0,1), при сравнительных испытаниях 42±2 мм, (h:d=2,00±0,05). Диаметр (сторона квадрата) образцов должен быть не менее 10–кратного линейного размера зерен (неоднородностей), слагающих породу. Измерения производят штангенциркулем с погрешностью не более ± 0,1 мм. Количество образцов при сравнительных испытаниях должно быть не менее 5, при массовых испытаниях – не менее 3. Образцы должны иметь одинаковые размеры, допускается отклонение значений диаметра (сторон квадрата) каждого образца от среднего арифметического не более ± 1 мм и высоты не более ± 3 мм.

Количество чувствительных элементов датчиков деформаций, закрепляемых на образце, должно быть не менее двух для каждого вида деформаций (рис. 8.58). Их располагают равномерно по периметру в средней по высоте части боковой поверхности образца без наложения друг на друга. Для измерения поперечных деформаций должны применяться только фольговые тензорезисторы. Образец, оснащенный датчиками деформаций, устанавливают на испытательной машине (прессе), датчики деформаций подключают к регистрирующей аппаратуре.

Образец нагружают до начального напряжения σ0 (напряжения пригрузки), составляющего 5 % от предела прочности при одноосном сжатии (σ0 = 0,05Rс). Значения деформаций при напряжении σ0 принимают за условный ноль отсчета деформаций. Индикаторы часового типа устанавливают в положение нулевого отсчета с натягом на 1–2 оборота большой стрелки.

Деформации образца регистрируют не менее чем при десяти значениях напряжения сжатия в процессе нагружения до максимального заданного значения и при последующей разгрузке до σ0 регистрируют деформации также не менее чем при десяти значениях напряжения.

При дискретной записи отсчетов интервал времени между отсчетами не должен превышать 10 с при нагружении и разгрузке образца. Продолжительность остановки при переходе от нагружения к разгрузке не должна превышать 30 с.

Значения нагрузок Р, зафиксированные силоизмерителем испытательной машины (пресса), и соответствующие им показания приборов для деформаций (продольных ε1 и поперечных ε2) записывают в журнал испытаний. При необходимости определяют влажность испытанного образца.

Рис. 8.59. Зависимости напряжений σ от деформаций ε

По результатам испытаний строят графики зависимостей «напряжение σ – деформация ε» (рис. 8.59), на которых каждому зафиксированному уровню напряжений σ0, σн, σк, σт соответствуют относительные деформации образца: продольные при нагружении ε10, ε, ε, ε и при разгрузкеε10’, ε’, ε’, ε’; поперечные нагружении ε20, ε, ε, ε и при разгрузкеε20’, ε’, ε’, ε2т’ [40].

Модуль деформации Е и коэффициент поперечной деформации в заданном диапазоне напряжений (σн–σк) определяются по нагрузочным ветвям зависимостей σ–ε по формулам 8.4 и 8.5. Модуль упругости и коэффициент Пуассона определяются в этом же диапазоне напряжений по разгрузочным ветвям зависимостей σ–ε по этим же формулам.

При использовании тензометров, измеряющих абсолютные деформации, рассчитывают относительные деформации образца по формулам: ε1l/l, ε2d/d (Δа/а), где l – база измерения продольных деформаций образца, мм; Δl изменение базы при изменении нагрузки на образец, мм; d(a) – диаметр (сторона квадрата) образца, мм; Δd/Δа изменение диаметра (стороны квадрата) при изменении нагрузки на образец, мм.

Обработку результатов испытаний n образцов производят в следующем порядке. Вычисляют до второй значащей цифры средние арифметические значения по пробе для Е0, ν, μ, Е, их средние квадратические отклонения и коэффициенты вариации, разделив средние квадратические отклонения на средние арифметические значения.

Упругость скальных грунтов. Скальные грунты сразу после приложения нагрузки в значительном диапазоне напряжений проявляют упругие свойства, поэтому для характеристики их деформационных свойств в основном используют модуль упругости (Е) и коэффициент Пуассона (ν). На величину значений показателей деформационных свойств скальных грунтов оказывает влияние не только способ испытаний грунтов, но и особенности их состава и строения. Диапазон изменения упругих констант у скальных грунтов основных типов приведен в табл. 8.72, из которой следует, что среди магматических интрузивных грунтов наибольшая упругость характерна для основных и ультраосновных разностей (оливинитов, перидотитов и пироксенитов): чем при больших давлениях образовалась порода, тем выше ее упругие характеристики.

