Одноосное сжатие скальных грунтов гост: ГОСТ Р 59934-2021. Грунты. Метод определения предела прочности при одноосном сжатии скальных

Содержание

Прочность грунта на сжатие (одноосное сжатие) – таблица и описание

Прочность грунта на сжатие – это его устойчивость к вертикальным сжимающим нагрузкам. Показатель определяется соотношением силы давления, при которой образец разрушается, к площади его сечения до начала испытаний. Обозначается такая прочность буквами Rc, измеряется в МПа (мегапаскалях).

Прочность грунта на сжатие (одноосное сжатие)
Порядок проведения испытаний
Прочность на одноосное сжатие разных типов грунтов
Прочность на одноосное сжатие скальных грунтов
Прочность на одноосное сжатие дисперсных грунтов
Прочность на одноосное сжатие мерзлых грунтов

При одноосном сжатии имитируется давление на грунт фундамента здания. Показатель позволяет правильно рассчитать нагрузку, которую может выдержать грунт в основании сооружений, дорог или насыпей. Больше всего он влияет на несущую способность и усадку.

Если грунт слабый, под весом фундамента он будет разрушаться и деформироваться. Это приведет к перекосу здания, появлению трещин в стенах. На дорожном полотне из-за слабого основания образуются ямы. Чтобы этого не случилось, нужно правильно рассчитать давление – оно не должно превышать прочность основания. При необходимости грунты укрепляют трамбовкой, частично или полностью заменяют более прочными разновидностями (скалой, гравием, щебнем).

Порядок проведения испытаний

Методика описана в ГОСТ 12248-2010. Для проведения опыта берут грунт с ненарушенным сложением. Требования к образцу отличаются в зависимости от типа грунта.

Для скального и полускального (крупнообломочного, трещиноватого, песчаного):

Форма – цилиндр или куб
Диаметр сечения (стороны куба) – 40-100 мм (для трещиноватого – не менее 60 мм)
Соотношение высоты к диаметру (стороне куба) – 1,8:2
Максимальный размер частиц – 1/10 диаметра или стороны куба
Не допускают к испытанию трещиноватый грунт с дефектами, полностью нарушающими целостность образца

Для глинистого грунта:

Форма – цилиндр
Диаметр – не менее 38 мм
Соотношение высоты и диаметра – 1,8-2,5
Максимальный размер включений и агрегатов – до 1/6 диаметра

Инструментарий для проведения опыта:

Пресс с отполированной поверхностью для создания вертикальной нагрузки
Прибор для измерения вертикальной и поперечной деформации грунта

Образец устанавливают по центру опорной плиты пресса и приступают к испытанию:

Пресс плавно и без ударов опускают на грунт. Скорость нагружения увеличивают ступенями, приблизительно по 0,1-0,5 МПа/с для полускального и скального грунта либо на 0,5-2% в минуту для глинистого (заметьте, что для разных грунтов используются различные вычисления).
Затем измеряют вертикальную деформацию с точностью до 0,01 мм для глинистого грунта и до 0,001 мм для остальных. Во время испытания записывают минимум 10 результатов.
Исследования проводят до тех пор, пока грунт не начнет разрушаться. Глинистые образцы могут долго сохранять свою целостность. Поэтому их прочность на сжатие определяют в момент, когда деформации достигают 15% от первоначальной высоты.

После завершения опыта предел прочности вычисляют по формуле:

Прочность на одноосное сжатие разных типов грунтов

Прочность на одноосное сжатие отличается у разных типов грунтов. На нее влияют как строение материала, так и внешние факторы.

Прочность на одноосное сжатие скальных грунтов

Скальные грунты относятся к самым прочным материалам. Но показатель в этой группе меняется в зависимости от целого ряда факторов.

На него влияют:

Структурные особенности грунта
Самыми прочными являются связи в кристаллических решетках минералов горной породы, которые преобладают в магматических и метаморфических грунтах. Почти не уступают им цементационные, образованные глинистыми минералами, известняком, железистыми и кремнистыми соединениями. Они встречаются во всех типах скальных грунтов. Гораздо слабее смешанные и коагуляционные контакты между частицами, которые быстро растворяются в воде.
Дисперсность
Скальные грунты – это неоднородные материалы. Они состоят из зерен разного размера, прочно связанных между собой кристаллическими или цементационными связями. Чем больше выражена зернистость, тем лучше грунт переносит вертикальные нагрузки. Крупные кристаллы менее устойчивы к нагрузкам, чем мелкие.
Дефекты
Чем больше в грунте дефектов (в кристаллических решетках, внутри агрегатов и конгломератов, между разными частями массива), тем легче он поддается разрушению. Наибольшей прочностью обладают однородные скальные и метаморфические грунты с минимальным количеством дефектов – гранит, мрамор, кварцит.
Выветрелость, пористость и трещиноватость
Эти три параметра тесно связаны между собой. Чем больше степень выветривания грунта, тем больше в нем появляется трещин и пор разного размера. Это негативно сказывается на прочности материала при одноосном сжатии.
Наибольшей выветрелостью обладают грунты, которые располагаются близко к поверхности. Осадочные породы быстрее разрушаются под воздействием факторов внешней среды, чем магматические или метаморфические.
Влажность
Вода и растворенные в ней соли – это агрессивная химическая среда. Она проникает в мельчайшие поры и трещины, способствует ослаблению и разрыву связей между минералами. Влага действует на грунты как растворитель, порода под ее действием размягчается. Такое явление наиболее свойственно осадочным грунтам – загипсованным известнякам и доломитам. Это способствует снижению сопротивления грунта вертикальной нагрузке.
Прочность может временно повышаться при полном заполнении пор грунта жидкостью. Но после отжатия воды под действием пресса он снижается.

