Методы определения показателей прочности на образцах неправильной формы

Определение механических характеристик углей и горных пород на образцах правильной формы связано с большими трудностями при их изготовлении. Кроме того, механическая обработка стандартного образца при его изготовлении может вносить искажения, вызванные изменением поверхностных свойств образца.

В связи с этим получили распространение методы определения механических характеристик горных пород и углей на образцах неправильной формы. К этим методам относятся испытания образцов на сдвиг, разрыв и сжатие.

Методика испытания образцов неправильной формы на сдвиг со сжатием и разрыв заключается в следующем. Испытуемые куски породы или угля, ориентированные нужным образом (по простиранию, по падению или по напластованию), укрепляют в бетонных блоках размером 200х200х200 мм (рисунок 4.37, а), зазор Δ между ними во время заливки сохраняют с помощью картонных прокладок

Минимальное значение зазора Δ определяется размерами структурного элемента. Если зазор Δ значительно меньше величины элемента, сказывается влияние масштабного фактора, так как разрушение происходит по элементам.

После снятия картонных прокладок образцы подвергают соответствующему напряжению – на сдвиг со сжатием или разрыв (рисунок 4.37).

Во время испытаний фиксируют усилие, при котором произошло разрушение (сдвиг или разрыв) Р_р, а затем с помощью планиметрирования определяется площадь поверхности разрушения S.

Рисунок 4.37 – Определение механических характеристик горных пород на образцах неправильной формы: а – схема испытаний по ВУГИ; б – схема прибора Фисенко: 1 – матрицы; 2 – ролики; 3 – образец; в – схема прибора Ильницкой: 1 – матрицы; 2 – стержень; 3 – вкладыш

Нормальные предельные напряжения в плоскости разрушения

, (4.53)

предельные касательные напряжения в плоскости разрушения

, (4.54)

где Р_р – разрушающее усилие, Н;

S_ус – проекция площади поверхности разрушения на плоскость разъема цементных блоков, м²;

α – угол наклона плоскости разъема.

При испытаниях на сдвиг (рисунок 4.37) угол плоскости разъема блоков α может изменяться в широких пределах, что обеспечивает возможность проведения испытания при различных соотношениях нормальных и касательных напряжений, возникающих в полости разрушения.

При испытании образцов на разрыв угол наклона плоскости разъема блоков α принимается равным нулю, разрушение происходит в вертикальной плоскости и нарушения разрыва определяются по формуле

, (4.55)

где S – площадь поверхности разрыва, замеренная планиметрированием.

Проведенные ВУГИ опыты по определению механических характеристик угля методом испытания необработанных образцов на разрыв и сдвиг показали хорошее совпадение полученных результатов с данными испытаний образцов правильной формы.

Для определения прочностных показателей горных пород σ_пр и τ_пр при испытании образцов неправильной формы на сдвиг со сжатием могут быть использованы приборы (рисунок 4.37, б, в), предложенные Г.Л. Фисенко и Е.И. Ильницкой для определения аналогичных показателей на образцах правильной формы.

В приборе (рисунок 4.37, б) угол сдвига α определяется углом матрицы, а в приборе (рисунок 4.37, в) – перестановкой вкладыша 3 и упорного стержня 2. При испытаниях на этих приборах изготавливается нужных (стандартных) размеров формочка из двух половин. Любая половина формочки заливается раствором цемента высокой марки, и в нее вкладывается образец породы произвольной формы, так, чтобы заданная ориентированная плоскость сдвига совпала с поверхностью цементного раствора в полуформе. После того как цемент схватился, на его поверхность накладывают слой тонкой бумаги с вырезом для пропуска выступающей части образца.

Затем вторая полуформа заливается также цементом и накладывается на первую, так чтобы края их совпадали, а выступающая часть образца погрузилась в цемент, заполняющий вторую полуформу. Изготовленные таким образом образцы 3 выдерживаются до тех пор, пока раствор приобретает установленную для него прочность, и затем подвергаются испытанию на сдвиг со сжатием обычным способом. Показатели σ_пр и τ_пр определяются по вышеприведенным формулам; площадь сдвига определяется планиметрированием.

Методика определения временного сопротивления сжатию (раздавливанию) на образцах неправильной формы (рисунок 4.38) аналогична методике определения временного сопротивления раздавливанию на образцах правильной формы.

Рисунок 4.38 – Определение временного сопротивления раздавливанию горных пород на образцах неправильной формы

Для этих испытаний берут 15 – 20 образцов неправильной округлой формы так, чтобы 3 взаимно перпендикулярные размеры не отличались более, чем в 1,5 раза. Рекомендуемый объем образца – 100±2 см².

Предел прочности при одноосном сжатии вычисляют по формуле

, МПа, (4.56)

где Р_ср – среднеарифметическое усилие раздавливания образцов, кН;

V_ср – среднеарифметический объем образцов, см³

Поиск по сайту: