Оформление лабораторной работы

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5

Построение графиков ползучести горных пород и определение предела длительной прочности.

Введение

При уменьшении скорости деформирования или скорости нагружения начинает проявляться реономность (зависимость от времени) механических свойств горных пород: проявляются так называемые реологические свойства горных пород. Для характеристики этих свойств пользуются понятиями «ползучесть горных пород» и «релаксация напряжений в горных породах».

Ползучесть горных пород – увеличение деформации горных пород при постоянных напряжениях.

Релаксация напряжений в горных породах – уменьшение напряжений в горных породах при постоянных деформациях.

Реологические свойства обычно изучают в экспериментах на ползучесть горных пород, результатом которых является построение так называемых графиков ползучести – графических зависимостей деформаций горных пород от времени при различных уровнях действующих напряжений.

Метод испытаний

Оборудование для экспериментов на ползучесть может быть как механического действия (пружинные прессы ПП-25, ИГД), так и гидравлического действия (установки ПРГ-000, ВНИМИ). Последнее оборудование, которое является более совершенным, используется в настоящей лабораторной работе.

Принципиальная схема установки ПРГ-000, разработанной для экспериментов на ползучесть при одноосном сжатии, показана на рис.5.1. Источником энергии служит потенциальная энергия сжатого газа (азота) в баллонах 12 – 15, которая создается с помощью сменного баллона высокого давления 11 и передается в баллоны 16 – 18 с компрессорным маслом. Компрессорное масло под давлением поступает в девять испытательных секций (на схеме условно

 

 

показаны только две секции), в каждой из которых осуществляется одновременное нагружение трех образцов породы 1 – 3. Нагружение производится гидравлической системой, состоящей из цилиндра 6 и поршня 5 (гидравлическим прессом).

 

Поршни в гидравлических прессах каждой секции имеют разную площадь поперечного сечения, что обеспечивает передачу различных нагрузок на образцы: 40, 50, 60, 70, 80, 90 % от мгновенной прочности образца на одноосное сжатие. В настоящей лабораторной работе используются образцы каменной соли, имеющей мгновенную прочность на одноосное сжатие порядка 20 30 МПа. Размеры используемых цилиндрических образцов: диаметр – 36 мм., высота – 72 мм. Количество одновременно испытываемых образцов – 27.

 

Жесткость испытательной системы обеспечивается балками 20 – 21 и соединительными болтами 8, по которым скользят направляющие 4 при нагружении системы. При разрушении одного из образцов в испытательной секции нагрузка передается на оставшиеся образцы с помощью металлических стаканов 7.

Контроль за давлением в системе осуществляется манометрами на баллонах и переносными манометрами, закрепленными в тройниках 10. Наполнение баллонов 16 – 18 маслом производится с помощью насосной системы 19.

Продольные деформации образцов по схеме на рис.5.1, а поперечные – по схеме на рис. 5.2. При измерении деформаций используются индикаторы часового типа с ценой деления 0,001 мм. Для измерения продольных деформаций на каждом образце устанавливается один индикатор 9 (см. рис 9.1), а для измерения поперечных деформаций – три индикатора (см. рис.9.2), расположенных в плане через 120° в среднем сечении образца.

Боковая поверхность образцов покрывается 2 – 3 слоями клея, а внутренняя полость металлических стаканов 7 заполняется компрессорным маслом, что предотвращает высыхание или увлажнение образца при длительных испытаниях.

Порядок выполнения работы

При проведении испытаний на ползучесть необходимо определить мгновенную прочность образцов на одноосное сжатие, которая рассчитывается как средняя по результатам испытания 5 – 7 образцов по стандартной методике (см. лабораторную работу №1). Этот показатель необходим для предварительного выбора нагрузок в каждой из шести секций и налаживания гидравлической системы нагружения.

Нагрузка образцов при испытаниях на ползучесть производится последовательно: вначале нагружаются образцы в секции с минимальным давлением. Перед началом испытаний в гидравлические прессы каждой секции подается давление, обеспечивающее нагрузку, равную 0,02 – 0,03 от мгновенной прочности на одноосное сжатие – так называемый условный ноль нагрузки, и снимаются показатели индикаторов. После этого полная нагрузка прикладывается одновременно к трем образцам в секции с минимальным давлением. После полного нагружения образцов, которое продолжается 10 – 20 с из-за инерционности гидравлической системы, вновь снимаются показатели индикаторов, измеряющих продольные и поперечные деформации. Аналогичным образом нагружаются образцы в остальных секциях.

Продолжительность испытаний на ползучесть составляет 1 4 месяца. Испытания могут быть прекращены при достижении одного из следующих давлений:

1. Прекращение изменения деформаций в течение 4 – 6 сут. (в пределах чувствительности измерений);

2. Стабилизации скорости изменения деформаций в течение 4 – 6 сут. (в пределах чувствительности измерений);

3. Разрушение образца.

Измерение деформаций образцов производится через следующие интервалы времени после нагружения: 1 мин., 5 мин., 20 мин., 1 ч, 24 ч и далее один раз в сутки. Результаты наблюдений заносятся в журнал наблюдений, форма которого показана ниже.

Продольные деформации образцов по схеме на рис. 5.1, а поперечные – по схеме на рис. 5.2. При изменении деформаций используются индикаторы часового типа с ценой деления 0,001 мм. Для измерения продольных деформаций на каждом образце устанавливается один индикатор 9 (см.рис. 5.1.), а для измерения поперечных деформаций – три индикатора (см. рис.5.2.), расположенных в плане через 120° в среднем сечении образца.

Расчет абсолютной продольной деформации в мм производится, как среднее по трем индикаторам. Поскольку начальное значение индикаторов составляет 1,000, то расчет производится по формуле ε^абс₃ = (инд1+идк2+инд3 – 3)/3. Относительная деформация рассчитывается . По результатам испытаний строятся графики (кривые) ползучести: , характеризующая изменение во времени интенсивности деформации ; ,характеризующая изменение во времени объемных деформаций , где - время.

На кривых ползучести различают три последовательные стадии деформирования в зависимости от скорости деформирования: затухающая, установившаяся и прогрессирующая или незатухающая ползучесть. Время наступления каждой стадии и ее продолжительность зависят от величины действующих напряжений. Если напряжения не превышают предела длительной прочности σ^∞ то прогресс деформирования носит затухающий характер. В случае превышения σ^∞ развивается незатухающая ползучесть.

Для оценки величины предела длительной прочности по результатам выполненных испытаний проанализируем график изменения объемной деформации во времени.

Техника безопасности

4.1 Соблюдать правила по технике безопасности по проведению лабораторных работ в лабораториях кафедры СП и Ш.

4.2 Управление установкой ПРГ-000 производит преподаватель (учебный мастер), не допускается включение установки студентами.

Оформление лабораторной работы

Работа оформляется в соответствии с требованиями ГОСТ 7.32 – 81

Работа должна содержать:

· краткий конспект по внеаудиторной подготовке к работе;

· результаты испытаний в табличной форме;

· графики (кривые) ползучести и .

Контрольные вопросы

6.1 Дайте определения понятий «ползучесть горных пород» и «релаксация напряжений в горных породах».

6.2 Приведите краткое описание и принцип действия экспериментальной установки ПРГ-000.

6.3 Каким образом осуществляется построение графика .

6.4 Дайте определение параметру реологических свойств горных пород – «пределу длительной прочности горных пород».

Список литературы

7.1 Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механические процессы в породных массивах. – М.: Недра, 1986.

7.2 Методические указания по исследованию ползучести горных пород. – Л.: ВНИМИ, 1973.