Среди магматических эффузивных и метаморфических скальных грунтов при прочих одинаковых условиях наибольшая упругость отмечается у наиболее однородных и нетрещиноватых грунтов. Среди осадочных скальных грунтов наибольшей упругостью обладают песчаники с кварцевым и железистым цементом, содержащие магнетит и гематит, имеющие высокие упругие константы.

Влияние минерального состава на упругие свойства грунтов наиболее сильно проявляется при сравнении мономинеральных грунтов или при сравнении низкопористых скальных грунтов. Наличие в грунте слюдистых минералов, также гипса, серпентина понижает упругие характеристики грунта, тогда как примесь темноцветных минералов, жадеита и корунда повышает их.

Другим важным фактором, влияющим на деформационные свойства скальных грунтов, являются их структурно-текстурные особенности. Для пористых трещиноватых скальных грунтов определяющим фактором их упругости является величина пористости и трещинной пустотности Увеличение пористости и трещинной пустотности (например, при выветривании) во всех типах скальных грунтов приводит к снижению величины их упругих характеристик.

Величина коэффициента Пуассона для всех скальных грунтов увеличи­вается с водонасыщением грунта (при статических и динамических определе­ниях). Из табл. 8.72 также следует различие величин модулей упругости и коэффициентов Пуассона скальных грунтов.

Магматические и особенно метаморфические скальные грунты проявля­ют анизотропию упругих свойств – зависимость величины упругих парамет­ров от направления деформирования, а точнее от степени ориентации струк­турных элементов (текстуры). Наименьшей анизотропией характеризуются изверженные грун­ты с массивной текстурой, а наибольшей – метаморфические грунты с ориен­тированной текстурой – гнейсы, сланцы, а также осадочные грунты со слои­стой текстурой. Модуль деформации в направлении, параллельном слоистости, всегда выше, чем в направлении перпендикулярном слоистости.

Существенное влияние на упругие характеристики скальных грунтов ока­зывает характер заполнителя пор и трещин. Воздушно-сухие грунты имеют более низкие значения динамических упругих констант чем водонасыщенные, так как воздух не обладает упругостью по сравнению с водой, по этой же причине трещиноватые скальные грунты с минераль­ным заполнителем обладают большей упругостью, чем без заполнителя. Ста­тические же модули упругости Е грунтов, наоборот, снижаются при водонасыщении образцов, так как вода обусловливает некоторое проявление грунтами пластических свойств. Причем влияние водонасыщения на упругие константы тем больше, чем выше пористость и трещиноватость грунта.

Деформационные свойства скальных грунтов [50]

Модуль упругости Е, ГПа

Модуль сдвига G, ГПа

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

Настоящий стандарт распространяется на твердые горные породы с пределом прочности при одноосном сжатии не менее 5 МПа и устанавливает метод определения их деформационных характеристик при одноосном сжатии образцов.

Стандарт не распространяется на мерзлые горные породы.

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Испытания образцов проводят для определения следующих деформационных характеристик:

зависимостей «напряжение — деформация»;

модуля упругости Еу;

модуля деформации Ед;

коэффициента поперечной деформации .

1.2. Сущность метода заключается в измерении сжимающей силы, приложенной к торцам образца, продольных и поперечных деформаций его, вызванных этой силой.

1.3. Метод предусматривает знание или определение предела прочности при одноосном сжатии испытываемой породы по ГОСТ 21153.2.

1.4. Деформационные характеристики горных пород следует определять в диапазоне требуемых напряжений. При этом диапазон напряжений от 5 до 50 % от предела прочности при одноосном сжатии является обязательным.

2. МЕТОД ОТБОРА ПРОБ

Отбор проб — по ГОСТ 21153.0 со следующими дополнениями:

размеры и объем пробы должны обеспечить изготовление образцов необходимых размеров и количества, указанных в п.п. 4.4, 4.11, 4.12;

допускается взамен парафинирования производить консервацию проб негигроскопических пород битумированной бумагой по ГОСТ 515, полиэтиленовой пленкой по ГОСТ 10354 или другими водонепроницаемыми материалами, не вступающими в химическое взаимодействие с горными породами;

при необходимости отбор проб сопровождают определением влажности по ГОСТ 5180 (для карналлита — по ГОСТ 16109).

3. ОБОРУДОВАНИЕ, ИНСТРУМЕНТЫ И МАТЕРИАЛЫ

Для подготовки и проведения испытаний применяют оборудование, инструменты и материалы по ГОСТ 21253.2 (разд. 1) со следующими дополнениями:

индикаторы многооборотные с ценой деления 0,001 мм по ГОСТ 9696 или индикаторы часового типа с ценой деления 0,01 мм по ГОСТ 577 — для измерения деформаций образца;

тензорезисторы по ГОСТ 21616 — для измерения относительных деформаций, в том числе тензорезисторы типов ФКП, ФКТ — для измерения относительных поперечных деформаций образца;

тензометры любой конструкции (индикаторный, тензорезисторный, индуктивный, лазерный, оптический, емкостной и т.п.), отвечающие требованиям ГОСТ 18957 и обеспечивающие измерение продольных и поперечных деформаций образцов с погрешностью не более 2 %;

приборы и устройства, обеспечивающие точность измерения регистрации относительных деформаций и нагрузок не менее 2 %, например, цифровой тензометрический мост (ЦТМ-5, ИДЦ-1) или самопишущий потенциометр (ПДП-4);

клей типа БФ-2 по ГОСТ 12172 или циакрин ЭО по ТУ 6-09-30-86 — для наклейки тензорезисторов;

спирт этиловый ректификованный технический по ГОСТ 18300, ацетон по ГОСТ 2768 — для очистки поверхностей склеивания;

паяльник по ГОСТ 7219;

припой ПОЛС-61 по ГОСТ 21931;

флюс канифольный по ГОСТ 19113.

4. ПОДГОТОВКА К ИСПЫТАНИЮ

4.1. Для испытания изготовляют цилиндрические или призматические (с квадратным сечением) образцы.

4.2. Образцы выбуривают или вырезают на камнерезной машине из штуфов или кернов, их торцевые поверхности шлифуют; при необходимости шлифуют боковые поверхности до обеспечения требований п.п. 4.5 и 4.6.

4.3. Образцы из гигроскопических пород изготовляют без применения промывочной жидкости и до начала испытания хранят в эксикаторе. Допускается применение в качестве промывочной жидкости силиконового или трансформаторного масла по ГОСТ 982, а также других жидкостей, не вступающих в химическое взаимодействие с горными породами.

4.4. Размеры образцов должны соответствовать указанным в табл. 1.

Наименование параметра образца

Массовые испытания

Сравнительные испытания

Диаметр d (сторона квадрата a ), мм

От 30 до 90 включ.

Отношение высоты h к диаметру (стороне квадрата)

Примечание. Диаметр (сторона квадрата) образцов должен быть не менее 10-кратного линейного размера зерен (неоднородностей), слагающих породу.

Измерения производят штангенциркулем с погрешностью не более ± 0,1 мм. Диаметр (сторону квадрата) измеряют в средней части образца в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Допускается разность диаметров (сторон квадрата) по этим измерениям не более 1,0 мм. За расчетный диаметр (сторону квадрата) принимают среднее арифметическое результатов измерений.

4.5. Торцевые поверхности образца должны быть плоскими, параллельными друг другу и перпендикулярными к боковой поверхности.

Неплоскостность (выпуклость, вогнутость) проверяют линейкой штангенциркуля или боковой поверхностью слесарного угольника на отсутствие просвета.

Отклонения от перпендикулярности образующей к торцам образца контролируют слесарным угольником на отсутствие просвета в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

4.6. Образующие боковых поверхностей образца должны быть прямолинейными по всей его высоте.

Отклонение от прямолинейности контролируют линейкой штангенциркуля или боковой поверхностью слесарного угольника на отсутствие просвета.

Допускаемая шероховатость поверхности образца в зоне контакта с датчиками деформации (тензорезисторами или тензометрами) — не более 0,2 мм.

4.7. Образцы должны иметь одинаковые размеры. Допускается отклонение значений диаметра (сторон квадрата) каждого образца от среднего арифметического не более ± 1 мм и высоты не более ± 3 мм.

4.8. База измерения деформации должна быть не менее 15 мм, и превышать линейный размер зерен (неоднородностей), слагающих образец, не менее чем в 10 раз и располагаться симметрично по отношению к середине образца. База измерения продольной деформации l не должна превышать диаметр (сторону квадрата) образца.

