RU2756038C1 - Способ определения напряженно-деформированного состояния образцов горных пород - Google Patents

Способ определения напряженно-деформированного состояния образцов горных пород Download PDF

Info

Publication number
RU2756038C1
RU2756038C1 RU2020143874A RU2020143874A RU2756038C1 RU 2756038 C1 RU2756038 C1 RU 2756038C1 RU 2020143874 A RU2020143874 A RU 2020143874A RU 2020143874 A RU2020143874 A RU 2020143874A RU 2756038 C1 RU2756038 C1 RU 2756038C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
samples
destruction
mechanical characteristics
physical
deformations
Prior art date
Application number
RU2020143874A
Other languages
English (en)
Inventor
Владимир Владимирович Макаров
Андрей Михайлович Голосов
Андрей Витальевич Морковин
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Дальневосточный федеральный университет" (ДВФУ)
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 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Дальневосточный федеральный университет" (ДВФУ) filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Дальневосточный федеральный университет" (ДВФУ)
Priority to RU2020143874A priority Critical patent/RU2756038C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2756038C1 publication Critical patent/RU2756038C1/ru

Links

Images

Classifications

    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E21EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21CMINING OR QUARRYING
    • E21C39/00Devices for testing in situ the hardness or other properties of minerals, e.g. for giving information as to the selection of suitable mining tools
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/08Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying steady tensile or compressive forces
    • G01N3/10Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying steady tensile or compressive forces generated by pneumatic or hydraulic pressure
    • G01N3/12Pressure testing

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mining & Mineral Resources (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geochemistry & Mineralogy (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)

Abstract

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для определения напряженно-деформированного состояния, а именно определения стадии развития деформационных процессов в образцах горных пород. Сущность: осуществляют подготовку образцов, определение их физико-механических характеристик, устанавливают датчики деформаций по периметру центральной части образцов, на их боковых поверхностях, нагружают образцы с соблюдением критериев геометрического подобия в соответствии с ранее выявленными физико-механическими характеристиками материала, и на основе характера деформаций образцов выявляют их предвестники разрушения. В качестве физико-механических характеристик образцов определяют модуль упругости, коэффициент Пуассона, критическую нагрузку P*, радиус очаговой области, сведения о которых используют в качестве исходных данных для математического моделирования, посредством которого определяют распределение компонент самоуравновешенных напряжений на боковой поверхности образца горной породы, форму и размеры околоочаговой области и измерительный интервал. Датчики деформаций на образцах устанавливают на расстоянии, не превышающем наименьший линейный размер околоочаговой области, после чего нагружают образцы и выявляют их предвестники разрушения. Технический результат: повышение эффективности определения предвестников разрушения при снижении трудоемкости. 2 з.п. ф-лы, 2 табл., 6 ил.