В таблице представлена прочность на одноосное сжатие некоторых скальных грунтов.

Большая разница между минимальным и максимальным показателем связана со степенью выветрелости и трещиноватости грунта. Они зависят от расположения массива. Чем ближе он к поверхности земли, тем более разрушающее действие оказывает на грунт внешняя среда. На показатель в каждом конкретном случае могут также повлиять минеральный состав и наличие слабых пород.

Как видно из таблицы, самой большой прочностью при одноосном сжатии обладают магматические грунты. Среди них выделяются гранит, диорит, базальт и габбро. Почти не уступают им кварциты из группы метаморфических грунтов. Высокой прочностью также обладает известняк с включениями кварца.

Скальные и полускальные грунты разделяются на типы по прочности на основе сопротивления одноосному сжатию (ГОСТ 25100-2020).

Информацию об этом вы найдете в таблице.

Прочность на одноосное сжатие дисперсных грунтов

Дисперсные грунты состоят из отдельных частиц разного размера. Они могут связываться между собой в конгломераты и агрегаты. Контакты между зернами цементационные, коагуляционные, физические (за счет силы трения).

Прочность дисперсных грунтов намного ниже, чем у скальных.

На показатель влияют такие факторы:

Минеральный состав
Он во многом определяет тип связей между частицами и дисперсность грунта. Глинистые минералы (монтмориллонит, каолинит) способны связывать воду, за счет чего возникают дополнительные коллоидные связи между отдельными частицами. Дисперсность монтмориллонитовых грунтов выше, чем у коалинитовых, поэтому и контактов между отдельными зернами больше. Такие глинистые грунты обладают большей прочностью на сжатие.
Показатель зависит и от содержания катионов в грунте. Она увеличивается при высоком содержании натрия, гидрата азота, марганца, снижается при появлении магния, кальция и калия. Самые низкие показатели у грунтов с высоким содержанием алюминия.
Сложение
В естественном сложении дисперсный грунт обладает большей прочностью. При нарушении его природной структуры разрушается часть физических и коагуляционных контактов, что делает грунт более чувствительным к нагрузкам.
Слоистость
Прочность возрастает, если давление прикладывается перпендикулярно грунтовых слоев.
Влажность
От количества влаги зависит консистенция грунта. Она бывает твердой, полутвердой, пластичной и текучей. Лучше всего сопротивляются вертикальному давлению твердые и полутвердые глинистые грунты. В них преобладают прочные цементационные связи. При увеличении влажности контакты ослабевают, на первое место выходят слабые коагуляционные связи. Поэтому грунт теряет прочность.
Плотность
При одноосном сжатии плотность увеличивается, а вместе с ней растет и прочность. Но эта закономерность нелинейная. В определенный момент, при максимальной плотности, показатель прочности почти не меняется.
Гранулометрический состав
При вертикальных нагрузках крупные зерна разрушаются быстрее, чем мелкие. Поэтому неоднородные грунты с крупными включениями более слабые, чем мелкозернистые.

Среди дисперсных грунтов самой высокой прочностью обладают литифицированные (окаменевшие) сухие глины. Но при повышении влажности они довольно быстро теряют это качество.

Прочность на одноосное сжатие мерзлых грунтов

Основной фактор, который влияет на сопротивление сжатию мерзлых грунтов, – это включения льда. Они выступают цементирующим веществом и обеспечивают прочные контакты между отдельными частицами.

Самые высокие показатели наблюдаются при влажности 80-90%. Когда она возрастает, прочность на сжатие падает из-за морозного пучения. Показатель снижается, если температура приближается к нулю, так как это вызывает таяние леденистых включений.

Значение имеет и тот факт, в какой форме находится лед. Прочность высокая, когда в грунте есть много тонких прослоек льда (до 10-30 см в толщину). Мелкие кристаллы в порах негативно влияют на показатель. Снижается способность к сопротивлению вертикальному давлению при наличии в грунте массивных ледяных глыб (с толщиной, превышающей 30 см).

Прочность грунтов на сжатие важно определять перед началом любого строительства. Она позволит правильно рассчитать тип фундамента, этажность здания. Правильно вычислить показатель могут только специалисты. Поэтому экономить на профессиональных геодезических исследованиях не стоит.

О других видах прочности грунтов читайте в наших статьях:

Прочность грунта на растяжение
Прочность грунта на сдвиг

Также рекомендуем вам ознакомиться с нашей общей статьей Прочность грунта.

5.2 Разновидности грунтов по гост 25100–95

Грунт
– горные породы, почвы, техногенные
образования, представляющие собой
многокомпонентную и многообразную
геологическую систему и являющиеся
объектом инженерно-хозяйственной
деятельности человека.

Различают
грунты: скальные – монолиты или
трещиноватые массивы; рыхлые (нескальные)
– крупнообломочные, песчаные и глинистые
породы. Грунты могут служить материалом
оснований сооружений, материалом самого
сооружения (дорог, насыпей, плотин), а
также средой для размещения сооружений
(тоннелей, трубопроводов, хранилищ).

Природные
скальные
– грунты с жесткими структурными
связями (кристаллизационными и
цементационными).

Природные
дисперсные
– грунты с механическими и водноколлоидными
структурными связями.

Природные
мерзлые
– грунты с криогенными структурными
связями.

Техногенные
(скальные, дисперсные и мерзлые) –
грунты с различными структурными
связями, образованными в результате
деятельности человека.

Грунт
скальный
– грунт, состоящий из кристаллов одного
или нескольких минералов, имеющих
жесткие структурные связи кристаллизационного
типа (прочность на одноосное сжатие
R_с>5
Мпа).

Грунт
полускальный
– грунт, состоящий из кристаллов одного
или нескольких минералов, имеющих
жесткие структурные связи цементационного
типа (прочность на одноосное сжатие
Rc≤5 Мпа).

