Компрессионные испытания пород

 

Цель: определить деформационные показатели породы (модуль общей деформации, коэффициент сжимаемости и модуль осадки).

 

3.1. Подготовка к испытаниям

 

3.1.1. При помощи струбцины нижнюю часть прибора надёжно прикрепляют к лабораторному столу. С верхней части при-бора снимают цилиндр с траверсой и поршнем. Горизонтальные упорные винты, находящиеся у основания прибора и фиксирующие неподвижность каретки, завинчивают до отказа.

3.1.2. На режущую заострённую часть гильзы надевают направляющий цилиндр механизма перемещения образцов породы в прибор и при помощи поршня образец осторожно перемещают в прибор. По верхней и нижней плоскостям образца породы пред-варительно прокладывают листки фильтровальной бумаги.

3.1.3. Освобождённую от породы гильзу снимают, устанавливают на место верхнюю часть прибора, плотно прижимают к поверхности породы поршень и закрепляют его винтом. В соответствующем гнезде закрепляют индикатор так, чтобы его подвижная часть была вдвинута на 70–80 % свободного хода, после чего поворотная шкала индикатора устанавливается на нулевом делении.

3.1.4. Устанавливают и уравновешивают рычажную систему для вертикальной нагрузки и отпускают винт поршня.

 

3.2. Проведение испытаний

 

3.2.1. Нагрузка на образец прикладывается ступенями с помощью грузов, размещаемых на подвесе рычажной системы.

ВНИМАНИЕ: При навешивании гирь необходимо следить за тем, чтобы каждая очередная гиря на подвесе была повернута на 180^º относительно предыдущей.

3.2.2. Величину ступени нагрузки задаёт преподаватель. Мо-гут быть рекомендованы следующие степени (по массе груза): 0,1; 0,2; 0,3; 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0 кг. Масса груза для каждой ступени нагрузки m_i записывается в табл. 1.

 

Таблица 1

 

Результаты компрессионных испытаний

 

Масса груза на подвесе, кг	Давление , МПа	Показания индикатора , дел.	Абсолютная деформация мм	Относительная деформация	Коэффициент пористости,	Коэффициент сжимаемости , МПа–1	Модуль общей деформации МПа	Модуль осадки , мм/м
						7

 

3.2.3. После стабилизации деформации образца под нагрузкой снимают отсчёт с индикатора N_i и заносят в табл. 1.

За критерий стабилизации принимать снижение скорости деформации образца до 0,01 мм/мин.

3.2.4. Каждая последующая ступень нагрузки прикладывает-ся только после достижения стабилизации деформации образца после предыдущей нагрузки.

3.2.5. После окончания испытаний исследуемый образец породы выгружают из прибора, загрязнённые части прибора тщате-льно промывают и вытирают насухо и прибор вновь собирают.

 

3.3. Расчёт показателей

 

3.3.1. Давление (МПа), создаваемое на образце с помощью грузов массой m_i, рассчитывают по формуле

 

, (1)

где g – ускорение свободного падения, м/с²; F = 25×10^–4 м² – площадь поперечного образца, м²; f = 25 – передаточное число рыча-жной системы.

3.3.2. Абсолютная деформация образца под нагрузкой (мм) определяется как

 

(2)

 

где – показание индикатора, дел.; 0,01 – цена деления шкалы индикатора, мм/дел.

3.3.3. Относительную деформацию образца определяют по формуле

 

, (3)

 

где – начальная высота образца, мм.

3.3.4. Коэффициент пористости для соответствующей ступени нагрузки рассчитывают как

 

(4)

 

где – значение коэффициента пористости (при ), которое принимается по результатам предыдущей лабораторной работы [6] или задаётся преподавателем.

3.3.5. Коэффициент сжимаемости (МПа^–1) находят по выражению

 

(5)

 

3.3.6. Модуль общей деформации (МПа) определяют из зависимости

 

, (6)

 

где – множитель для перехода от сжатия без возможности бокового расширения при компрессионных испытаниях к сжатию, имеющему место в натуре (численно его принимают равным: для песков 0,76; для супесей 0,72; для суглинков 0,57; для глин 0,43).

3.3.7. Модуль осадки (мм/м), показывающий величину сжатия в миллиметрах слоя породы высотой 1 м при приложении к нему нагрузки , определяют как

 

. (7)

 

3.3.8. Рассчитанные по формулам (1)–(7) показатели заносят в табл. 1.

 

3.4. Обработка и анализ результатов испытания

 

3.4.1. По результатам испытаний построить график зависимости относительных деформаций от вертикального давления . Вертикальная ось направляется вниз.

При построении графика рекомендуется принимать следую-щие масштабы:

для давления (по горизонтали): 0,025 МПа – 10 мм;

для относительной деформации (по вертикали): 0,01 МПа – 10 мм.

Точки графика (, ) соединить плавной кривой с помощью лекала (рис. 3).

3.4.2. По характеру наклона кривой графика составить заключение о поведении породы под вертикальными нагруз-ками: более прочные породы характеризуются пологими кривы-ми; слабые породы уплотняются сильнее, и их компрессионные кривые имеют более крутой наклон.

3.4.3. По табл. 2, используя значения коэффициента сжимае-мости и модуля осадки при давлении МПа, установить категорию пород по сжимаемости.

 

Рис. 3. Компрессионная кривая

Таблица 2

 

Классификация пород по сжимаемости (по Н. Н. Маслову)

 

Категория породы по сжимаемости	Характеристика сжимаемости	Коэффициент сжимаемости, МПа–1	Модуль осадки, мм/м
	практически несжимаемая	< 0,001	< 1
I	слабосжимаемая	0,001–0,005	1–5
II	среднесжимаемая	0,005–0,01	5–20
III	повышенносжимаемая	0,01–0,1	20–60
IV	сильносжимаемая	> 0,1	> 60

 

ИСПЫТАНИЕ ПОРОД НА СДВИГ

 

4.1.1. Для определения прочностных свойств песчаных и глинистых пород необходимо провести сдвиговые испытания трёх образцов, нагруженных различными вертикальными нагрузками (0,1; 0,2 и 0,3 МПа), в связи с чем все студенты должны быть разделены на 3 бригады.

4.1.2. Прибор прикрепляют к лабораторному столу, упорные горизонтальные винты завинчивают до отказа и загружают иссле-дуемую породу.

4.1.3. Устанавливают и уравновешивают рычажную систему для вертикальной нагрузки. Рычаг с подвесом для горизонтальной нагрузки присоединяют к каретке. В соответствующих гнездах закрепляют индикаторы для замера деформации сжатия и деформации сдвига.

4.1.4. Отпускают винт поршня и прикладывают необходимую вертикальную нагрузку (бригада № 1 – 0,1 МПа; № 2 – 0,2 МПа и № 3 – 0,3 МПа).

4.1.5. После условной стабилизации вертикальной деформации образца отвинчивают горизонтальные упорные винты каретки и приступают к горизонтальному нагружению образца.

В данном опыте рекомендуется считать, что стабилизация вертикальной деформации наступает через 15 минут после наг-ружения образца.

4.1.6. Горизонтальную нагрузку прикладывают ступенями величиной 0,01 МПа, что соответствует массе груза на рычаге 0,1 кг.

Масса рычага с подвесом для горизонтальной нагрузки создает дополнительное сдвигающее усилие, равное 0,011 МПа, которое следует прибавлять при подсчёте сдвигающей нагрузки (МПа), т. е.

(8)

 

где – масса груза на подвесе рычага горизонтальной нагрузки, кг; – передаточное число рычага; F = 25·10^–4 м² – площадь поперечного сечения образца.

Каждую ступень горизонтальной нагрузки выдерживают до условий стабилизации деформации сдвига, за которую принимают скорость сдвига, не превышающую 0,01 мм/мин.

Значения горизонтальной нагрузки и соответствующие отс-чёты заносят в табл. 3.

4.1.7. За сдвигающую принимают нагрузку , при которой по показаниям индикатора отмечается резкое нарастание нестабилизируемой деформации сдвига. Каретка прибора при срезе пе-ремещается и упирается в стойки прибора. Значение записывают в табл. 3.

 

Таблица 3

Результаты испытаний на сдвиг

 

Нормальное давление , МПа	Касательное напряжение , МПа	Показания индикатора	Деформация сдвига	Сопротивление сдвигу , МПа
0,1
0,2
0,3

 

4.1.8. Значения сопротивлений сдвигу при других величинах заносят в таблицу по результатам опытов остальных двух бригад студентов.

 

4.2. Обработка и анализ результатов испытаний

 

4.2.1. Обработка и анализ результатов испытаний включает:

– построение графиков зависимости деформации породы от сдвигающих усилий

– построение диаграммы зависимости сопротивления породы сдвигу от нормальной нагрузки

– установление параметров, характеризующих прочность пород (коэффициента и угла внутреннего трения и сцепления);

– проверку правильности полученных результатов на сдвиг.

 

4.2.2. При построении графика зависимости деформации по-роды откладываются деформации , а на вертикальной – соответствующие касательные напряжения . Точки , соединяются плавной кривой.

Рекомендуются следующие масштабы графика:

для (по горизонтали) 1 мм – 20 мм;

для (по вертикали) 0,01 МПа – 10 мм;

зависимости должны быть построены для всех трёх

опытов (при = 0,1; 0,2 и 0,3 МПа).

 

Рис. 4. Зависимость деформации породы от сдвигающих усилий

 

При правильно проведённых испытаниях кривые должны проходить тем выше, чем больше значение нормальной нагрузки .

4.2.3. При построении графика зависимости сопротивления горизонтальной оси откладываются значения (0,1; 0,2 и 0,3 сдвигу от нормальной уплотняющей нагрузки (рис. 5) на МПа), а на вертикальной – соответствующие значения сопротивления сдвигу . Масштаб для и должен быть одинаковым. Рекомендуется принять 0,1 МПа = 50 мм.

Через точки (, ) провести прямую линию до пересечения с вертикальной осью.

4.2.4. Полученная зависимость выражается уравнением

(9)

 

где C – сцепление, т. е. часть сопротивления сдвигу, не зависящая от нормального давления и обусловленная наличием и прочностью структурных связей между частицами породы, МПа; tg – коэффициент внутреннего трения (угловой коэффициент зависимости сопротивления породы сдвигу от нормального уплотняющего давления); – угол внутреннего трения.

Уравнение (9) представляет собой аналитическое выраже-ние закона Кулона для связных пород.

 

Рис. 5. Зависимость сопротивления сдвигу от нормальной уплотняющей нагрузки

 

Прочностные параметры C (МПа), tg и (град) устанавливаются по построенной диаграмме, а также могут быть вычислены по результатам проведённых испытаний.

 

 

.

 

4.2.5. Проверка правильности проведённых испытаний зак-лючается в следующем:

– все полученные точки на диаграмме зависимости должны лежать приблизительно на прямой. Допускается отклоне-ние не более 5 % от сдвигающего усилия;

– прямая диаграммы не должна пересекать ось ординат ниже начала координат, и ось абсцисс правее начала координат.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

1. Дайте общие понятия о механических свойствах горных пород.

2. Какие показатели характеризуют прочность горных
пород?

3. Какие показатели характеризуют деформационные свойс-тва горных пород?

4. Опишите устройство компрессионных и сдвиговых приборов.

5. Какие приборы применяют для измерения продольных и поперечных деформаций горных пород при испытаниях на сжатие и сдвиг?

6. Как определяется нормальная нагрузка на образец при ко-мпрессионных и сдвиговых испытаниях?

7. Что такое абсолютная и относительная деформация испытываемого образца породы?

8. Что такое коэффициент сжимаемости, модуль общей деформации и модуль осадки? Единицы измерения.

9. Как можно охарактеризовать деформационные свойства песчаных и глинистых пород по их компрессионным кривым?

10. Порядок подготовки к сдвиговым испытаниям пород на приборе П10-С.

11. Порядок проведения испытаний глинистых пород на сдвиг.

12. Построение диаграммы сопротивления сдвигу глинис-тых пород.

13. Качественные отличия диаграмм сопротивления сдвигу глинистых и песчаных пород.

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ломтадзе, В. Д. Физико-механические свойства горных пород. Методы лабораторных испытаний: учеб. пособие для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. – Л.: Недра, 1990.

2. ГОСТ 12248–78. Грунты. Методы лабораторного определения сопротивления срезу. – М.: Стройиздат, 1982.

3. ГОСТ 26447–85. Породы горные. Метод определения механических свойств глинистых пород при одноосном сжатии. – М.: Стройиздат, 1985.

4. Прибор для испытания грунтов на сдвиг П10-С: Техническое описание и инструкция по эксплуатации. – М., 1987.

5. Гальперин, А. М. Геология: Часть IV. Инженерная геология:учебник для студентов вузов, обучающихся по направлению "Горное дело"/ А. М. Гальперин, В. С. Зайцев. – М.: «Горная книга» МГГУ, 2010. - 568 с. http://www.biblioclub.ru/book/69816/

 

 

Приложение 1

ОСНОВНЫЕ ЕДИНИЦЫ СИ

 

Величина	Единица
наименование	размерность	наименование	обозначение
Длина	L	метр	м
Масса	M	килограмм	кг
Время	T	секунда	с
Сила электрического тока	I	ампер	А
Термодинамическая температура	Θ	кельвин	К
Количество вещества	N	моль	моль
Сила света	J	кандела	кд

 

 

Приложение 2

ВАЖНЕЙШИЕ ПРОИЗВОДНЫЕ ЕДИНИЦЫ СИ

 

Величина	Единица
наименование	размерность	наименование	обозначение
Площадь	L2	квадратный метр	м2
Объём, вместимость	L3	кубический метр	м3
Скорость (линейная)	LT–1	метр в секунду	м/c
Ускорение	LT–2	метр на секунду в квадрате	м/c2
Угловая скорость	T–1	радиан в секунду	рад/c
Угловое ускорение	T–2	радиан на секунду в квадрате	рад/c2
Плотность	L–2M	килограмм на кубический метр	кг/м3
Удельный объём	LM–1	кубический метр на килограмм	м3/кг
Сила, сила тяжести (вес)	LMT–2	ньютон	Н
Давление, нормальное напряжение, касательное напряжение, модуль продольной упругости, модуль сдвига	L–1MT–2	паскаль	Па
Динамическая вязкость	L–1MT–1	паскаль-секунда	Па·с
Кинематическая вязкость	L2T–1	квадратный метр на секунду	м2/с
Поверхностное натяжение	MT–2	ньютон на метр	Н/м
Работа, энергия	L2MT–2	джоуль	Дж
Мощность	L2MT–3	ватт	Вт
Температура Цельсия	Θ	градус Цельсия	oC