Description

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для определения напряженно-деформированного состояния, а именно определения стадии развития деформационных процессов в образцах горных пород.
Известен способ акустико-деформационного метода определения предвестников разрушения образцов горных пород при одноосном сжатии, включающий подготовку образцов, определение их физико-механических характеристик, далее устанавливают датчики деформаций по периметру центральной части образцов, на их боковых поверхностях, нагружают образцы с соблюдением критериев геометрического подобия в соответствии с ранее выявленными физико-механическими характеристиками материала, и на основе характера деформаций образцов выявляют их предвестники разрушения (см. А.М. Голосов. Разработка акустико-деформационного метода определения предвестников разрушения образцов горных пород при одноосном сжатии // диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, 2018 г.).
К недостаткам известного решения можно отнести повышенную трудоемкость процесса из-за использования двух методов исследования - акустического и деформационного.
В качестве ближайшего аналога принят способ определения напряженно-деформированного состояния массива материала, включающий подготовку образцов, определение их физико-механических характеристик, далее устанавливают датчики деформаций по периметру центральной части образцов, на их боковых поверхностях, нагружают образцы с соблюдением критериев геометрического подобия в соответствии с ранее выявленными физико-механическими характеристиками материала, и на основе характера деформаций образцов выявляют их предвестники разрушения (см. патент РФ № 2322657, МПК G01N 3/00, E21C 39/00, дата публикации 20.04.2008).
Недостатком ближайшего аналога является высокая трудоемкость технологии, а также более низкая вероятность выявления предвестников разрушения.
Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является разработка более точного способа определения стадии развития деформационных процессов в образцах горных пород.
Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в повышении эффективности определения предвестников разрушения при снижении трудоемкости.
Поставленная задача решается тем, что способ определения напряженно-деформированного состояния образцов горных пород, включающий подготовку образцов, определение их физико-механических характеристик, далее устанавливают датчики деформаций по периметру центральной части образцов, на их боковых поверхностях, нагружают образцы с соблюдением критериев геометрического подобия в соответствии с ранее выявленными физико-механическими характеристиками материала, и на основе характера деформаций образцов выявляют их предвестники разрушения, отличается тем, что в качестве физико-механических характеристик образцов определяют модуль упругости, коэффициент Пуассона, критическую нагрузку P*, радиус очаговой области, сведения о которых используют в качестве исходных данных для математического моделирования, посредством которого определяют распределение компонент самоуравновешенных напряжений на боковой поверхности образца горной породы, форму и размеры околоочаговой области и измерительный интервал Δ по формуле
Figure 00000001
где PКР - предел прочности на одноосное сжатие;
P* - критическая нагрузка, при которой при одноосном сжатии приращения линейных деформаций меняют свой знак хотя бы по одной паре датчиков;
датчики деформаций на образцах устанавливают на расстоянии, не превышающем наименьший линейный размер околоочаговой области, после чего нагружают образцы и выявляют их предвестники разрушения.
Кроме того, в качестве долгосрочного предвестника разрушения образца используют порог дилатансии, фиксируемый в момент, когда приращения объемной деформации хотя бы по одной паре датчиков в течение двух измерительных интервалов не превышают ноля.
Кроме того, в качестве среднесрочного предвестника разрушения образца используют момент возникновения мезотрещинной структуры, фиксируемый в момент одновременного в течение хотя бы двух измерительных интервалов появления как минимум по двум парам датчиков реверсивных продольных и поперечных деформаций в одной части образца и аномально больших деформаций обычного типа в соседней его части.
Сравнение признаков заявленного решения с признаками аналогов и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
При этом отличительные признаки формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
Признаки «в качестве физико-механических характеристик образцов определяют модуль упругости, коэффициент Пуассона, критическую нагрузку P*, радиус очаговой области» описывают определяемые физико-механические характеристики образцов.
Признаки «сведения о модуле упругости, коэффициенте Пуассона, критической нагрузке P*, радиусе очаговой области используют в качестве исходных данных для математического моделирования» позволяют обработать, собрать и систематизировать данные разных базовых образцов без проведения дополнительных исследований.
Признаки «посредством [математического моделирования] определяют распределение компонент самоуравновешенных напряжений на боковой поверхности образца горной породы, форму и размеры околоочаговой области и измерительный интервал Δ по формуле
Figure 00000001
где PКР - предел прочности на одноосное сжатие;
P* - критическая нагрузка, при которой при одноосном сжатии приращения линейных деформаций меняют свой знак хотя бы по одной паре датчиков» описывают результаты математического моделирования.
Признаки «датчики деформаций на образцах устанавливают на расстоянии, не превышающем наименьший линейный размер околоочаговой области, после чего нагружают образцы и выявляют их предвестники разрушения» обеспечивают нахождение минимум одной пары датчиков в околоочаговой области, тем самым значительно повышая вероятность определения предвестников разрушения.
Признаки зависимых пунктов формулы описывают предвестники разрушения и методики их регистрации.
На фиг. 1 изображено сравнение результатов математического моделирования и деформационных измерений в центральной части образца.
На фиг. 2 изображено распределение компонент самоуравновешенных напряжений на боковой поверхности образца горной породы:
а - по высоте образца;
б - по периметру образца, в одной поперечной плоскости.