Грунт
дисперсный
– грунт, состоящий из отдельных зерен
разного размера, слабосвязанных друг
с другом – результат выветривания
скальных грунтов, транспортировки
продуктов выветривания водным или
эоловым путем и их отложения.

Прочность
– свойство грунтов сопротивляться
разрушению под действием внутренних
напряжений, вызванных внешними силами.

По
пределу прочности на одноосное сжатие
R_с,
в водонасыщенном состоянии грунты
подразделяются:

– очень
прочные, R_с>120
МПа;

– прочные,
120>R_с>50
МПа;

– средней
прочности, 50>R_с>15
МПа;

– малопрочные,
15 >R_с>5
МПа;

– пониженной
прочности, 5>R_с>
3 МПа;

– низкой
прочности, 3>R_с>
1 МПа;

– очень
низкой прочности, R_с<1.

Выветривание
– совокупность процессов разрушения
горных пород, изменения их химического
и минерального состава в результате
внешних воздействий. Степень разрушения
породы в результате процессов выветривания
определяется по коэффициенту выветрелости
грунта, К_ws,д.е.

K_ws=ρ/ρ₀ (1)

где,
ρ – плотность выветрелого, ρ₀
– плотность монолитного грунта.

По
коэффициенту выветрелости скальные
грунты подразделяются

− невыветрелые
(монолитные) К_ws=1;

− слабовыветрелые
1≥К_ws>0,9;

− выветрелые
0,9≥К_ws>0,8;

− сильновыветрелые
(рухляки) К_ws<0,8.

Размягчаемость
– уменьшение прочности скальных грунтов
при водонасыщении. Численно характеризуется
коэффициентом размягчаемости К_sof,
д.е., отношение пределов прочности
грунта на одноосное сжатие в водонасыщенном
и в воздушно-сухом состоянии.

По
коэффициенту размягчаемости грунты
подразделяются:

– неразмягчаемые
К_sof
>0,75;

– размягчаемые
К_sof
<0,75.

По
приведенным в таблице 1 показателям
физико-механических свойств вычислить
классификационные характеристики
грунта и дать его наименование по ГОСТ
25100–95.

Таблица
1

Показатели
физико-механических свойств грунтов

Номер варианта	Петрографический тип	Плотность грунта, г/см³		Временное сопротивление одноосному сжатию, МПа
Номер варианта	Петрографический тип	невыветрелого	выветрелого	в воздушно-сухом состоянии	в водонасыщенном состоянии
1	Гранит	2,80	2,65	135	128
2	Алевролит	2,20	2,02	15	4
3	Доломит	2,36	1,93	34,1	16,4
4	Гнейс	2,73	2,41	111	90
5	Дунит	3,17	2,80	102	101
6	Песчаник	2,20	1,96	15	10
7	Сиенит	2,70	2,45	140	131
8	Известняк	2,35	1,89	6	4
9	Мрамор	2,55	2,15	21	14
10	Порфирит	2,53	2,20	155	100
11	Аргиллит	2,50	1,90	20	12
12	Сланцы	2,20	1,78	8	5
13	Дунит	3,20	3,14	92,5	83,1
14	Гипс	2,18	1,92	12	9
15	Конгломерат	2,15	1,,85	75	40

Механические свойства образцов горных пород при одноосном сжатии в мягких и твердых композитных слоях и проверить механические свойства образцов.

Изучение механических свойств образцов подобного материала путем искусственного изготовления может позволить альтернативный метод решения этой проблемы. Поэтому возможность искусственного пробоподготовления и испытания механических свойств образцов горных пород в композитных толщах становятся ключом к решению проблемы изучения механических свойств верхних мягких слоев и нижних твердых композитных слоев. Для этого были изготовлены искусственные композитные образцы, состоящие из двух видов материалов с различной прочностью, с использованием цемента и каолина в качестве аналогичных материалов. С помощью испытания на одноосное сжатие образцов искусственных композитных пород было проанализировано влияние коэффициента прочности аналогичных материалов и отношения толщины материалов с более высокой прочностью на механические свойства образцов композита. Результаты испытаний на одноосное сжатие показывают, что искусственные подобные материалы могут быть использованы для имитации трудноизвлекаемых образцов композитных горных пород. Без учета структурного эффекта интерфейса, чем выше коэффициент прочности аналогичных материалов, тем больше влияние на общую прочность композитных образцов. Изменение объемной доли высокопрочных материалов оказывает существенное влияние на общую прочность композитных образцов. Более того, численное моделирование и экспериментальные кривые напряжения-деформации показывают аналогичную тенденцию, указывая на то, что деформация композитных слоев в основном происходит в мягкой части. Результаты исследования могут служить ориентиром для испытаний и анализа механических свойств в подобных сложных пластах с трудным опробованием.

1. Введение

С развитием подземной техники неизбежно будут встречаться верхняя мягкая и нижняя твердая композитные толщи [1–5]. Этот вид пласта часто обусловлен геологическим движением и разной степенью выветривания. Верхняя часть представляет собой слабую толщу с более высокой степенью выветривания, а нижняя часть – твердую толщу с меньшей степенью выветривания [6]. Когда подземная инженерия строится в такого рода композитном пласте, это вызовет инженерные катастрофы, такие как неравномерное напряжение обрушения окружающих горных пород из-за неправильных строительных мер или других потенциальных рисков [1].

Исследования композитных пластов в основном сосредоточены на строительстве тоннелей [2, 7–10] и добыче угля [11–13]. Существует множество исследований по механике туннеля и контролю деформации при проходке туннеля в композитном пласте. В связи с влиянием механических свойств композитных пород строительство большепролетных станций в верхних мягких и нижних твердых слоях часто оказывается в центре внимания исследований [3–6]. Однако трудно получить расчетные параметры сложного пласта при проведении численного расчета и анализа, которые необходимо получить с помощью испытаний механики горных пород. Кроме того, некоторые ученые обсуждали строительство туннелей в верхних мягких и нижних твердых слоях, а также напряжение и строительную деформацию окружающей породы с помощью модельных испытаний [8]. Более того, щитовые тоннели, проходящие через твердые и мягкие композитные толщи, подобны. Анализ устойчивости можно было бы провести с помощью крупномасштабных модельных испытаний [7, 14], но этот метод очень сложен и неэкономичен. Следовательно, это наиболее осуществимый и экономичный метод исследования для получения механических свойств композитного пласта с помощью испытаний на механику горных пород.

В ходе существующих исследований было установлено, что очень трудно провести комплексную стратиграфическую выборку. Поэтому при механических испытаниях при добыче угля при исследовании композитного угольного пласта используется метод ручной подготовки образцов, и основная цель состоит в том, чтобы изготовить образцы угольно-породного композита для изучения их механических свойств. Нижняя часть образца представляет собой уголь, представляющий слабую часть; верхняя часть – скала, представляющая вершину [11–13, 15]. Кроме того, исследуется зона контакта композитного массива горных пород. При испытании на сжатие установлено, что механические свойства массива горных пород в зоне контакта снижаются, а пластическая площадь окружающей породы выработки в зоне контакта увеличивается в условиях сжатия [9].]. Однако композитный пласт в районе угледобычи отличается от такового в общем подземном строительстве. Таким образом, правило образования композитов в угледобывающей промышленности не может быть непосредственно применено к строительству подземных инженерных сооружений, но этот экспериментальный метод исследования может быть принят. Из-за сложности отбора проб горных пород в верхнем мягком и нижнем твердом композитном пласте было обнаружено, что не существует соответствующих испытаний образцов горных пород для мягких и твердых пластов в породе, окружающей туннель. Это эффективный метод исследования механических свойств образцов горных пород сложносоставной толщи путем искусственного опробования на основе метода испытания механических свойств образцов сложносоставной толщи угледобывающего района. Все чаще метод акустической эмиссии [16] в сочетании с традиционным испытанием на одноосное сжатие [17, 18] может помочь получить больше данных, полезных для оценки механических свойств.

В данной работе изучены механические свойства композитного массива горных пород в мягких и твердых композитных пластах. Цемент и каолин используются как аналогичные материалы для изготовления композитных образцов, состоящих из двух материалов с разной прочностью. Влияние соотношения прочности подобных материалов и соотношения толщин более прочных материалов на механические свойства композитных образцов исследовано методом испытания на одноосное сжатие. Кроме того, результаты эксперимента сравнивались с помощью численного моделирования FLAC3D.

2. Материалы и методы

2.1. Экспериментальная схема

В этом эксперименте обсуждаются механические свойства композитных слоев при различных соотношениях мягких и твердых слоев. Принимая за переменную толщину мягких и твердых слоев, ее можно разделить на пять типов: мягкая порода : твердая порода – 1 : 0, 1 : 3, 1 :1, 3 : 1 и 0 : 1, т. е. , в зависимости от объемной доли высокопрочных материалов, 0%, 25%, 50%, 75% и 100% пробоподготовки. Трудно сделать естественные и полные композитные образцы пластов. На этот раз вместо образцов природных горных пород используются образцы искусственного физического моделирования. Образцы моделирования однородны и могут рассматриваться как изотропные объекты.

2.2. Подготовка образцов

Чтобы отразить разницу в прочности аналогичных материалов и удобство проведения эксперимента, в качестве исходных материалов для приготовления образцов были выбраны цемент 32,5 меш и чистый белый каолин 4000 меш. Разница в прочности отражается изменением соотношения исходных материалов. 90% цемента и 10% каолина считаются образцами твердых пород. Цемент и каолин, составляющие по 50%, можно рассматривать как образцы мягких пород. Разница между мягкой и твердой частями искусственных образцов не определяется абсолютной прочностью, как у традиционного образца. Считается, что прочность твердой породы на одноосное сжатие более чем в 1 раз выше, чем у мягкой породы, поэтому можно различать мягкую породу и твердую породу. Состав и соотношение мягких и твердых пород показаны в таблице 1.

Композитный образец изготавливается методом прямой заливки, а граница раздела «мягкий-жесткий» естественным образом связана. На основе производства одного тестового образца различные мягкие и твердые материалы объединяются вместе. Два вида прочных материалов находятся в горизонтальном контакте (угол контакта равен 0°). Как показано на рисунке 1, буква S представляет материал с более низкой прочностью, который используется для представления слоя слабой породы; H представляет собой материал с более высокой прочностью, который используется для представления слоя твердой породы, а режим связи между двумя материалами представляет собой естественную цементацию.

Размеры образцов: 50 мм × 100 мм, всего 15 образцов (6 для одиночного образца и 9 для составного образца). Образцы заливали в течение 7 дней перед извлечением из формы. Образцы выдерживали в течение 28 дней, а затем полировали сдвоенные торцы. Наконец, образцы были измерены и пронумерованы.

2.3. Система и процесс тестирования

Система тестирования, показанная на рис. 2, включает модуль загрузки и модуль акустической эмиссии (АЭ), а на рис. 3 показаны фотографии приборов. Метод испытаний — одноосное сжатие плюс система испытаний акустической эмиссии.

Система загрузки представляет собой управляемую микрокомпьютером электрогидравлическую машину с сервоприводом YAW4306 с максимальной нагрузкой 3000 кН. Разрешение индикатора испытательного усилия (FS) составляет 1/300 000 с относительной погрешностью ±1%. Система могла не только контролировать приложенную силу или смещение образца, но и проводить эксперименты по одноосному сжатию, растяжению, циклическому нагружению и ползучести. Эксперимент контролируется перемещением. Диапазон смещения составляет 5,0 мм, скорость смещения — 0,002 мм/с, предел смещения — 3,20 мм.

Датчик АЭ симметрично располагают и закрепляют на образце, как показано на рис. 3(а), а затем образец помещают на систему загрузки. Осевое смещение регулируется за счет нагрузки на прокладку, а горизонтальное смещение регулируется с помощью датчика горизонтального зонда. После квалификации корректировки вводится информация о размере выборки, а параметры АЭ калибруются и предварительно загружаются. После предварительной нагрузки проводится АЭ-тест. После отладки нажмите кнопку работы с одной осью и кнопку сохранения данных акустической эмиссии, чтобы провести эксперимент.

3. Результаты и обсуждение

3.1. Проверка надежности аналогичного образца материала

Принимая во внимание ограниченный объем данных испытаний, необходимо проверить достоверность результатов испытаний. На рис. 4 представлены результаты испытания на одноосное сжатие с соотношением толщин 1 : 1 для образцов композитных горных пород. Из Рисунка 4 видно, что прочность и модуль упругости твердых пород являются самыми высокими, за ними следуют мягкие и твердые композитные слои и, наконец, мягкие породы. Чем выше прочность, тем более очевидна хрупкость. Кроме того, результаты одноосного сжатия также показывают, что композитная формация, выполненная в этом исследовании, соответствует требованиям. Чем больше разница в прочности между мягким и твердым камнем в реальном проекте, тем выше сложность строительства проекта. Для того, чтобы приблизиться к реальной композитной толще, разница прочности между выбранной в исследовании мягкой породой и твердой породой должна быть не менее чем в два раза. Прочность твердой породы в образце физического моделирования более чем в 2 раза выше прочности мягкой породы, что соответствует требованиям.

3.2. Влияние соотношения толщин на механические свойства образцов

Соотношение толщин высокопрочных материалов в двух видах композиционных материалов составляет 25%, 50% и 75% соответственно. Учитывая отношение мощности двух видов одиночных образцов породы, т. е. 0 % и 100 %, в каждой группе проводили по три испытания и брали среднее значение результатов испытаний.

Как показано на рисунках 5–7, без учета эффекта структурного интерфейса, прочность и модуль упругости композитных образцов увеличиваются с увеличением объемной доли более прочных материалов; Коэффициент Пуассона композитных образцов сначала увеличивается, затем уменьшается с увеличением объемной доли более прочных материалов, затем увеличивается, а затем уменьшается, показывая изменение М-типа. Видно, что при фиксированном соотношении прочности подобных материалов изменение соотношения толщин более прочных материалов оказывает существенное влияние на прочность композитных образцов.

На рис. 5 при малой толщине прочность композитного образца увеличивается приблизительно, экспоненциально и линейно. Однако при толщине более 80 % наклон кривой становится меньше, поэтому скорость роста прочности композитного образца соответственно уменьшается. Поэтому при малой толщине вклад твердой части в прочность композитного образца относительно велик, а при малой толщине вклад твердости в прочность композитного образца уменьшается.

На рисунке 6 видно, что закон изменения модуля упругости в зависимости от соотношения толщин отличается от закона изменения прочности в зависимости от соотношения толщин композитного образца. Когда отношение толщин превышает 80 %, наклон кривой становится больше, и соответственно увеличивается скорость упругого роста композитного образца. Следовательно, когда на мягкую часть приходится большая часть, модуль упругости увеличивается с увеличением отношения толщины. Когда на твердую часть приходится большая часть, модуль упругости быстро увеличивается.

Коэффициент Пуассона отражает взаимное влияние деформаций материала в разных направлениях. Характер изменения коэффициента Пуассона в зависимости от отношения толщины отражен на рисунке 7. Когда абсолютная доля материала велика, то есть когда все образцы твердые или все образцы мягкие, коэффициент Пуассона меньше. По мере увеличения доли твердой части увеличивается и коэффициент Пуассона. Однако, когда доля мягкого и твердого в композитном образце составляет половину, то есть когда соотношение толщины составляет 50%, оно относительно невелико. Это связано с деформацией и разрушением образца по средней части образца. Таким образом, коэффициент Пуассона изменяется с коэффициентом толщины, и кривая показывает изменение М-типа.

3.3. Акустико-эмиссионные характеристики композитных образцов

В процессе одноосного сжатия композитных образцов явление акустической эмиссии контролировали по восьми каналам в верхней и нижней группах. Датчик группы H был помещен на конец материала с более высокой прочностью, а датчик группы S был помещен на конец материала с более низкой прочностью. На рис. 8 показано одновременное количество АЭ и распределение вертикального напряжения для разных образцов. Из рис. 8 видно, что акустико-эмиссионный отклик образца от начального нагружения до окончательного разрушения очевиден, что соответствует изменению кривой растяжения образца при одноосном нагружении.

Как показано на рис. 8(a), когда в большинстве случаев мягкая порода, акустическая эмиссия группы S значительно выше, чем у группы H; аналогичным образом, на рисунке 8(b), когда мягкие и твердые породы составляют половину друг друга, события АЭ группы S значительно уменьшаются, в то время как события группы H постепенно увеличиваются; более того, на рис. 8(в), когда преобладает твердая порода, АЭ группы S почти не происходят, а АЭ группы H больше. Таким образом, можно было видеть, что количество АЭ изменяется с композитными образцами при одноосном сжатии, а также положением разрушения и формой образцов. С увеличением содержания твердой породы количество отсчетов АЭ в конце материалов с более высокой прочностью уменьшается, а в конце материалов с более низкой прочностью увеличивается.

Кроме того, точка мутации количества АЕ появилась немного раньше, чем точка мутации стресса образца. Это явление в основном связано с нагружением образца в процессе непрерывного увеличения внутреннего давления, а накопление и выделение энергии достигли пика. Количество АЭ сначала достигло пика, и после этого пика внутренние повреждения ускорились. После этого напряжение образца достигало пикового значения напряжения, но отсчет АЭ соответственно уменьшался. Поскольку образец подвергается внутреннему повреждению, он не может стимулировать большее количество акустической эмиссии.

4. Численный расчет

Для анализа механических характеристик композитных слоев с различным соотношением толщины мягких и твердых слоев использовалось программное обеспечение FLAC3D для анализа механического поведения композитных слоев на основе модели деформационного размягчения Мора– Кулоновский критерий разрушения при сдвиге. Как показано в таблице 2, он используется для моделирования механических параметров мягких и твердых пород. Параметры в таблице 2 взяты в соответствии с вышеупомянутыми результатами испытаний на одноосное сжатие и предыдущими литературными данными. Как при одноосном, так и при трехосном сжатии используется режим нагружения с контролируемой деформацией со скоростью деформации 0,02%/м, и равномерно распределенная нагрузка прикладывается вертикально вниз по Z -ось на верхней части модели.

Сравнение результатов численного моделирования и результатов испытаний физической модели механических испытаний на одноосное сжатие показано в таблице 3. Из таблицы видно, что прочность на одноосное сжатие и пиковая деформация мягких пород и твердых пород близки к вышеупомянутые результаты испытаний, которые подтверждают надежность результатов моделирования и закладывают основу для последующего анализа моделирования трехосного сжатия.

Кривая осевого напряжения-деформации и нефограмма максимального основного напряжения численного моделирования FLAC3D показаны на рисунках 9 и 10 соответственно. На рис. 9 показаны кривые осевого напряжения-деформации при одноосном сжатии при различных соотношениях толщин. Из рисунка видно, что механические свойства композитной толщи в большей степени контролируются литологией, что согласуется с результатами механических испытаний образцов.

На рис. 10 показана нефограмма максимального главного напряжения репрезентативных образцов. Из рисунка 10 видно, что деформация в основном происходит в части мягких пород, что также согласуется с результатами механических испытаний. Поскольку максимальное основное напряжение можно рассматривать как векторную сумму нормального напряжения и напряжения сдвига, максимальное главное напряжение используется для описания фактического напряжения на образце, а его размер определяет наличие трещин в образце и разрушение при сдвиге. . Значение мягкой части примерно в два раза превышает значение жесткой части, а отказ в мягкой части происходит первым в тесте, что согласуется с тестом. Следовательно, можно использовать этот метод для моделирования подобных композитных пород.

5. Выводы

(1) Когда происходит одноосное сжатие, хрупкое разрушение при растяжении происходит в композитном слое, а прочность находится между мягкой породой и твердой породой. Прочность твердой породы более чем в два раза выше, чем у мягкой породы, что указывает на то, что искусственное композитное образование может соответствовать требованиям разницы в прочности. (2) Одноосное сжатие с различными отношениями толщины показывает, что механические свойства композитных слоев определяются по литологии, на которую приходится большинство композитных пластов, без учета структурной плоскости и других факторов. (3) Образец композита имеет очевидные характеристики отклика акустической эмиссии от начальной нагрузки до окончательного разрушения. С увеличением коэффициента прочности аналогичных материалов конечный счет акустической эмиссии высокопрочных материалов постепенно уменьшается, а конечный счет акустической эмиссии материалов с меньшей прочностью постепенно увеличивается. Существует соответствующая взаимосвязь между изменением количества АЭ и положением разрушения и формой композитных образцов. (4) Значение моделирования FLAC3D близко к экспериментальному значению, что подтверждает надежность численного моделирования и поддерживает вывод механического тест. Как численное моделирование, так и физические эксперименты показывают, что деформация композитного пласта в основном происходит в мягких породах.

Доступность данных

Наборы данных, использованные и проанализированные в ходе текущего исследования, можно получить у соответствующего автора по обоснованному запросу.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Благодарности

Это исследование финансировалось Национальной наукой Китая (51478118), проектом Guangxi Science and Technology Plan Projects (AD18126011) и Китайским стипендиальным советом.

Каталожные номера

B. Wu, «Исследование вибрации конструкции туннеля для взрывных работ в верхнем мягком и нижнем твердом грунте», Серия конференций IOP: Earth and Environmental Science , vol. 242, ID статьи 062004, 2019.
Посмотреть по адресу:
Сайт издателя | Google Scholar
Дж. Ян, С. Ху и Б. Лю, «Устойчивость забоя выемки щитового туннеля в верхних мягких и нижних твердых композитных слоях», Tunnel Construction , vol. 40, нет. 2020. Т. 2. С. 223–230.
Просмотр по адресу:
Google Scholar
К. Сун, В. Сюй, В. Цю, Х. Ли, К. Сянь и Т. Ли, «Исследование характеристик распределения безопасности, изменяющихся с глубиной залегания для станции метро в верхнем мягком и нижнем твердом слое», Достижения в области гражданского строительства , том. 2018 г., идентификатор статьи 6047919, 14 страниц, 2018 г.
Посмотреть по адресу:
Сайт издателя | Google Scholar
Ю. Шан, С. Ду, Т. Хань и Б. Шао, «Пример контроля деформации верхнего мягкого и нижнего твердого туннеля с использованием технологии комбинированного управления и демонстрации мониторинга». Sains Malaysiana , vol. 46, нет. 11, стр. 2091–2099, 2017.
Посмотреть по адресу:
Сайт издателя | Google Scholar
Дж. Ван, «Исследование адаптируемости метода покрытия основной опорной арки для крупнопролетных встроенных туннелей в верхнем мягком нижнем твердом слое», Достижения в области машиностроения , том. 11, нет. 1, 2019.
Посмотреть по адресу:
Сайт издателя | Google Scholar
Х. Ту, «Раскопки и кинематический анализ неглубокого туннеля с большим пролетом в верхнем мягком / низком твердом слое породы», Тоннелестроение и подземная космическая техника , вып. 97, 2020.
Посмотреть по адресу:
Сайт издателя | Google Scholar
S. -Q. Ян, М. Чен, Г. Фанг и др., «Физический эксперимент и численное моделирование проходки туннелей в наклонных верхних мягких и нижних твердых слоях», Tunneling and Underground Space Technology , vol. 82, стр. 248–264, 2018.
Посмотреть по адресу:
Сайт издателя | Google Scholar
W. Wang, «Время преобразования методов проходки туннеля в верхнем мягком и нижнем твердом пласте на основе теории угла направления смещения: тематическое исследование», Международный журнал геомеханики , том. 19, нет. 4, 2019.
Посмотреть по адресу:
Сайт издателя | Google Scholar
А. Яссаги и Х. Салари-Рад, «Условия сжатия горных пород в зоне контакта изверженных пород в туннелях Талун, шоссе Тегеран-Шомаль, Иран: тематическое исследование», Международный журнал горной механики и горного дела. наук , вып. 42, нет. 1, стр. 95–108, 2005 г.
Посмотреть по адресу:
Сайт издателя | Академия Google
Y. Tang и J. Xu, «Защитные туннели в композитных образованиях на границе раздела порода-грунт», Geotechnical and Geological Engineering , vol. 34, нет. 6, стр. 1693–1705, 2016.
Посмотреть по адресу:
Сайт издателя | Google Scholar
Х. Чжан, З. Ван, Ю. Чжан и Д. Ву, «Механические свойства и поведение при разрушении композитных образцов», Достижения в области материаловедения и инженерии , том. 2018, ID статьи 2545127, 16 страниц, 2018.
Посмотреть по адресу:
Сайт издателя | Google Scholar
J. Liu, E. Wang, D. Song, S. Wang, and Y. Niu, «Влияние прочности горных пород на режим разрушения и механическое поведение композитных образцов», Arabian Journal of Geosciences , об. 8, нет. 7, стр. 4527–4539, 2014.
Посмотреть по адресу:
Сайт издателя | Google Scholar
С. Чен, Ю. Ге, Д. Инь и Х. Ян, «Экспериментальное исследование одноосного разрушения образцов композита горная порода-уголь с уже существующими трещинами в угле», Достижения в области гражданского строительства , том. 2019 г., идентификатор статьи 8397598, 12 страниц, 2019 г.
Посмотреть по адресу:
Сайт издателя | Google Scholar
S.-Q. Ян, «Крупномасштабный модельный эксперимент и численное моделирование конвергентной деформации при проходке тоннелей в композитных пластах», Tunneling and Underground Space Technology , vol. 94, 2019.
Посмотреть по адресу:
Сайт издателя | Google Scholar
Х. Чжан, Д. Элсворт и З. Ван, «Реакция композитных образцов каменного угля на отказ», Геомеханика и геофизика для геоэнергетики и георесурсов , том. 4, нет. 2, стр. 175–192, 2018 г.
Посмотреть по адресу:
Сайт издателя | Google Scholar
T. Qin, H. Sun, H. Liu et al., «Экспериментальное исследование характеристик механической и акустической эмиссии образцов горных пород при различных путях воздействия», Shock and Vibration , vol. 2018 г., идентификатор статьи 4813724, 9 страниц, 2018 г.
Посмотреть по адресу:
Сайт издателя | Академия Google
М. Цзи, К. Чен и Х. Дж. Го, «Конструктивная модель одноосного повреждения горных пород, основанная на статистике прочности горных пород», Достижения в области гражданского строительства , том. 2018 г., идентификатор статьи 5047834, 8 страниц, 2018 г.
Посмотреть по адресу:
Сайт издателя | Google Scholar
Р. Сюй, «Влияние угла наклона дефекта на растрескивание скалоподобных материалов при одноосном сжатии», Достижения в области материаловедения и инженерии , том. 2019, ID статьи 6942586, 10 страниц, 2019 г.
Посмотреть по адресу:
Сайт издателя | Google Scholar

Copyright

Copyright © 2020 Bo Wu and Wei Huang. Эта статья находится в открытом доступе и распространяется в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии надлежащего цитирования оригинальной работы.

Испытание на неограниченное сжатие | Geoengineer.org

Тест на неограниченное сжатие — это лабораторный тест, используемый для получения неподтвержденной прочности на сжатие (UCS) образца горной породы. Неподтвержденная прочность на сжатие (UCS) означает максимальное осевое сжимающее напряжение, которое образец может выдержать при нулевом ограничивающем напряжении. Из-за того, что напряжение прикладывается вдоль продольной оси, испытание на неограниченное сжатие также известно как испытание на одноосное сжатие . UCS — это параметр, широко используемый в геотехническом проектировании, но он может не отражать прочность на месте. В больших масштабах на свойства массива сильно влияют другие факторы, включая неоднородности, разломы и выветривание.

Во время испытания, помимо осевой нагрузки, обычно измеряют осевую и поперечную деформации для определения модуля упругости образца и коэффициента Пуассона.

Лабораторная процедура

Отбор проб

Образцы извлекаются с помощью керна и тщательно отбираются, чтобы быть репрезентативными для исходной горной породы. Минимальный диаметр образца должен быть не менее 47 миллиметров и в 10 раз превышать размер самого большого зерна минерала (или в 6 раз больше для более слабых пород, например, песчаников, мергелей).

Отношение длины к диаметру (L/D) образцов должно составлять от 2,0 до 2,5 в соответствии с ASTM (Американское общество по испытаниям и материалам) и 2,5–3,0 в соответствии с ISRM (Международное общество механики горных пород). Цилиндрические поверхности подготовлены для того, чтобы быть плоскими и гладкими. В частности, торцы образца должны быть выровнены с допуском 0,02 мм и не должны отклоняться от перпендикулярности более чем на 0,06 градуса.

Целью процедуры является сохранение свойств образца на месте до проведения испытания. Поэтому влажность, зарегистрированная в полевых условиях, также должна сохраняться до испытаний.

Для получения надежного значения UCS требуется не менее 5 образцов.

Аппаратура

Аппаратура, используемая для проведения испытания на неограниченное сжатие, состоит из следующих частей:

Нагружающее устройство: Нагружающее устройство должно быть спроектировано так, чтобы постоянно прилагать нагрузку с требуемой скоростью до конца испытания. Тест может быть стресс-контролируемым или стресс-контролируемым. Отмечается, что только устройства с регулируемой деформацией могут фиксировать поведение материала после разрушения.

Пластины: Осевое напряжение, прикладываемое нагружающим устройством, передается на образец двумя стальными пластинами, изготовленными с минимальной твердостью по Роквеллу 58. Их диаметр должен быть как минимум равен диаметру образца. Отношение длины к диаметру также должно быть не менее 0,5.

Устройства для измерения деформации: Осевые и поперечные деформации измеряются различными устройствами (например, линейными регулируемыми дифференциальными трансформаторами (LVDT), компрессометрами, тензодатчиками электрического сопротивления).

Процедура испытания

Две пластины должны быть тщательно очищены перед помещением образца в испытательную камеру. Нагрузку следует прикладывать непрерывно со скоростью от 0,5 МПа/с до 1,0 МПа/с (в случае нагрузочного устройства, регулируемого напряжением), и отказ должен произойти примерно через 10 минут. Данные о напряжении и деформации могут быть зарегистрированы с помощью электронной системы, которая имеет соответствующие характеристики точности. Максимальная нагрузка записывается в ньютонах с точностью до 1%.

Результаты

Типичная диаграмма напряжения-деформации, полученная в результате испытания на одноосное сжатие ненарушенного образца базальта, представлена на Рис. 1 . UCS является пиковым значением диаграммы и равен 44,7 МПа. Фотографии образца до и после испытания представлены на рис. 2. В процессе разрушения трещины распространяются снизу вверх по образцу, срезая большой кусок образца.

Рисунок 1: Кривая напряжения-деформации для испытания на неограниченное сжатие образца базальта.

Рисунок 2: Фотографии образца до и после процедуры испытаний.

Запись процесса испытаний другого образца базальта представлена на видео ниже.

Расчеты

Осевая деформация вычисляется как:0363 a : Осевая деформация, Δl: Изменение измеренной осевой длины и L ₀ : Исходная длина образца.

Диаметрическая деформация рассчитывается как:

ε _D = Δ _D/ D ₀

, где ε _D: DIDAMEL Strate, DIAMER, DIAMER, DIAMER, DIAMER, _{DIATER, DIAMER, DIAMER, _{DIDER. : начальный диаметр образца.}}

Напряжение сжатия рассчитывается как:

σ = P / A ₀

Где σ: сжимающее напряжение, P: нагрузка и A ₀: начальная площадь поперечного сечения образца.

Следовательно, Рассчитается незаконфинированная прочность на сжатие для максимальной нагрузки:

σ _UCS = P _MAX/ A ₀

9002 The Modul представляет собой отношение между осевым напряжением и осевой деформацией, может быть получено несколькими методами. Обычно его рассчитывают при уровне напряженно-деформированного состояния около 50 % от максимальной нагрузки.

E = Δ _σ / Δε _a (при 50% максимальной нагрузки)

d / ε _a )

Поправки на размер:

Согласно ASTM предпочтительное отношение L/D образца составляет 2,0. Поэтому для больших соотношений применяется формула коррекции (меньшие порции недопустимы). В частности, прочность на одноосное сжатие пересчитывается как:

σ _c = σ _UCS / (0,88 + 0,222*(D/L))

Где σ _c — скорректированная прочность на одноосное сжатие.

Характеристика горных пород и типичный диапазон UCS на основе типов горных пород

Основываясь на их прочности на одноосное сжатие, породы можно охарактеризовать от очень слабых до очень прочных следующим образом: Диапазон прочности (МПа)

Typical rock types

Very weak

10-20

weathered and weakly-compacted sedimentary rocks

Weak

20-40

слабосцементированные осадочные породы, сланцы

Средние

40-80

компетентные осадочные породы; некоторые низкоплотные крупнозернистые магматические породы

Крепкие

80-160

прочные магматические породы; некоторые метаморфические породы и мелкозернистые песчаники

Таблица 1: Классификация твердости пород (от Attewell & Farmer 1976).

The range of the Uniaxial Compressive Strength for a large amount of typical rock types is presented in Table 2.

Typical Rock Types	Uniaxial Compressive Strength (MPa)
Гранит	100-250
Диорит	150-300
Diabase	100-350
Gabbro	150-300
Basalt	100-300
Гнейс	50-200
Мрамор	100-250
Slate	100-200
Quartzite	150-300
Sandstone	20-170
Сланец	5-100
Limestone	30-250
Dolomite	30-250

Table 2: Typical values of Uniaxial Compressive Strength for a various number of rocks (from Attewell и Фармер, 1976).