RU2350922C1 - Способ определения коэффициента пуассона горных пород - Google Patents

Способ определения коэффициента пуассона горных пород Download PDF

Info

Publication number
RU2350922C1
RU2350922C1 RU2007144283/28A RU2007144283A RU2350922C1 RU 2350922 C1 RU2350922 C1 RU 2350922C1 RU 2007144283/28 A RU2007144283/28 A RU 2007144283/28A RU 2007144283 A RU2007144283 A RU 2007144283A RU 2350922 C1 RU2350922 C1 RU 2350922C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
sample
loading
cycle
acoustic emission
activity
Prior art date
Application number
RU2007144283/28A
Other languages
English (en)
Inventor
Александр Сергеевич Вознесенский (RU)
Александр Сергеевич Вознесенский
Андрей Владимирович Корчак (RU)
Андрей Владимирович Корчак
Петр Владимирович Николенко (RU)
Петр Владимирович Николенко
Владимир Лазаревич Шкуратник (RU)
Владимир Лазаревич Шкуратник
Original Assignee
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный горный университет (МГГУ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный горный университет (МГГУ) filed Critical Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный горный университет (МГГУ)
Priority to RU2007144283/28A priority Critical patent/RU2350922C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2350922C1 publication Critical patent/RU2350922C1/ru

Links

Images

Landscapes

  • Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области определения физико-механических свойств материалов. Сущность: одноосно нагружают образец в два цикла и измеряют величины физических откликов, сопровождающих это нагружение. Двухцикловому нагружению подвергают также второй образец, который изготовлен из того же керна, что и первый. Первый цикл нагружения первого образца осуществляют в режиме запрещенных боковых деформаций, а второго - по схеме Кармана в режиме трехосного осесимметричного сжатия. Второй образец во втором цикле нагружают одноосно, причем в качестве откликов образцов в процессе второго цикла их нагружения измеряют активность акустической эмиссии. Определяют величины осевых напряжений, соответствующих максимуму активности акустической эмиссии каждого из образцов, и определяют коэффициент Пуассона по формуле. Технический результат: уменьшение трудоемкости. 4 ил.

Description

Способ относится к области исследования механических свойств материалов и может быть использован для определения коэффициента Пуассона, например, горных пород.
Известен способ определения коэффициента Пуассона материала, заключающийся в механическом нагружении образца путем вдавливания в него сферического индентора и измерении диаметра пятна касания индентора, а также деформации материала и расстояния от места замера деформации до центра пятна касания, по которым вычисляют коэффициент Пуассона [1].
Недостатком известного способа является низкая точность определения коэффициент Пуассона из-за возможного существенного различия механических, в частности упругих и прочностных, свойств образца в его приповерхностных и внутренних областях, а также из-за сложности измерения с малыми погрешностями параметров, по которым рассчитывается коэффициент Пуассона.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ определения коэффициент Пуассона горных пород, заключающийся в двухцикловом одноосном нагружении образца и измерении величин, физических откликов, сопровождающих это нагружение [2]. В указанном способе-прототипе в качестве физического отклика на нагружение образца измеряют его продольные и поперечные деформации соответствующими измерительными каналами, причем если в первом цикле нагружения продольные деформации измеряют первым измерительным каналом, а поперечные - вторым, то во втором цикле нагружения продольные деформации измеряют вторым измерительным каналом, а поперечные - первым, усредняют результаты измерений соответствующих деформаций, измеренных в двух циклах нагружения, и по полученным усредненным значениям деформаций определяют коэффициент Пуассона.
Недостатком известного способа является большая трудоемкость определения коэффициента Пуассона, обусловленная сложностью тензометрических деформационных измерений на образцах горных пород.
В данной заявке решается задача создания способа определения коэффициента Пуассона горных пород, не требующего проведения сложных тензометрических деформационных измерений и благодаря этому менее трудоемкого.
Для решения поставленной задачи в способе определения коэффициента Пуассона горных пород, заключающемся в двухцикловом одноосном нагружении образца и измерении величин физических откликов, сопровождающих это нагружение, двухцикловому нагружению подвергают также второй образец, который изготавливают из того же керна, что и первый, при этом первый цикл нагружения первого образца осуществляют в режиме запрещенных боковых деформаций, а второго - по схеме Кармана в режиме трехосного осесимметричного сжатия, второй образец во втором цикле нагружают одноосно, причем в качестве откликов образцов в процессе второго цикла их нагружения измеряют активность акустической эмиссии, определяют величины осевых напряжений, соответствующих максимуму активности акустической эмиссии каждого из образцов, и определяют коэффициент Пуассона по формуле
Figure 00000001
где
Figure 00000002
- максимальное значение осевого напряжения первого образца в первом цикле его нагружения;
Figure 00000003
- максимальное значение осевого напряжения второго образца в первом цикле его нагружения;
Figure 00000004
- максимальное значение бокового напряжения второго образца в первом цикле его нагружения;
Figure 00000005
- значение осевого напряжения, при котором активность акустической эмиссии во втором цикле нагружения первого образца достигает максимума;
Figure 00000006
- значение осевого напряжения, при котором активность акустической эмиссии во втором цикле нагружения второго образца достигает своего максимума.
Таким образом в формуле (1) верхний индекс при σ обозначает номер цикла нагружения (первого - I или второго - II); первый нижний индекс при σ обозначает режим нагружения (осевое - 1 или боковое - 2); второй нижний индекс обозначает номер образца (первого - 1 или второго - 2).
Физические предпосылки предлагаемого способа заключается в использовании особенностей проявления акустоэмиссионного (АЭ) эффекта памяти образцов горных пород при их двухцикловом нагружении и различных режимах указанного нагружения в первом (I) и втором (II) циклах. Так, экспериментальные и теоретические исследования показывают, что если первый образец в I цикле нагрузить по схеме Кармана, то есть в режиме трехосного осесимметричного сжатия
Figure 00000007
а во II цикле в режиме одноосного сжатия
Figure 00000008
то АЭ эффект памяти, во-первых, проявляет себя в виде максимума кривой «активность акустической эмиссии - напряжение», а во-вторых, имеет место при достижении одноосным напряжением
Figure 00000009
Figure 00000010
второго цикла значения
Figure 00000011
где k - безразмерный коэффициент, зависящий от коэффициента µ трения между берегами трещин в образце,
Figure 00000012
При одноосном нагружении первого образца в I цикле в режиме запрещенного развития боковых деформаций ε21,31 (
Figure 00000013
Figure 00000014
где λ - коэффициент бокового отпора; ν - коэффициент Пуассона.
При нагружении первого образца во II цикле в режиме одноосного сжатия с одновременной регистрацией активности АЭ соответствующий эффект памяти наступает при напряжении, описываемом выражением (2), то есть с учетом (4) при напряжении
Figure 00000015
Figure 00000009
Из (5) следует, что искомый коэффициент Пуассона
Figure 00000009
Figure 00000016
Величина коэффициента k для данной горной породы также может быть определена на основе акустоэмиссионного эффекта памяти в независимом эксперименте, проведенном на втором образце, полученном из того же керна, что и первый образец. Это обеспечивает близость физико-механических свойств обоих образцов.
В первом (I) цикле этот образец нагружают по схеме Кармана в режиме разрешенных боковых деформаций ε когда
Figure 00000017
При этом во втором (II) цикле одноосного сжатия акустоэмиссионный эффект памяти наступит при достижении значения напряжения, определяемого формулой, аналогичной формуле (2), но для второго образца
Figure 00000018
Откуда
Figure 00000019
Подставляя (8) в (6), получаем соотношение (1), определяющее искомый коэффициент Пуассона.
Способ определения коэффициент Пуассона горных пород иллюстрируется фиг.1-4, где на фиг.1 и фиг.2 схематично показаны испытательные установки, обеспечивающие необходимые режимы первого цикла механического нагружения первого и второго образцов соответственно. На фиг.3 схематично показана установка, обеспечивающая одноосное нагружение первого, а затем второго образца и получение для каждого из них соответствующей зависимости «активность акустической эмиссии - одноосное напряжение». На фиг.4 показана характерная зависимость «активность акустической эмиссии - одноосное напряжение», получаемая во втором цикле нагружения каждого из образцов.
Представленная на фиг.1 испытательная установка содержит жесткую кольцевую обойму 1 в виде стакана, в которой размещен первый испытываемый образец 2, внешний диаметр которого совпадает с внутренним диаметром обоймы 1. В отверстие в верхней части кольцевой обоймы 1 помещен цилиндрический поршень 3, нижний торец которого соприкасается с верхним торцом образца 2. Верхний торец поршня 3 соприкасается с датчиком 4 осевого давления Р1, создаваемого прессом (на фиг.1 условно не показан). К датчику 4 осевого давления подключен измеритель 5 осевого давления, проградуированный в единицах осевого напряжения
Figure 00000020
, испытываемого первым образцом в первом (I) цикле нагружения.
Представленная на фиг.2 испытательная установка содержит замкнутую жесткую кольцевую иммерсионную камеру 6, в верхнее круглое отверстие которой помещен резиновый стакан 7. Дно резинового стакана 7 упирается в дно иммерсионной камеры 6, а верхнее отверстие стакана 7 совпадает и герметично связано с круглым отверстием в верхней части иммерсионной камеры 6. В резиновый стакан 7 помещен второй испытуемый образец 8, внешний диаметр которого совпадает с внутренним диаметром стакана 7. Нижний торец образца 8 через дно стакана 7 упирается в дно кольцевой камеры 6, а его верхний торец контактирует с цилиндрическим поршнем 3, размещенным в верхней части резинового стакана 7. Верхний торец поршня 3 соприкасается с датчиком 4 осевого давления Р1, создаваемого прессом (на фиг.2 условно не показан). К датчику 4 осевого давления подключен измеритель 5 осевого давления, проградуированный в единицах осевого напряжения
Figure 00000021
. Внутренняя кольцевая полость иммерсионной камеры 6 заполнена водой и гидравлически связана с управляемым источником 9 избыточного бокового давления Р2 жидкости. К источнику 9 избыточного бокового давления подключен измеритель 10 этого давления, проградуированный в единицах бокового напряжения
Figure 00000022
.
Представленная на фиг.3 испытательная установка представляет собой пресс (на фиг.3 условно не показан), регулируемое осевое давление которого передается на первый испытываемый образец 2 (или находящийся на его месте второй испытываемый образец 8) через контактирующие плоскими торцевыми поверхностями цилиндрические датчик 4 осевого давления Р1 и поршень 3. К датчику 4 осевого давления подключен измеритель 5 осевого давления, проградуированный в единицах осевого напряжения
Figure 00000023
Figure 00000024
, а с поршнем 3 акустически связан приемный пьезопреобразователь 11 акустической эмиссии, поступающей от подвергаемого деформированию первого образца 2 или второго образца 8. Приемный преобразователь 11 подключен к измерителю 12 активности
Figure 00000025
акустической эмиссии. К выходам измерителя 5 осевого давления и измерителя 12 активности
Figure 00000025
акустической эмиссии подключен персональный компьютер 13, обеспечивающий построение и регистрацию зависимости «активность
Figure 00000025
акустической эмиссии - осевое напряжение
Figure 00000026
(или
Figure 00000027
)».
Способ определения коэффициента Пуассона горных пород реализуют следующим образом. Из массива выбуривают керн исследуемой горной породы, из которого путем его разрезания на две равные части получают первый 2 и второй 8 цилиндрические образцы с плоскими и параллельными торцевыми поверхностями.
Первый образец 2 помещают в жесткую кольцевую обойму 1 (см. фиг.1). С помощью пресса создают фиксированный уровень осевого давления Р1 в системе соосно расположенных датчика 4 осевого давления, поршня 3 и первого образца 2, величину осевого напряжения
Figure 00000028
в котором измеряют с помощью измерителя 5. При этом поскольку внешний диаметр образца 2 равен внутреннему диаметру кольцевой обоймы 1, то в процессе осевого нагружения первого образца 2 обеспечивается режим, при котором ε1>ε2=ε3=0, где ε1 - осевые деформации образца 2, а ε2 и ε3 - его боковые деформации.
Второй образец 8 помещают в резиновый стакан 7 (см. фиг.2). С помощью пресса (на фиг.2 условно не показан) в соосно расположенных датчике 4, поршне 3 и втором образце 8 создают осевое давление Р1, величину которого, пересчитанную в осевое напряжение
Figure 00000029
, регистрируют измерителем 5 осевого давления. С помощью источника 9 бокового давления внутри кольцевой иммерсионной камеры 6 создают избыточное боковое давление Р2<Р1 жидкости, которое измеряют с помощью измерителя 10 бокового давления, проградуированного в единицах бокового напряжения
Figure 00000030
, испытываемого вторым образцом 8. Таким образом, второй образец испытывает нагружение по схеме Кармана, когда
Figure 00000031
.
Далее первый образец 2 подвергают второму II циклу нагружения в установке, представленной на фиг.3. Для этого с помощью пресса (на фиг.3 условно не показан) увеличивают осевое давление Р1 в соосно расположенных датчике 4 осевого давления, поршне 3 и первом образце 2. При этом величину осевого давления во времени непрерывно измеряют измерителем 5 осевого давления, проградуированным в единицах осевого напряжения
Figure 00000032
.
С помощью приемного пьезопреобразователя 11 принимают сигналы акустической эмиссии, которые возникают в первом образце 2 при его осевом деформировании. Активность
Figure 00000025
этих сигналов измеряют измерителем 12 активности
Figure 00000025
акустической эмиссии. Сигналы с выхода измерителя 5, отражающие величину осевого напряжения
Figure 00000032
, и с выхода измерителя 12, отражающие величину активности
Figure 00000025
акустической эмиссии, синхронно подают на персональный компьютер 13, на дисплее или внешнем регистраторе которого получают зависимость «активность
Figure 00000025
акустической эмиссии - осевое напряжение
Figure 00000032
» для первого образца 2 (см. фиг.4). По указанной зависимости определяют величину осевого напряжения
Figure 00000032
, соответствующую максимуму активности
Figure 00000025
акустической эмиссии.
Далее по аналогии с первым образцом 2 подвергают второму II циклу нагружения второй образец 8. Для этого с помощью пресса увеличивают осевое давление Р1 в соосно расположенных датчике 4 осевого давления, поршне 3 и втором образце 8 (см. фиг.3). При этом величину осевого давления Р1 в соосно расположенных датчике 4 осевого давления, поршне 3 и втором образце 8 (см. фиг.3). При этом величину осевого давления во времени непрерывно измеряют измерителем 5 осевого давления, проградуированным в единицах осевого напряжения
Figure 00000033
. С помощью приемного пьезопреобразователя 11 принимают сигналы акустической эмиссии, которые возникают во втором образце 8 при его осевом деформировании. Активность
Figure 00000034
этих сигналов измеряют измерителем 12 активности
Figure 00000025
акустической эмиссии. Сигналы с выхода измерителя 5, отражающие величину осевого напряжения
Figure 00000035
и с выхода измерителя 12, отражающие величину активности
Figure 00000025
акустической эмиссии, синхронно подают на персональный компьютер 13, на дисплее или внешнем регистраторе которого получают зависимость «активность
Figure 00000025
акустической эмиссии - осевое напряжение
Figure 00000033
» для второго образца 8. Характерный вид этой зависимости аналогичен зависимости, представленной на фиг.4 для первого образца 2, но будет иметь несколько иной масштаб по осям абсцисс и ординат. По ней определяют величину осевого напряжения
Figure 00000036
соответствующую максимуму активности
Figure 00000025
акустической эмиссии.
Полученные в результате проведенных экспериментов значения напряжений
Figure 00000037
подставляют в формулу (1) и таким образом рассчитывают искомый коэффициент ν Пуассона горной породы.
Экспериментальная проверка предлагаемого способа определения коэффициента ν Пуассона горных пород была проведена на двух цилиндрических образцах, полученных из керна каменной соли. Измерения в соответствии с описанным выше алгоритмом позволили получить следующие значения напряжений:
Figure 00000038
Figure 00000009
Figure 00000009
Откуда с учетом выражения (1) было получено
Figure 00000039
Оценки
Figure 00000040
, проведенные на том же типе каменной соли, с использованием традиционных измерений продольных и поперечных деформаций, дали значение ν=0,351.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет получить значение коэффициента Пуассона горных пород практически с той же точностью, но не прибегая к трудоемким деформационным измерениям.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №1176209, Кл. G01N 3/00, опубл. 30.08.85, Бюл. №32.
2. Авторское свидетельство СССР №551536, Кл. G01N 3/00, опубл. 25.03.77, Бюл.№1.

Claims (1)

  1. Способ определения коэффициента Пуассона горных пород, заключающийся в двухцикловом одноосном нагружении образца и измерении величин физических откликов, сопровождающих это нагружение, отличающийся тем, что двухцикловому нагружению подвергают также второй образец, который изготовлен из того же керна, что и первый, при этом первый цикл нагружения первого образца осуществляют в режиме запрещенных боковых деформаций, а второго - по схеме Кармана в режиме трехосного осесимметричного сжатия, второй образец во втором цикле нагружают одноосно, причем в качестве откликов образцов в процессе второго цикла их нагружения измеряют активность акустической эмиссии, определяют величины осевых напряжений, соответствующих максимуму активности акустической эмиссии каждого из образцов и определяют коэффициент Пуассона по формуле
    Figure 00000041

    где
    Figure 00000042
    - максимальное значение осевого напряжения первого образца в первом цикле его нагружения;
    Figure 00000043
    - максимальное значение осевого напряжения второго образца в первом цикле его нагружения;
    Figure 00000044
    - максимальное значение бокового напряжения второго образца в первом цикле его нагружения;
    Figure 00000045
    - значение осевого напряжения, при котором активность акустической эмиссии во втором цикле нагружения первого образца достигает максимума;
    Figure 00000046
    - значение осевого напряжения, при котором активность акустической эмиссии во втором цикле нагружения второго образца достигает своего максимума.
RU2007144283/28A 2007-11-30 2007-11-30 Способ определения коэффициента пуассона горных пород RU2350922C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007144283/28A RU2350922C1 (ru) 2007-11-30 2007-11-30 Способ определения коэффициента пуассона горных пород

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007144283/28A RU2350922C1 (ru) 2007-11-30 2007-11-30 Способ определения коэффициента пуассона горных пород

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2350922C1 true RU2350922C1 (ru) 2009-03-27

Family

ID=40542981

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2007144283/28A RU2350922C1 (ru) 2007-11-30 2007-11-30 Способ определения коэффициента пуассона горных пород

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2350922C1 (ru)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2447284C2 (ru) * 2010-04-28 2012-04-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный горный институт имени Г.В. Плеханова (технический университет)" Способ определения коэффициента пуассона горных пород
US9086348B2 (en) 2010-04-06 2015-07-21 Varel Europe S.A.S. Downhole acoustic emission formation sampling
US9249059B2 (en) 2012-04-05 2016-02-02 Varel International Ind., L.P. High temperature high heating rate treatment of PDC cutters
RU2577080C2 (ru) * 2010-04-06 2016-03-10 Варель Ероп С.А.С. Тестирование прочности на основе акустической эмиссии для pdc, pcbn или других твердых или сверхтвердых материалов
US9297731B2 (en) 2010-04-06 2016-03-29 Varel Europe S.A.S Acoustic emission toughness testing for PDC, PCBN, or other hard or superhard material inserts
CN115326565A (zh) * 2022-08-10 2022-11-11 中南大学 基于加载过程中能量分异的岩石材料应力阈值计算方法

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9086348B2 (en) 2010-04-06 2015-07-21 Varel Europe S.A.S. Downhole acoustic emission formation sampling
RU2577080C2 (ru) * 2010-04-06 2016-03-10 Варель Ероп С.А.С. Тестирование прочности на основе акустической эмиссии для pdc, pcbn или других твердых или сверхтвердых материалов
US9297731B2 (en) 2010-04-06 2016-03-29 Varel Europe S.A.S Acoustic emission toughness testing for PDC, PCBN, or other hard or superhard material inserts
RU2447284C2 (ru) * 2010-04-28 2012-04-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный горный институт имени Г.В. Плеханова (технический университет)" Способ определения коэффициента пуассона горных пород
US9249059B2 (en) 2012-04-05 2016-02-02 Varel International Ind., L.P. High temperature high heating rate treatment of PDC cutters
CN115326565A (zh) * 2022-08-10 2022-11-11 中南大学 基于加载过程中能量分异的岩石材料应力阈值计算方法
CN115326565B (zh) * 2022-08-10 2024-04-30 中南大学 基于加载过程中能量分异的岩石材料应力阈值计算方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11703482B2 (en) Computing progressive failure in materials and structures by integration of digital image correlation with acoustic emission monitoring data
RU2350922C1 (ru) Способ определения коэффициента пуассона горных пород
Helal et al. Non-destructive testing of concrete: A review of methods
Nazir et al. Correlation between unconfined compressive strength and indirect tensile strength of limestone rock samples
Xia et al. Dynamic rock tensile strengths of Laurentian granite: experimental observation and micromechanical model
Nazir et al. Prediction of unconfined compressive strength of limestone rock samples using L-type Schmidt hammer
KR20110124574A (ko) 재료의 잔류응력 평가 방법
CN108489808A (zh) 一种声发射测试混凝土单轴受拉应力应变关系的方法
Fódi Effects influencing the compressive strength of a solid, fired clay brick
CN109030259A (zh) 一种反复加卸载球形压头压入获取材料单轴应力-应变关系的方法
Chocron et al. Pressure effects on the compressive response of confined intact and damaged soda-lime glass
CN111964824B (zh) 一种基于压入能量差测试残余应力的方法
CN109870258A (zh) 一种平面任意残余应力的仪器化球形压入检测方法
Závacký et al. Strains of rock during uniaxial compression test
Liu et al. Effects of Loading Rate and Notch Geometry on Dynamic Fracture Behavior of Rocks Containing Blunt V-Notched Defects
RU2451282C1 (ru) Способ определения механических характеристик материалов
Sharifipour et al. Wave velocities in assemblies of glass beads using bender-extender elements
JP5947036B2 (ja) コンクリート等弾性係数が不知の材料のｕｃｉ法による測定方法
Zhao et al. In-situ mechanical calibration for vision-based tactile sensors
RU2339815C1 (ru) Способ определения напряжений в массиве горных пород
RU2662251C1 (ru) Способ оценки предела прочности керамики при растяжении
RU2361188C1 (ru) Способ определения коэффициента пуассона материала
Nucera et al. Destructive and non-destructive testing on reinforced concrete structure: The case study of the Museum of Magna Graecia in Reggio Calabria
RU2711300C1 (ru) Способ испытания грунта методом статического зондирования
RU2003111551A (ru) Машина испытательная для механических испытаний материалов на растяжение

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20141201