На фиг. 3 показан график линейных деформаций при одноосном сжатии для определения измерительного интервала.
На фиг. 4 изображена фиксация порога дилатансии на графике зависимости объемных деформаций от напряжений.
На фиг. 5 приведен график зависимости линейных деформаций от напряжений, превышающих напряжение, при котором был достигнут порог дилатансии:
а - фиксация резкого увеличения линейных деформаций;
б - фиксация изменения знака приращения линейных деформаций.
На фиг. 6 показан образец с очаговой областью разрушения и установленными датчиками деформаций: красным цветом обозначена пара датчиков, по которой зафиксировано резкое увеличение линейных деформаций; зеленым цветом обозначены пары датчиков, по которым зафиксировано изменение знака приращения линейных деформаций.
Заявляемый способ осуществляют на стандартном оборудовании по стандартной технологии.
1. На первом этапе подготавливают базовые (для математического моделирования) и испытуемые образцы горных пород.
Отбор проб для изготовления образцов горных пород производят по ГОСТ 21153.0-75, при этом размеры и объем пробы должны обеспечить изготовление образцов необходимых размеров и количества, удовлетворяющих условиям статистической представительности.
Далее изготавливают не менее 10 цилиндрических образцов одинаковой породы и размеров, торцевые поверхности которых должны быть плоскими, параллельными друг другу и перпендикулярными к боковой поверхности.
2. На втором этапе для базовых образцов по стандартной методике определяют модуль упругости, коэффициент Пуассона, критическую нагрузку P* и наименьший радиус очаговой области.
3. Сведения о физико-механических характеристиках базовых образцов, полученные на втором этапе, используют в качестве исходных данных для математического моделирования.
В качестве примера можно привести метод математического моделирования состояния предразрушения образцов горных пород и массивов с применением неевклидовой модели сплошной среды с дефектами, предоставляющий адекватное описание мезотрещинных структур, возникающих при нагружении (см. Guzev M. A. Non-Euclidean models of elastoplastic materials with structure defects. - Saarbrücken, Germany: Lambert Academic Publishing. - 2010. - 128 p. ISBN 9783843373913).
4. По итогам математического моделирования строят распределение компонент самоуравновешенных напряжений на боковой поверхности образца горной породы (см. фиг.2), определяют форму и размеры околоочаговой области - на основе предположения, что она находится в зоне, где осевое напряжение по периметру образца отрицательное (на фиг.2а закрашена синим цветом) и измерительный интервал Δ по формуле
Figure 00000001
где PКР - предел прочности на одноосное сжатие;
P* - критическая нагрузка, при которой при одноосном сжатии приращения линейных деформаций меняют свой знак хотя бы по одной паре датчиков (см. фиг.3).
На фиг.1 видно, что несмотря на расхождения в значениях деформаций, результаты математического моделирования могут быть использованы и при исследовании испытуемых образцов.
5. На боковой поверхности испытуемого образца устанавливают датчики деформаций на расстоянии, не превышающем наименьший линейный размер околоочаговой области.
Датчики могут быть установлены в несколько рядов как по периметру, так и по высоте образца.
6. Нагружают испытуемый образец осевой сжимающей нагрузкой до его разрушения, строят графики зависимости объемных и линейных деформаций от напряжений для каждой пары датчиков.
7. Определяют предвестники разрушения образца.
Долгосрочный предвестник, в качестве которого используют порог дилатансии, фиксируют в момент, когда приращения объемной деформации хотя бы по одной паре датчиков в течение двух измерительных интервалов не превышают ноля (см. фиг.4).
Среднесрочный предвестник, в качестве которого используют момент возникновения мезотрещинной структуры, фиксируют в момент одновременного в течение хотя бы двух измерительных интервалов появления как минимум по двум парам датчиков реверсивных продольных и поперечных деформаций в одной части образца (см. фиг. 5б) и аномально больших деформаций обычного типа в соседней его части (см. фиг. 5а).
Пример осуществления способа
Использовали 10 базовых и 5 испытуемых образцов из дацита высотой 10 см и диаметром 5 см.
Физико-механические характеристики базовых образцов приведены в таблице 1.
Таблица 1
Физико-механические характеристики базовых образцов
№ базового образца Модуль упругости, МПа Коэффициент Пуассона Критическая нагрузка P*, МПа Радиус очаговой области, мм
К12 41 000 0,18 235,22 29,0
К13 33 100 0,12 178,315 19,7
К14 42 500 0,21 213,75 25,5
К15 50 100 0,16 187,245 42,6
К16 44 000 0,19 150,385 37,7
К17 42 000 0,16 171,475 31,6
К18 50 500 0,19 194,845 48,1
К19 39 400 0,21 152,475 39,6
К20 39 400 0,13 159,505 42,8
К21 52 000 0,15 209,285 25,6
На основе сведений, приведенных в табл.1, провели математическое моделирование, по итогам которого определили наименьший линейный размер околоочаговой области, который составил 19,7 мм, а с помощью графиков зависимости линейных деформаций от напряжений по формуле определили измерительный интервал, который составил 1,8 МПа.
Датчики деформаций установили на боковой поверхности испытуемого образца на расстоянии 19,7 мм.
Далее нагружали испытуемые образцы осевой сжимающей нагрузкой до их разрушения.
Физико-механические характеристики испытуемых образцов приведены в таблице 2.
Таблица 2
Физико-механические характеристики испытуемых образцов
№ испытуемого образца Модуль упругости, МПа Коэффициент Пуассона Предел прочности, МПа Критическая нагрузка P*, МПа Радиус очаговой области (факт), мм Тип выявленного предвестника разрушения
А1 41 200 0,13 192,1 178,6 49,1 среднесрочный
А2 47 800 0,18 185,2 175,9 21,4 среднесрочный
А3 35 600 0,17 222,7 191,522 20,6 среднесрочный
А4 40 600 0,21 175,5 164,97 23,4 среднесрочный
А5 47 900 0,13 201,2 187,1 18,97 долгосрочный
С помощью математического моделирования можно выявить околоочаговые области даже небольших размеров, за счет этого более точно и рационально расставить датчики деформаций на боковой поверхности испытуемого образца и тем самым повысить эффективность определения предвестников разрушения.
Заявляемый способ может быть использован при испытаниях образцов различных горных пород, включая дацит, гранодиорит, риолит и туфобрекчию.

Claims (6)

1. Способ определения напряженно-деформированного состояния образцов горных пород, включающий подготовку образцов, определение их физико-механических характеристик, далее устанавливают датчики деформаций по периметру центральной части образцов, на их боковых поверхностях, нагружают образцы с соблюдением критериев геометрического подобия в соответствии с ранее выявленными физико-механическими характеристиками материала, и на основе характера деформаций образцов выявляют их предвестники разрушения, отличающийся тем, что в качестве физико-механических характеристик образцов определяют модуль упругости, коэффициент Пуассона, критическую нагрузку P*, радиус очаговой области, сведения о которых используют в качестве исходных данных для математического моделирования, посредством которого определяют распределение компонент самоуравновешенных напряжений на боковой поверхности образца горной породы, форму и размеры околоочаговой области и измерительный интервал Δ по формуле
Figure 00000002
,
где PКР - предел прочности на одноосное сжатие;
P* - критическая нагрузка, при которой при одноосном сжатии приращения линейных деформаций меняют свой знак хотя бы по одной паре датчиков;
датчики деформаций на образцах устанавливают на расстоянии, не превышающем наименьший линейный размер околоочаговой области, после чего нагружают образцы и выявляют их предвестники разрушения.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве долгосрочного предвестника разрушения образца используют порог дилатансии, фиксируемый в момент, когда приращения объемной деформации хотя бы по одной паре датчиков в течение двух измерительных интервалов не превышают ноля.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве среднесрочного предвестника разрушения образца используют момент возникновения мезотрещинной структуры, фиксируемый в момент одновременного в течение хотя бы двух измерительных интервалов появления как минимум по двум парам датчиков реверсивных продольных и поперечных деформаций в одной части образца и аномально больших деформаций обычного типа в соседней его части.
RU2020143874A 2020-12-30 2020-12-30 Способ определения напряженно-деформированного состояния образцов горных пород RU2756038C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020143874A RU2756038C1 (ru) 2020-12-30 2020-12-30 Способ определения напряженно-деформированного состояния образцов горных пород

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020143874A RU2756038C1 (ru) 2020-12-30 2020-12-30 Способ определения напряженно-деформированного состояния образцов горных пород

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2756038C1 true RU2756038C1 (ru) 2021-09-24

Family

ID=77852142

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020143874A RU2756038C1 (ru) 2020-12-30 2020-12-30 Способ определения напряженно-деформированного состояния образцов горных пород

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2756038C1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2796197C1 (ru) * 2022-11-16 2023-05-17 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт горного дела им. Н.А. Чинакала Сибирского отделения Российской академии наук (ИГД СО РАН) Комплексный способ контроля напряженно-деформированного состояния элементов конструкций объектов геотехнологии в процессе их длительной эксплуатации

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2115919C1 (ru) * 1996-10-01 1998-07-20 Алла Исааковна Гуревич Способ определения состояния и деформационных параметров тел, сооружений, массивов
RU2322657C1 (ru) * 2006-10-03 2008-04-20 Александр Александрович Опанасюк Способ определения напряженно-деформированного состояния массива материала
RU2543709C2 (ru) * 2013-05-27 2015-03-10 Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Московский Физико-Технический Институт (Государственный Университет)" Способ определения напряженно-деформированного состояния материала с хрупким скелетом
CN104931357A (zh) * 2015-07-20 2015-09-23 西安科技大学 一种煤岩试件力学特性测试系统及其测试方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2115919C1 (ru) * 1996-10-01 1998-07-20 Алла Исааковна Гуревич Способ определения состояния и деформационных параметров тел, сооружений, массивов
RU2322657C1 (ru) * 2006-10-03 2008-04-20 Александр Александрович Опанасюк Способ определения напряженно-деформированного состояния массива материала
RU2543709C2 (ru) * 2013-05-27 2015-03-10 Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Московский Физико-Технический Институт (Государственный Университет)" Способ определения напряженно-деформированного состояния материала с хрупким скелетом
CN104931357A (zh) * 2015-07-20 2015-09-23 西安科技大学 一种煤岩试件力学特性测试系统及其测试方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2796197C1 (ru) * 2022-11-16 2023-05-17 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт горного дела им. Н.А. Чинакала Сибирского отделения Российской академии наук (ИГД СО РАН) Комплексный способ контроля напряженно-деформированного состояния элементов конструкций объектов геотехнологии в процессе их длительной эксплуатации

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Lourenço et al. Chestnut wood in compression perpendicular to the grain: Non-destructive correlations for test results in new and old wood
Loeffler et al. Detection and segmentation of mechanical damage in concrete with X-Ray microtomography
CN113626986B (zh) 一种沥青路面模量梯度确定方法、装置及电子设备
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
CN107328643B (zh) 静载荷下煤岩组合体试件中煤的力学特性试验方法
Wang et al. Observation of damage evolution in polymer bonded explosives using acoustic emission and digital image correlation
Zhao et al. Towards concrete-rock interface shear containing similar triangular asperities
Borstad et al. Thin-blade penetration resistance and snow strength
Frost et al. Quantitative characterization of microstructure evolution
RU2756038C1 (ru) Способ определения напряженно-деформированного состояния образцов горных пород
CN118010965A (zh) 一种混凝土性能检测数据处理方法
KR101347623B1 (ko) 세라믹 재료의 선 균열 측정방법
RU2350922C1 (ru) Способ определения коэффициента пуассона горных пород
CN111678990B (zh) 基于固有频率的超声疲劳裂纹扩展速率测量方法
CN113899879A (zh) 一种深部开挖扰动下岩石破碎后的动能确定方法
Dupla et al. Cyclic pressuremeter loading and liquefaction properties of sands
RU2310184C2 (ru) Способ определения прочностных свойств тонкослойных материалов
Malyszko et al. Determination of elastic constants in Brazilian tests using digital image correlation
RU2569915C1 (ru) Способ определения плотности грунта при компрессионных испытаниях
Amin et al. Measurement of lateral deformation in natural and high damping rubbers in large deformation uniaxial tests
RU2676046C1 (ru) Способ определения прочности горных пород в водонасыщенном состоянии
Brozovsky et al. Rebound hammer tests of high-strength concrete: effects of internal stress and the shape of the impact area of the test specimens on the measurement results
RU2339945C2 (ru) Способ определения модуля упругости и характеристики ползучести бетонов и растворов
Li et al. In-situ observation of crack nucleation in nuclear graphite by digital image correlation
CN113866278B (zh) 基于优势声发射震源能量特征的岩石长期强度确定方法