4.9. Количество чувствительных элементов датчиков деформаций, закрепляемых на образце, должно быть не менее двух для каждого вида деформаций. Их располагают равномерно по периметру в средней по высоте части боковой поверхности образца без наложения друг на друга. Возможное расположение чувствительных элементов (тензорезисторов) на боковой поверхности образца показано на черт. 1. Для измерения поперечных деформаций должны применяться только фольговые тензорезисторы.

1 — образец; 2 — тензорезистор поперечных деформаций; 3 — тензорезистор продольных деформаций; 4 — образующая

4.10. Наклейка тензорезисторов на боковую поверхность образца производится в соответствии с их эксплуатационной документацией.

4.11. Количество образцов при сравнительных испытаниях должно быть не менее 5 при условии обеспечения надежности результатов не менее 90 % и относительной погрешности не более 10 %.

4.12. Количество образцов при массовых испытаниях должно быть не менее 3 при условии обеспечения надежности результатов не ниже 80 % и относительной погрешности не более 20 %.

4.13. Определение фактической надежности результатов испытаний и уточнение необходимого числа образцов n для достижения заданной надежности производят в соответствии с приложением 1.

5. ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЯ

5.1.Образец, оснащенный датчиками деформаций, устанавливают на испытательной машине (прессе) в соответствии с ГОСТ 21153.2 (разд. 1).

5.2. Датчики деформаций подключают к регистрирующей аппаратуре.

5.3. Образец нагружают до начального напряжения (напряжения пригрузки), составляющего 5 % от предела прочности при одноосном сжатии ( = 0,05 ).

Значения деформаций при напряжении принимают за условный ноль отсчета деформаций. Индикаторы часового типа устанавливают в положение нулевого отсчета с натягом на 1-2 оборота большой стрелки.

5.4. Деформации образца регистрируют не менее чем при десяти значениях напряжения сжатия в процессе нагружения до максимального заданного значения и при последующей разгрузке до регистрируют деформации также не менее чем при десяти значениях напряжения.

5.5. При дискретной записи отсчетов интервал времени между отсчетами не должен превышать 10 с при нагружении и разгрузке образца.

Продолжительность остановки при переходе от нагружения к разгрузке не должна превышать 30 с.

5.6. Значения нагрузок Р, зафиксированные силоизмерителем испытательной машины (пресса), и соответствующие им показания приборов для деформаций (продольных и поперечных ) записывают в журнал испытаний в соответствии с приложением 2.

5.7. При необходимости определяют влажность испытанного образца. Для этого после завершения испытания образец освобождают от датчиков деформации и разрушают его; обломки образца помещают в бюксы и сразу же взвешивают. Дальнейшие операции — по ГОСТ 5180 (для карналлита — по ГОСТ 16109). Влажность фиксируют в журнале испытаний.

6. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

6.1. По результатам испытаний строят графики зависимостей «напряжение — деформаиця » (черт. 2), на которых каждому зафиксированному уровню напряжений , , , соответствуют относительные деформации образца: продольные при нагружении , , , и разгрузке , , , ; поперечные — при нагружении , , , и разгрузке , , , .

6.2. Модуль деформации Ед и коэффициент поперечной деформации в заданном диапазоне напряжений ( ) определяются по нагрузочным ветвям зависимостей по формулам:

модуль деформации (Ед) в МПа

коэффициент поперечной деформации ( )

Модуль упругости (Еу) и коэффициент Пуассона ( ) определяются в этом же диапазоне напряжений по разгрузочным ветвям зависимостей по формулам:

модуль упругости (Еу) в МПа

напряжения в конце и начале диапазона при нагружении или разгрузке, МПа;

относительные продольные деформации образца в конце и начале диапазона при нагружении;

относительные поперечные деформации образца в конце и начале диапазона при нагружении;

относительные продольные деформации образца в конце и начале диапазона при разгрузке;

относительные поперечные деформации образца в конце и начале диапазона при разгрузке.

6.3. При использовании тензометров, измеряющих абсолютные деформации, рассчитывают относительные деформации образца по формулам:

база измерения продольных деформаций образца, мм;

изменение базы при изменении нагрузки на образец, мм;

d ( a )

диаметр (сторона квадрата) образца, мм;

изменение диаметра (стороны квадрата) при изменении нагрузки на образец, мм.

6.4. Обработку результатов испытаний n образцов производят в следующем порядке.

Вычисляют средние арифметические значения по пробе для , , Еу, , средние квадратические отклонения и коэффициенты вариации по формулам:

ГОСТ 12248-2010 Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости (с Поправкой)

5.2.1.1 Испытание грунта методом одноосного сжатия проводят для определения предела прочности на одноосное сжатие для полускальных и глинистых грунтов с 0,25.

По специальному заданию для полускальных грунтов может быть определен модуль деформации, модуль упругости, коэффициент поперечной деформации и коэффициент Пуассона.

5.2.1.2 Предел прочности на одноосное сжатие определяют как отношение приложенной к образцу вертикальной нагрузки, при которой происходит разрушение образца, к площади его первоначального поперечного сечения.

Примечание — Предел прочности образца глинистого грунта, имеющего относительную вертикальную деформацию в момент разрушения 0,1, определяют с учетом увеличения площади его поперечного сечения.

5.2.1.3 Для испытаний используют образцы грунта ненарушенного сложения.

Для полускальных грунтов влажность образца должна соответствовать природной влажности, воздушно-сухому или водонасыщенному состоянию, для глинистых грунтов — природной влажности.

5.2.1.4 Для полускальных грунтов образец должен иметь форму цилиндра или прямоугольного параллелепипеда (квадратного сечения) диаметром (стороной квадрата) от 40 до 100 мм и отношением высоты к диаметру, равным 1,8-2,0. Максимальный линейный размер зерен (неоднородностей) в образце должен быть не более 1/10 диаметра (стороны квадрата) образца. Образцы полускального грунта изготавливают в соответствии с ГОСТ 30416.

Для глинистых грунтов образец должен иметь форму цилиндра диаметром не менее 38 мм и отношением высоты к диаметру, равным 1,8-2,5. Максимальный размер фракции грунта (включений, агрегатов) в образце должен быть не более 1/6 диаметра образца.

1 Диаметр (сторона квадрата) образца трещиноватого или выветрелого полускального грунта должен(а) быть не менее 60 мм.

2 Образец полускального грунта, имеющий сквозные трещины, видимые невооруженным глазом, к испытанию не допускается.

5.2.2 Оборудование и приборы

В состав установки для испытания грунта на одноосное сжатие должны входить:

— механизм для вертикального нагружения образца;

— устройство для измерения вертикальной деформации образца;

— устройство для измерения поперечной деформации образца (по заданию).

Примечание — Плиты пресса для нагружения образца должны быть отполированы или применены другие способы для уменьшения трения.

5.2.3 Подготовка к испытанию

5.2.3.1 Образец грунта изготавливают с учетом требований 5.2.1.3 и 5.2.1.4.

Для всех образцов, помимо определения необходимых физических характеристик, должны быть отмечены характерные особенности (слоистость, трещиноватость, наличие включений и др.).

5.2.3.2 Образец глинистого грунта, изготовленный методом режущего кольца, извлекают из кольца с помощью выталкивателя.

5.2.3.3 Образец грунта помещают в центре опорной плиты пресса и приводят в соприкосновение с ним верхнюю площадку пресса.

5.2.3.4 Устанавливают устройства для измерения вертикальной нагрузки, вертикальной и поперечной деформации образца и записывают их начальные показания.

5.2.4 Проведение испытания

5.2.4.1 Нагружение образца полускального грунта проводят равномерно, без ударов, увеличивая нагрузку непрерывно с заданной скоростью нагружения или ступенями. Скорость непрерывного нагружения образца полускального грунта должна составлять в зависимости от значения 0,1-0,5 МПа/с, а при ступенчатом нагружении — приниматься равной 10% значения .

Нагружение образца глинистого грунта проводят с заданной скоростью приращения относительной вертикальной деформации образца, выбирая ее в зависимости от предполагаемой прочности грунта так, чтобы время проведения испытания составило 2-15 мин, что обычно соответствует скорости 0,5% — 2% за 1 мин. Более низкую скорость выбирают для образцов с меньшими деформациями при разрушении.

5.2.4.2 Вертикальные деформации образца измеряют с погрешностью 0,01 мм для глинистых грунтов и 0,001 мм — для полускальных грунтов и регистрируют их в процессе нагружения не менее чем при 10 значениях напряжения до разрушения.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *