Определение предела прочности горных пород при одноосном сжатии

Определение предела прочности горных пород при одноосном сжатии

Целью работы является определение предела прочности горных пород при одноосном сжатии между плитами пресса (по ГОСТ 21153.2—84).

Прочность при одноосном сжатии является наиболее общей и часто используемой характеристикой прочностных свойств горных пород.

Пределом прочности при сжатии называется сжимающее напряжение, при котором образец породы разрушается. Предел прочности вычисляется по формуле

(1)

где Р — сжимающая, разрушающая сила, Н; S — площадь поперечного сечения образца, м².

По ГОСТ 21153.2—84 прочность при одноосном сжатии определяют на образцах правильной формы — призматической или цилиндрической. Испытания проводят на образцах горных пород со стороной квадрата или диаметром 42 ±2 мм.

В соответствии с данным ГОСТом проводят сравнительные или исследовательские испытания горных пород.

При сравнительных испытаниях высота образца горной породы должна превышать его диаметр в 2 раза с отклонением ± 5 %. Количество образцов при сравнительных испытаниях должно быть не менее десяти при надежности результата испытаний не ниже 95 % и относительной погрешности не более 10%.

При исследовательских испытаниях образцов допускается отношение высоты образца h к его диаметру d от 1 до 2. В этом случае количество образцов должно быть не менее шести при надежности результата испытаний восемьдесят процентов и относительной погрешности не более двадцати процентов. Размеры образцов должны соответствовать параметрам, указанным в табл. 12.1.

При всех испытаниях должны быть выдержаны следующие допуски:

· отклонение от параллельности торцов не более одной десятой миллиметра по диаметру образца;

· отклонение от перпендикулярности торцов к образующей цилиндра не более трех десятых миллиметра;

· выпуклость торцов не более трех сотых миллиметра.

Образцы изготовляют выбуриванием или выпиливанием на камнерезной машине из штуфов и кернов, а их торцевые поверхности шлифуют на шлифовальном станке.

Оборудование для проведения испытаний

Испытания проводят на прессах, максимальное усилие которых не менее чем на 20—30 % превышает предельную нагрузку на образец. В процессе испытаний образец устанавливают в центре между стальными плитами пресса и нагружают до разрушения. Для того чтобы нагрузка прикладывалась строго по оси образца, одну из плит пресса соединяют с шаровой опорой. Установка образца под прессом для определения прочности при одноосном сжатии представлена на рис. 12.1.

Рис. 12.1. Установка для определения прочности при одноосном сжатии: 1 – образец; 2 – каленые прокладки; 3 – центрирующее устройство; 4 – плиты пресса.

Проведение испытаний

Скорость нарастания нагрузки до момента разрушения образца должна находиться в пределах 1...5 МПа/с. Нагрузку повышают с постоянной скоростью вплоть до разрушения образца. Фиксируют максимальное значение Р.

Протокол испытаний

Результаты испытаний заносят в таблицу.

Обработка результатов

Предел прочности при одноосном сжатии вычисляют по формуле (1).

Обработку результатов испытаний п образцов производят в следующем порядке. Вычисляют: среднее арифметическое по пробе

12.2. Определение предела прочности горных пород при сжатии в сухом и водонасыщенном состоянии

Целью работы является определение предела прочности горных пород при одноосном сжатии в сухом и водонасыщенном состоянии.

По ГОСТ 30629—99 прочность горных пород в сухом и водонасыщенном состоянии определяют на образцах правильной формы — призматической или цилиндрической. Испытания проводят на пяти образцах горных пород со стороной квадрата или диаметром 45 ± 5 мм. Для горных пород с выраженной слоистостью изготовляют по 10 образцов: 5 вдоль и 5 поперек слоистости. Допускается испытывать керны диаметром от 40 до 110 мм и высотой, равной диаметру, если керны не имеют внешних повреждений.

Снижение прочности при сжатии характеризуют разностью между пределами прочности пород в сухом и водонасыщенном состоянии.

