Сопротивление грунтов одноосному растяжению

Сопротивление грунта растяжению соответствует критерию его прочности, когда растягивающие усилия достигают предельного значения. Пределом прочности горной породы при одноосном растяжении R_р, МПа, называется предельное одноосное растягивающее напряжение, при котором происходит разрушение породы. Методы определения R_p применяются для горных пород с пределом прочности при одноосном растяжении нс менее 0,5 МПа. Деформации растяжения характерны для верховых зон оползающих откосов, а также для толщ горных пород, оседающих над выработанным пространством при подземной выемке полезных ископаемых. Разрыв грунта происходит под действием растягивающих нормальных давлений, возникающих в массиве грунта в результате действия гравитационных сил (на бровке откоса), горизонтального давления воды (в основании верхней грани плотины), неравномерного термического расширения и сжатия, а также усадки различных участков породы и т. д. Под действием растягивающего напряжения происходит разрыв грунта, что выражается в появлении трещин отрыва. Знание величины прочности породы на разрыв необходимо при установлении допустимой крутизны откосов, при расчете радиальных деформаций и допустимых напряжений в напорных тоннелях, при проектировании бетонных плотин и других сооружений.

Для одного и того же грунта прочность на растяжение всегда меньше прочности на сжатие, т. е. R_c > R_p. Это обусловлено тем, что при растяжении за счет разрыва структурных связей развиваются большие необратимые деформации, тогда как при сжатии часть структурных связей может лишь деформироваться, но не разрушаться. Только лишь для идеально пластичных тел в условиях так называемого чистого сдвига (когда г = ?1 = -?3 величины R_с и R_p становятся равны. Поэтому растягивающие напряжения оказываются одними из самых опасных при разрушении массивов грунтов.

Косвенным методом, позволяющим определить условно-мгновенное сопротивление пород разрыву, является раскалывание. Метод основан на решении задачи Герца в теории упругости, из которого следует, что растягивающие напряжения, перпендикулярные к плоскости действия внешних сил, имеют постоянную величину и равномерно распределены по диаметру образца. Испытания проводятся с целью определения предела прочности на одноосное растяжение образцов произвольной формы в направлении, перпендикулярном к слабейшему сечению, проходящему через ось нагружения образца. Данный метод называется «бразильским». В настоящее время используются его различные варианты (рис. 8.45) [23]. В приборах могут использоваться образцы различной формы (рис. 8.47, б), сжимающая нагрузка может передаваться с помощью инденторов — клиньев, плит, стержней и др.

Рис. 8.45. Определение прочности грунтов «бразильским» методом: а — схема нагружения образца: б — варианты «бразильского» метода: I — сжатие по образующей между двумя плитами (фотография справа): 2-е помощью двух проволок: 3-е помощью плиты и проволоки.

Для горных пород существует несколько методов определения предела прочности при одноосном растяжении породы по образцам, изготовляемым из представительной породной пробы [23].

1. Метод разрушения цилиндрических и призматических образцов прямым растяжением. Предназначен для определения предела прочности породы по слабейшему поперечному сечению образца при одноосном растяжении в направлении его оси, заданном относительно сложения (слоистости) породы.

Испытание заключается в измерении разрушающей силы при продольном растяжении цилиндрических или призматических образцов грунта через стальные обоймы загрузочного устройства.

Размеры и объем породной пробы должны обеспечивать изготовление образцов необходимого количества, размеров и ориентировки относительно слоистости. Допускается производить консервацию проб полиэтиленовой пленкой или другими водонепроницаемыми материалами, не вступающими во взаимодействие с породой. При отборе проб гигроскопических пород (каменные соли, аргиллиты и т. п.) дополнительно отбирают несколько кусков размером не менее 30×30×10 мм и общей массой не менее 200 г для определения исходной влажности пробы и сразу же помещают в бюксы, которые для герметизации обматывают клейкой лентой.

Для определения пределов прочности горных пород применяют: установку колонкового бурения или вертикально-сверлильный станок, или радиально-сверлильный станок для выбуривания образцов; машину камнерезную; пресс с гидравлическим приводом или универсальную испытательную машину мощностью, на 20…30% превышающей разрушающую силу; станок обдирочно-шлифовальный; устройство нагрузочное, обеспечивающее центральное и соосное приложение растягивающего усилия к образцу. Для испытания грунтов на растяжение существуют несколько типов приборов, таких как рычажная установка, прибор конструкции ВНИМИ, ВОДГЕО, прибор Цытовича и др.

Образцы изготовляют из кернов выбуриванием на буровом станке или вырезанием на камнерезной машине с ориентировкой длины образца относительно слоистости породы в соответствии с целью проведения испытания. Образцы из негигроскопических пород изготовляют с применением промывочной жидкости. Образцы из гигроскопических пород изготовляют без применения промывочной жидкости и до начала испытания хранят в эксикаторе.

Размеры образцов должны соответствовать следующим требованиям: предпочтительный диаметр d (сторона квадрата а) при массовых испытаниях 42 ± 2 мм (а = 40 ± 1 мм), допускаемый диаметр от 30 до 60 мм включительно (а — от 20 до 60 мм), отношение высоты к диаметру h.d не менее 2:1. Количество образцов должно быть не менее 6 и обеспечивать относительную погрешность результатов испытания не более 20% при надежности не ниже 0,8.

Концевые части боковой поверхности образца соединяют скрепляющим материалом с обоймами нагрузочного устройства, обеспечивая совместной сборкой центрирование образца в обоймах и их соосность. После затвердения скрепляющего материала образец, смонтированный в нагрузочном устройстве, помещают в испытательную машину и нагружают до разрушения равномерно со скоростью 1 …5 МПа/с.

При необходимости определяют влажность пробы непосредственно при испытании. Для этого обломки образцов помещают в бюксы не позже чем через 10 мин после выполнения испытаний и взвешивают.

Предел прочности при одноосном растяжении (в МПа) для каждого образца вычисляют по формуле.

где Р — разрушающая образец сила, кН; S — площадь поперечного сечения образца, см².

Обработку результатов испытаний п образцов производят в следующем порядке. Вычисляют среднее арифметическое значение по пробе предела прочности /?<, среднее квадратическое отклонение и коэффициент вариации. Вычисления производят с точностью округления: частных значений и среднего арифметического значения, а также среднего квадратического отклонения предела прочности до 0,01 МПа (при этом значения менее 10 МПа оставляют без изменения, а значения более 10 МПа округляют до 0,10 МПа), значения коэффициента вариации — до 1%.

2. Метод разрушения цилиндрических образцов сжатием по образующим. Предназначен для массовых испытаний с целью определения предела прочности горной породы, но заданному сечению образца при одноосном растяжении в направлении, заданном относительно сложения (слоистости) породы. Сущность метода заключается в измерении значения разрушающей силы, приложенной через стальные встречно направленные плиты или клинья нагрузочного устройства к образующим образца на его диаметральном сечении, ориентированном относительно слоистости породы.

Для проведения испытаний применяют оборудование, перечисленное в методе разрушения цилиндрических и призматических образцов пряным растяжением, оборудование для изготовления образцов, машины испытательные или прессы; плиты стальные толщиной не менее 0,3 диаметра образца с плоскими рабочими поверхностями (отклонение от плоскостности не более 0,02 мм); клинья стальные с радиусом закругления, равным (5 ± 1) мм (рис. 8.46). Длина плит и клиньев на 3…5 мм больше длины образца.

Рис. 8.46. Оборудование для передачи нагрузки: а) клинья стальные; б) цилиндрический сегментный шарнир.

Размеры образцов должны соответствовать следующим требованиям: диаметр d (сторона квадрата а) при массовых испытаниях 42 ± 2 мм (допускаемый диаметр от 30 до 80 мм), отношение высоты к диаметру 1,0 ± 0,1 (допускаемое — от 0,7 до 1,1 включительно). Образцы, подготовленные для испытания, должны иметь одинаковые размеры (допускаются отклонения не более 1 мм).

Образец размещают в центре опорной плиты испытательной машины (пресса) между плитами-прокладками либо между клиньями так, чтобы ось образца и линии касания к нему клиньев (плит) находились в плоскости задаваемое раскола (разрыва породы). Отклонение от плоскостности не более 0,5 мм. Образец нагружают до разрушения равномерно со скоростью 1…5 МПа/с.

Предел прочности при одноосном растяжении (в МПа) в заданном относительно строения породы направлении для каждого образца вычисляют по формуле (8.22).

3. Метод разрушения образцов произвольной формы встречными сферическими инденторами. Предназначен для исследовательских и массовых испытаний горных пород в лабораторных и полевых условиях. Сущность метода заключается в измерении разрушающей силы, приложенной к образцу через стальные встречно направленные сферические инденторы (рис. 8.47).

Рис. 8.47. Устройства одноосного растяжения: а — конструкция устройства: 0 — устройство одноосного растяжения ООО «НПП «Геотек «» [47];

в — схемы установки образцов

Для проведения испытания применяют: оборудование, инструменты и материалы, перечисленные в методе разрушения прочности цилиндрических и призматических образцов прямым растяжением, а также машины шлифовально-заточные, молоток геологический, тиски слесарные и набор слесарных напильников; прессы или машину испытательную (рис. 8.47); устройство установочное любой конструкции, размещаемое на опорной плите испытательной машины (пресса) и обеспечивающее соосное (отклонение от соосности не более 0,1 мм) приложение к образцу через стальные сферические иденторы диаметром (15 ± 0,05) мм; бумагу масштабно-координатную — для нанесения контура поверхности разрыва образца неправильной формы.

Требования к изготовлению образцов такие же, как и в первом методе. Образцы неправильной формы подготавливают откалыванием, отапливанием или подшлифовкой, используя любое подходящее оборудование.

Размеры образцов и места их нагружения встречными инденторами должны быть такими, чтобы площадь поверхности разрыва (раскола) была не менее 3 и не более 100 см², предпочтительно — (15 ± 3) см². При этом площади по поверхности раскола образцов одной выборки не должны отличаться более чем в два раза. Места нагружения инденторами намечают карандашом. Высота образцов (расстояние между точками приложения нагрузки) должна быть не менее 10 мм. Максимальные и минимальные линейные размеры образцов в пределах поверхности разрыва должны отличаться не более чем в 5 раз.

Ось нагружения образца инденторами должна быть ориентирована относительно строения (слоистости) породы в соответствии с заданным направлением растяжения породы и должна быть удалена от ближайшей боковой поверхности образца на расстояние, нс меньшее половины высоты образца.

Для устойчивого положения между инденторами образца неправильной формы на двух противоположных его поверхностях непосредственно в местах предполагаемого контакта с инденторами выбирают или подготавливают любыми средствами примерно параллельные площадки не менее 10 ^х 10 мм. Количество образцов правильной формы должно быть не менее 6, а неправильной — не менее 10.

Образец устанавливают между инденторами в соответствии со схемой, приведенной на рис. 8.47, а. Наиболее рациональные схемы установки образцов приведены на рис. 8.47, в. Образец нагружают до разрушения равномерно со скоростью 0,1…0,5 кН/с. Испытание признают действительным при разрыве образца на две части по поверхности, проходящей через ось нагружения. Определяют величину площади поверхности разрыва образца в квадратных сантиметрах.

Предел прочности при одноосном растяжении R_р, МПа, для каждого образца вычисляют по формуле.

где Р — разрушающая сила, кН; S — площадь поверхности разрушения образца, см²; к — безразмерный масштабный коэффициент, принимаемый равным 1 при S = (15 ± 3) см². Для других значений S коэффициент к устанавливается по табл. 8.62.

Вычисление площади поверхности разрыва образцов неправильной формы производят с погрешностью до 0,10 см², а образцов правильной формы — до 0,01 см².

Таблица 8.62.

Значения коэффициента к

Используя корреляционные зависимости (табл. 8.63) по значениям R_c можно получить сопротивления растяжению скальных грунтов R_v.

Таблица 8.63.

Корреляционные зависимости между сопротивлением сжатию и растяжению

4. Метод комплексного определения пределов прочности при одноосном растяжении и сжатии. Метод предназначен для массовых испытаний горных пород с целью комплексного определения пределов прочности при одноосном растяжении и сжатии в заданном относительно строения (слоистости) породы направлении.

Сущность метода определения предела прочности при растяжении заключается в измерении разрушающей силы при многократном раскалывании образцов пластинчатой и брусчатой формы и предела прочности при сжатии — в измерении разрушающей силы сжатия при раскалывании образцов кубообразной формы.

Особенность метода заключается в определении пределов прочности при растяжении и сжатии на одной пробе.

Поперечные размеры пластины образца произвольного очертания в плане: предпочтительные — не менее 60×60 мм, допускаемые — 40 * 40 мм; толщина предпочтительная — 20 ± 1 мм, допускаемая — от 20 до 30 мм включительно. Образцы для испытания многократным раскалыванием изготовляют на камнерезной машине, отрезая в заданном относительно строения (слоистости) породы направлении от кернов диски или от штуфов пластины. Торцовые поверхности образца должны быть плоскими и параллельными друг другу. Для испытания на сжатие используют кубообразные образцы, полученные в процессе раскалывания, с ребром, равным толщине пластины (диска) с допускаемыми отклонениями не более ±2 мм. На одной из плоскостей образца карандашом наносят квадратную сетку со стороной, равной толщине пластины, а торец диска диаметром 40…60 мм делят на четыре части двумя взаимно перпендикулярными диаметрами. Количество образцов должно обеспечивать надежность результатов не ниже 80% при относительной погрешности нс более 30%.

Испытание раскалыванием. Образец помещают между клиньями, совмещая лезвия клиньев с одной из линий, нанесенной на образец сетки. Приводя испытательную машину или пресс в действие, образец нагружают равномерно со скоростью 1…5 МПа/с до раскалывания сначала на бруски, затем по поперечным линиям на кубики полуправильной формы (две грани параллельные, шлифованные, а четыре грани образовались при раскалывании). Диски диаметром 40…60 мм раскалывают на четыре части. При каждом раскалывании образца записывают разрушающую силу Р в килотоннах и среднюю длину линии раскола в сантиметрах, которую измеряют штангенциркулем с погрешностью не более ±0,05 см.

Для определения предела прочности при одноосном растяжении учитывают результаты испытаний, проведенных по линии раскола длиной не менее 20 мм, отстоящей от края пластины не менее чем на 0,5 ее толщины.

Предел прочности при одноосном растяжении /?_р, МПа, для каждого образца вычисляют по формуле (8.22), где S = lb; I — средняя длина линии раскола образца, см; b — толщина пластины (диска), см.

Испытание сжатием. Испытание сжатием проводят после окончания испытания раскалыванием. Образец кубообразной формы с предварительно замеренными линейными размерами параллельных торцов помещают одним торцом в центре нижней опорной плиты испытательной машины (пресса) между стальными плитами или в установочном устройстве и нагружают до разрушения равномерно со скоростью 1…5 МПа/с.

Предел прочности при одноосном сжатии /?_с, МПа. для каждого образца вычисляют по формуле.

где Р — разрушающая сила, кН; S — площадь поверхности разрушения образца, см², равная полусумме площадей верхнего и нижнего торцов образца до его разрушения, см" [23].

При обработке результатов определения предела прочности при одноосном растяжении породы в качестве числа проведенных единичных определений принимают общее число выполненных расколов.

Сопротивление разрыву скальных грунтов. При испытании скальных грунтов на одноосное растяжение они упруго деформируются и имеют хрупкий тип разрушения. В образцах грунтов образуются характерные шероховатые плоскости раскола (разрыва). На сопротивление разрыву скальных грунтов влияют те же факторы, которые определяют и их прочность на сжатие. Временное сопротивление разрыву некоторых типов скальных грунтов приведено в табл. 8.64, из которой следует, что величина R_p максимальна у магматических и метаморфических грунтов с прочными кристаллизационными связями, а минимальна — у осадочных скальных грунтов со слабыми цементационными структурными связями [50].

Таблица 8.64.

Временное сопротивление разрыву скальных грунтов [50]

Структурно-текстурные особенности скальных грунтов в наибольшей мере влияют на сопротивление растяжению: у мелкокристаллических и мелкозернистых разностей более высокая прочность на растяжение, чем у крупнокристаллических. Величина Я_р уменьшается с ростом пористости и трещиноватости скальных грунтов и снижением плотности, у грунтов с анизотропной текстурой величина /?_р при разрыве вдоль слоистости всегда выше, чем поперек слоистости, когда отрыв слоев друг от друга происходит намного легче.

Из физико-химических факторов на величину временного сопротивления скальных грунтов растяжению влияет влажность и состав норовой жидкости. С ростом влажности R_p закономерно уменьшается; неполярные жидкости почти не влияют на снижение прочности скальных грунтов при разрыве, тогда как полярные, понижающие поверхностную энергию грунта, уменьшают прочность на разрыв.

Сопротивление одноосному растяжению дисперсных грунтов. Способностью сопротивляться растяжению (разрыву) среди дисперсных грунтов обладают лишь связные грунты — пылеватые и глинистые. Несвязные крупнои мелкообломочные грунты, не обладающие структурным сцеплением, имеют прочность на разрыв, близкую к нулю. Поэтому испытаниям на растяжение в основном подвергают дисперсные связные грунты, которые при растяжении проявляют значительные пластические деформации. Их прочность на растяжение меняется в широком диапазоне в зависимости от типа грунта и его состояния (консистенции). Наибольшая прочность на растяжение отмечена у пылевато-глинистых грунтов с прочными смешанными (кристаллизационными и переходными) контактами, а наименьшая — со слабыми коагуляционными контактами. При прочих одинаковых условиях R_P больше у высокодисперсных разностей, поэтому монтмориллонитовые и гидрослюдистые глины имеют большую прочность на разрыв, чем каолинитовые.

Прочность на разрыв глинистых грунтов зависит от их консистенции, например, у моренных суглинков твердой и полутвердой консистенции R_v — 0,08…0,1 МПа, а у тех же суглинков пластичной и пластично-текучей консистенции /?_р 0,0025…0,001 МПа и менее.

Сопротивление разрыву мерзлых грунтов. Величина временного сопротивления разрыву мерзлых грунтов зависит от тех же факторов, что и прочность на сжатие. При этом определяющее значение имеет влияние структурно-текстурных особенностей мерзлого грунта. Смерзание пород за счет цементации льдом их структурных элементов обусловливает повышение прочности при испытаниях на растяжение. Поэтому величина R_v у мерзлых грунтов возрастает с повышением льдистости, снижением засоленности, уменьшением пористости.

Понижение температуры мерзлых грунтов приводит к увеличению их прочности на растяжение, при этом возрастает проявление хрупкости и снижается проявление пластичности. Это обусловлено уменьшением количества незамерзшей воды в мерзлых грунтах при понижении отрицательной температуры, увеличением содержания льда-цемента, упрочнением твердых компонентов грунта (минералов и льда), а также возможным структурным уплотнением грунта за счет термического сжатия объемов всех его компонентов. Прочность на разрыв мерзлых глинистых грунтов больше зависит от температуры, чем прочность мерзлых мелкообломочных грунтов. Наибольшее влияние на величину R_p оказывает пониженная температура в интервале до −7…−10 °С.

На величину /?_р влияют особенности криогенной текстуры мерзлых грунтов, количество и тип ледяных включений, их пространственная ориентации в грунте, форма и другие факторы, сказывающиеся на прочности гpyнтa на разрыв. Исследованиями Л. Т. Роман и других авторов было установлено, что прочность на разрыв мерзлых слаборазложившихся торфов выше, чем у мерзлых суглинков, глин и чистого льда. Это объясняется тем, что при полном водонасыщении торфа значительное содержание льда, армированного растительными остатками, является причиной увеличения в грунте прочности цементационных связей по сравнению с глинистыми и песчаными грунтами. Армирование мерзлого грунта растительными волокнами имеет специфическую микроструктуру, придающую грунту высокую прочность на разрыв [50].

Сопротивление грунтов изгибу

Сопротивление грунта изгибу соответствует критерию его прочности, когда изгибающие усилия достигают предельного значения. Сущность метода заключается в определении разрушающей силы при изгибе образца породы, опирающегося на металлическое кольцо, при воздействии па него вертикальной нагрузки, передаваемой через кольцевой пуансон. Метод определения предела прочности при изгибе распространяется на твердые горные породы (исключая разрушенные и мерзлые) с коэффициентом крепости по Протодьяконову / не менее 0,5 (прочность при одноосном сжатии не менее 0,50…0,80 МПа) и его результаты используются в технической документации при расчетах и проектировании горных работ, горного оборудования, а также при проведении научноисследовательских работ (25].

Для определения пределов прочности грунтов на изгиб применяют: установку колонкового бурения или станок вертикально-сверлильный, или радиально-сверлильный для выбуривания образцов; машину камнерезную, снабженную отрезными алмазными кругами диаметром не менее 250 мм; стойку с часовым индикатором для контроля параллельности поверхностей образцов горных пород; пресс с гидравлическим приводом или универсальную испытательную машину мощностью, на 20…30% превышающей разрушающую силу, — для испытания образцов; устройство испытательное (рис. 8.48), состоящее из стального опорного кольца I и кольцевого штампа 2.

Рис. 8.48. Устройство испытательное: / - опорное кольцо; 2 кольцевой штамп [25].

Заготовки для образцов получают выбуриванием из проб керна диаметром 90… 100 мм. От полученных заготовок на камнерезной машине отрезают дискообразные образцы толщиной 10 ± 1 мм. Плоские поверхности образцов должны быть параллельны. Отклонения не должны превышать 0,1 мм по диаметру образца.

Образец горной породы кладут на опорное кольцо, а сверху на него ставят кольцевой пуансон. Отцентрировав испытательное устройство с образцом по вертикальной оси, помещают его между плитами пресса так, чтобы вертикальная ось устройства совмещалась с продольной осью пресса. Отклонения между осями при установке допускается не более 1…2 мм.

Скорость нагружения образца при испытаниях выбирают в пределах 1…30 кг/см²хс в зависимости от прочности породы. Выбранную скорость нагружения сохраняют до разрушения образца, записывают максимальную величину разрушающей образец силы, зафиксированную силоизмерителем пресса.

Предел прочности горной породы при изгибе (R_m), кг/см", вычисляют для каждого испытанного образца по формуле.

где Р — максимальная разрушающая сила, кг; И — толщина образца, см.

Для практических расчетов с погрешностью не более 10%, с учетом, что h = 1 см, предел прочности при изгибе вычисляют по формуле /?," = QJ5P [25].