Торцевые поверхности образцов-цилиндров и грани образцов-кубов обрабатывают с помощью шлифовального порошка. После шлифования отклонение от плоскостности, измеренное по четырем углам образца-куба или четырем взаимно перпендикулярным диаметрам образца-цилиндра, должно быть не более 0, 1 мм. Отклонение от параллельности граней должно быть не более ±0, 02 мм.

Испытания образцов проводят в сухом и водонасыщенном состоянии. Перед определением прочности образцы высушивают до постоянной массы и измеряют.

Для определения прочности при сжатии в водонасыщенном состоянии образцы укладывают в сосуд с водой с температурой 20 ± 5°С так, чтобы уровень воды в сосуде был выше верха образцов не менее чем на 20 мм. Образцы выдерживают в воде в течение 48 часов, после чего извлекают из сосуда, удаляют влагу с поверхности влажной тканью и испытывают на прессе. Образцы не должны иметь трещин, в том числе волосяных.

Проведение испытаний

Скорость нарастания нагрузки до момента разрушения образца должна находиться в пределах 0, 3...0, 5 МПа/с. Нагрузку повышают вплоть до разрушения образца. Фиксируют максимальное значение Р.

Предел прочности при сжатии определяют по формуле

где S – площадь поперечного сечения образца, м².

Протокол испытаний

Результаты испытаний заносят в таблицу.

Обработка результатов

Предел прочности при сжатии породы вычисляют как среднеарифметическое значение испытаний пяти образцов.

Снижение прочности породы в водонасыщенном состоянии вычисляют по формуле

где σ _сж и σ _ж — пределы прочности соответственно в сухом и водонасыщенном состоянии.

Для образцов горной породы с выраженной слоистостью записывают отдельно результаты, полученные при испытаниях вдоль и перпендикулярно слоистости.

Проведение испытаний

На одной стороне образца наносят квадратную сетку со стороной квадрата 20 мм.

Сначала производят испытания растяжением. Для этого образец помещают между раскалывающими клиньями, совмещая лезвия клиньев с одной из линий нанесенной сетки. Приводят пресс в действие и нагружают образец равномерно со скоростью 1...5 МПа/с. В процессе данных испытаний образец раскалывают сначала на бруски, затем по поперечным линиям на кубики полуправильной формы. Диски размером 40…60 мм раскалывают на четыре части.

При каждом раскалывании толщиной h фиксируют максимальную разрушающую силу P (H) и замеряют штангенциркулем длину линии раскола l. Предел прочности образца при раскалывании вычисляют по формуле

Например, при испытании разрушающая сила составила 9700 H, длина линии раскола 62 мм, толщина – 20 мм. Следовательно, предел прочности при раскалывании составляет

Протокол испытаний

Результаты определения предела прочности при раскалывании σ _рзаносят в таблицу.

Испытания сжатием производят после раскалывания образца, заменив раскалывающие клинья на плиты.

Предел прочности образца горной породы при сжатии вычисляют в виде отношения максимальной разрушающей силы Р при сжатии на среднюю площадь поперечного сечения образца 5, равную полусумме площадей параллельных поверхностей образца до его разрушения:

При испытании разрушающая сила составила 28 840 Н, а средняя площадь поперечного сечения образца 2, 4 см². Следовательно, предел прочности при испытании составляет

Протокол испытаний

Проведение испытаний

Количество образцов должно быть не менее шести, надежность результата не ниже 80 %, относительная погрешность — не более 20 %.

Образец размещают в центре опорной плиты пресса между плитами либо между клиньями. Образец между клиньями располагают так, чтобы ось образца и лезвия клиньев находились в одной плоскости. Отклонение от плоскости не более 0, 5 мм. Скорость приложения нагрузки 1...5 МПа/с.

Предел прочности образца при нагружении клиньями вычисляют в виде отношения разрушающей силы Р к площади раскола образца (произведению ее длины на диаметр)

При нагружении образца плитами в расчетную формулу вводится поправочный коэффициент 0, 64:

Например, при испытании железистого кварцита между плитами пресса разрушающая сила составила 38 040 Н. Раскол цилиндрического образца диаметром d = 40 мм производился по площади с длиной образующей l = 42 мм. Следовательно, предел прочности при одноосном растяжении составляет

Протокол испытаний

Результаты определения предела прочности при растяжении σ _рзаносят в таблицу.

12.5. Определение предела прочности горных пород при срезе со сжатием

Целью работы является определение предела прочности горных пород при срезе со сжатием (по ГОСТ 21153.5—88).

Испытания на срез со сжатием служат для определения важнейших характеристик горных пород: сцепления и угла внутреннего трения, которые характеризуют сопротивляемость пород касательным напряжениям. По результатам измерений возможно построение паспорта прочности горных пород.

Метод испытаний распространяется на твердые горные породы с пределом прочности при одноосном сжатии не менее 5 МПа. Метод предназначен для испытаний аналогичных по характеристикам или одинаковых объектов (породных образцов), проводимых для определения характеристик и свойств, применительно к решению любых производственных и научно-исследовательских задач.

Сущность метода заключается в измерении разрушающей силы, приложенной к образцу, установленному в стальные наклонные матрицы испытательного устройства.

Проведение испытаний

Количество образцов для испытания при каждом из углов наклона (0 = 25°; 35°; 45°) должно быть не менее шести при условии обеспечения надежности результатов не менее 80 % и относительной погрешности не более 30 %.

Образец помещают в матрицу испытательного устройства. Между образцом и обоймами матриц прокладывают фольгу.

Собранную с образцом матрицу вместе с опорным приспособлением устанавливают в центре опорной плиты пресса. Образец нагружают равномерно со скоростью роста срезающих напряжений 1...5 МПа/с до полного разрушения по плоскости среза. Определяют величину Р срезающей силы.

Предел прочности образца при срезе те и нормальное сжимающее напряжение τ _е вычисляют по формулам

где Р — разрушающая сила, Н; Ɵ — угол между плоскостью среза и направлением действия разрушающей силы, град; S = = I*d—площадь плоскости среза, м².

Например, при испытании магнетитового кварцита при угле среза 6 = 35° разрушающая сила составила Р = 128 000 Н. Высота образца h = 42 мм, диаметр d = 41 мм. Следовательно, предел прочности образца при срезе составляет

Протокол испытаний

Результаты определения предела прочности заносят в таблицу.

Результаты испытаний представляют в виде графической зависимости (рис. 12.5.) предельных касательных и нормальных напряжений.

Проведение испытаний

Скорость нарастания нагрузки до момента разрушения образца должна быть постоянной и находиться в пределах 0, 3-. 0, 5 МПа/с вплоть до разрушения образца. Фиксируют максимальное значение силы Р.

Протокол испытаний

Результаты испытаний образцов-призм заносят в таблицу.

Обработку результатов испытаний п образцов производят в следующем порядке: вычисляют среднее арифметическое по пробе, среднее квадратичное отклонение и коэффициент вариации.

12.7. Определение предела прочности образцов произвольной формы при разрушении встречными сферическими инденторами

Целью работы является определение предела прочности горных пород при одноосном растяжении (по ГОСТ 21153.3 —84).

Метод предназначен для исследовательских и массовых испытаний горных пород в лабораторных и полевых условиях с целью определения предела прочности при одноосном растяжении в направлении, перпендикулярном наислабейшему звену образца.

Сущность метода заключается в измерении максимальной разрушающей силы, приложенной к образцу через встречно направленные сферические инденторы.

Проведение испытаний

Образец устанавливают между инденторами. Наиболее рациональные схемы установки образцов приведены на рис. 12.9.

Образец нагружают равномерно со скоростью 100...500 Н/с. Испытание признают действительным при разрыве образца на две части по поверхности, проходящей через ось нагружения.

Предел прочности образца при одноосном растяжении вычисляют по формуле

где Р— разрушающая сила, Н; S—площадь поверхности разрушения, м²; К — безразмерный коэффициент, принимается К = 1, 0 при S = (15 ±3) см². Для других значений коэффициент i£ устанавливается по табл. 12.2.

Площади поверхности разрыва образцов, подготовленных для испытания, должны отличаться не более чем на 10 % от среднего значения для образцов правильной формы и на 20 % —для образцов неправильной формы.

Например, в испытании разрушающая сила составила Р = = 12 700 Н, а площадь поверхности разрушения S = 45 см². Из табл. 12.2 находим значение коэффициента: К = 1, 32. Следовательно, предел прочности при одноосном растяжении в данном испытании составляет

Протокол испытаний

Результаты определения предела прочности при раскалывании σ _р заносят в таблицу.

Проведение испытаний

В испытаниях используют копер типа Педжа или аналогичный копер (рис. 13.10). Удары производят с помощью гири массой 1000 ± 5 г, заканчивающейся бойком гири — полусферой диаметром 30 ± 0, 5 мм. Боек гири выполняют из легированной стали твердостью (60 ± 5) HRC. Размеры ящика с песком не менее 400 х 400 х 100 мм.

Из отобранных штуфов горной породы при помощи камнерезной машины изготавливают четыре образца горной породы размером 200 х 200 х 30 мм. На образцах устанавливают и отмечают геометрический центр. Фактура поверхности образца должна быть пиленой. Образец в состоянии естественной влажности укладывают в центр ящика на выровненный слой песка толщиной не менее 100 мм в воздушно-сухом состоянии. Затем приступают к нанесению ударов падающей гирей в геометрический центр образца. Первый удар наносят с высоты 15 см. Каждый последующий удар наносят, поднимая гирю последовательно на 5 см. После каждого удара образцы осматривают. Испытания проводят до тех пор, пока на образце не появятся видимые трещины или образец не разрушится. Во время проведения испытания необходимо следить, чтобы подстилающий слой песка был выровнен.

Проведение испытаний

Число опытов, производимых одним штампом, определяется твердостью испытываемой породы, ее зернистостью и качеством изготовления штампа. Не допускается применение штампов, на рабочей поверхности которых имеются выкрашивания и вмятины.

Число испытаний определяется коэффициентом вариации результатов. При проведении нескольких опытов на поверхности одного образца расстояние между соседними точками вдавливания штампа необходимо выбирать с таким расчетом, чтобы лунки соседних выколов не соприкасались между собой.

Например, в испытании кварцита максимальная нагрузка на штамп диаметром d — 3 мм (сечение штампа S = 7, 07 мм²) в момент выкола составила F = 26 000 Н. Следовательно, контактная прочность в испытании составляет

Результаты испытаний заносят в таблицу.

Обработка результатов

Конечной целью экспериментов первой серии является построение зависимости энергоемкости разрушения от энергии удара Э = f(E), которая носит экстремальный характер. Действительно, при малых энергиях удара разрушения не происходит и, следовательно, удельная энергоемкость процесса равна бесконечности. С другой стороны, при очень больших энергиях удара объем лунки выкола увеличивается непропорционально энергозатратам в связи с переизмельчением породы. Поэтому удельная энергоемкость увеличивается.

Результаты выполненных экспериментов представляют в виде графической зависимости и формулируют вывод:

«При разрушении горной породы... (указать какой) выко-лом с использованием груза массой m =... кг, индентора в виде... (описать его форму) минимальная удельная энергоемкость разрушения достигается при энергии удара Е =... Дж и составляет Э =... Дж/м³».

Определение предела прочности горных пород при одноосном сжатии

(1)

где Р — сжимающая, разрушающая сила, Н; S — площадь поперечного сечения образца, м².

В соответствии с данным ГОСТом проводят сравнительные или исследовательские испытания горных пород.

При всех испытаниях должны быть выдержаны следующие допуски:

· отклонение от параллельности торцов не более одной десятой миллиметра по диаметру образца;

· отклонение от перпендикулярности торцов к образующей цилиндра не более трех десятых миллиметра;

· выпуклость торцов не более трех сотых миллиметра.

12 3 4 5