Экспериментальное исследование влияния слабых циклических воздействий на сопротивление сыпучих материалов срезу тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.07 ВАК РФ

Косых, Владимир Петрович АВТОР
кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
Новосибирск МЕСТО ЗАЩИТЫ
1997 ГОД ЗАЩИТЫ
   
01.02.07 КОД ВАК РФ
Диссертация по механике на тему «Экспериментальное исследование влияния слабых циклических воздействий на сопротивление сыпучих материалов срезу»
 
 
Текст научной работы диссертации и автореферата по механике, кандидата технических наук, Косых, Владимир Петрович, Новосибирск



с

российская академия наук

сибирское отделение институт горного дела

На правах рукописи

у/ косых владимир петрович

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СЛАБЫХ ЦИКЛИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА СОПРОТИВЛЕНИЕ СЫПУЧИХ

МАТЕРИАЛОВ СРЕЗУ

Специальность 01.02.07 - Механика сыпучих тел, грунтов и горных пород

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор А.Ф. РЕВУЖЕНКО

Новосибирск -1997

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................4

Глава 1. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ СРЕЗА СЫПУЧЕГО

МАТЕРИАЛА ПРИ ОДНОВРЕМЕННОМ ВОЗДЕЙСТВИИ НА НЕГО ПОСТОЯННОЙ СТАТИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ И СЛАБЫХ ВИБРАЦИЙ....................................................................5

1.1 Экспериментальный стенд..........................................................17

1.2 Методика проведения экспериментов........................................22

1.3 Результаты исследований............................................................26

Выводы.......................................................................................40

Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СРЕЗА СЫПУЧЕГО МАТЕРИАЛА ПРИ ОДНОВРЕМЕННОМ ВОЗДЕЙСТВИИ НА НЕГО СТАТИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ И СЛАБЫХ УДАРОВ......................................................................42

2.1 Экспериментальный стенд..........................................................44

2.2 Методика статических испытаний сыпучих материалов

на срез...........................................................................................49

2.3. Исследование процессов деформирования сыпучего материала под действием постоянной срезывающей силы и многократно повторяющихся слабых ударов.............................51

2.4. Исследование релаксации усилий упругого элемента под действием длительных слабых ударов.......................................61

2.5. Устойчивость тяжелой колонны.................................................74

Выводы.....................................................................................75

Глава 3. ОБРАЗОВАНИЕ ВРЕМЕННЫХ СТРУКТУР ЗА

ПЕРИОДИЧЕСКИ ПЕРЕМЕЩАЮЩЕЙСЯ ПОДПОРНОЙ СТЕНКОЙ........................................................................................77

3.1. Экспериментальный стенд...........................................................78

3.2. Результаты экспериментальных исследований...........................85

Выводы..........................................................................................96

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................98

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ..............................................................98

ЛИТЕРАТУРА............................................................................101

ВВЕДЕНИЕ

Совершенствование технологических схем безопасного и рационального извлечения полезных ископаемых невозможно без знания закономерностей деформирования породных массивов.

Горные породы обладают многообразием и сложностью механических свойств. Зернистость породной структуры, слоистость, трещиноватость, различного рода включения нарушают физическую сплошность массива, в результате чего он оказывается разбитым на отдельные структурные элементы, блоки различных масштабных уровней

Сыпучие материалы обладают более простыми реологическими свойствами, но при этом сохраняют основные признаки горной породы: внутреннее трение и дилатансию. Поэтому, с одной стороны сыпучие материалы выступают как модель горного массива, а с другой они сами по себе являются горными породами (руда, дробленая горная масса, уголь и т.п.).

Горные породы в массиве находятся под действием долговременных статических нагрузок. В процессе добычи полезных ископаемых они дополнительно подвергаются многократным квазистатическим и динамическим воздействиям различной интенсивности. Для успешного решения возникающих при этом задач необходимо располагать данными о закономерностях деформирования геоматериалов при соответствующих статических напряженных состояниях и наложенных на них повторяющихся динамических и квазистатических нагрузках.

Как известно, основным видом деформации, вызывающим разрушение сыпучих материалов, является срез. Поэтому определение закономерностей развития деформаций среза, вызываемых в них заданной статической срезывающей силой и циклическими динамическими и

квазистатическими нагрузками, является актуальной задачей.

Влияние повторного и пульсирующего нагружения на прочностные и деформационные свойства различных материалов исследовалось многими отечественными и зарубежными учеными как теоретически, так и экспериментально. Закономерности деформирования и разрушения твердых тел при повторных нагрузках широко изучены на металлах [1,2,3], бетонах [4], композиционных материалах [5].

Проводились такие исследования и на горных породах [6,7]. Циклический характер нагружения существенно влияет на механизм и характер разрушения горных пород. При переменных циклических нагрузках в породе накапливаются повреждения, постепенно разрыхляющие образец в плоскости ослабления, в результате чего к некоторому моменту времени его прочность падает до значения действующего напряжения и происходит разрушение. Это явление достаточно широко распространено и его учет может привести к полезным результатам [8].

Влияние повторяющихся импульсных нагрузок на прочностные свойства и разрушение горных пород изучалось в [9,10]. Влияние серии слабых динамических нагрузок (микроэлектровзрывов) на накопление повреждений в канифолевых образцах экспериментально исследовалось в [11]. Отмечается, что хотя сколько-нибудь существенное нарушение массива после одиночного акта такого нагружения маловероятно, многочисленные повторяющиеся слабые воздействия на него могут привести к эффектам, связанным с накоплением повреждений, а также с изменениями прочности материала массива.

Влияние статических повторных нагружений на деформацию глубинных образцов горной породы изучалось в работе [12]. Образцы подвергались постоянной сжимающей нагрузке в течение нескольких

суток. Затем нагрузка снималась, и проводилось повторное нагружение. Так повторялось несколько циклов подряд. Оказалось, что в некоторых опытах на 6-9 циклах нагружения наблюдалось мгновенное укорачивание образца в направлении приложенной нагрузки. После этого процессы развивались не равномерно, а скачкообразно.

Обратимся теперь к грунтам и сыпучим материалам. Важным практическим вопросом является изменение прочности грунтов при динамических воздействиях. Как показали опыты по сдвигу вибрирующих штампов и определению прочности песчаных грунтов на динамическом стабилометре при вибрационных и пульсирующих нагрузках сопротивление сдвигу уменьшается [13].

Большой объем исследований был выполнен в условиях динамических воздействий в виде установившихся вибраций и ударов [14,15,16]. Основным направлением этих исследований были испытания несвязных грунтов в компрессионных приборах, устанавливаемых на вибрационные столы и сейсмоплатформы. Было установлено, что вибрационные воздействия вызывают два основных процесса деформирования: виброуплотнение и виброползучесть.

Вибрационные нагрузки влияют на прочность сыпучих материалов [17] и величину бокового давления [18]. В работе [19] установлено, что вибрационное нагружение сезонно-протаивающих иловато-песчаных грунтов (с ускорениями 0,1-1,0 g) вызывает уменьшение их прочности на 20-70%. После воздействия вибрационных нагрузок грунты уплотняются и их прочность становится выше первоначального уровня.

В настоящее время хорошо известно, что при одновременном действии на основание статических и динамических нагрузок наблюдаются три фазы деформации грунта. Первая имеет место при относительно небольших статических и динамических воздействиях. Осадка при этом

происходит за счет уплотнения песчаных грунтов. Вторая фаза характеризуется возникновением в толще грунта достаточно развитых областей пластических деформаций. В этом случае даже при небольших динамических воздействиях возникают существенные осадки с тенденцией к их увеличению. Осадки третьей фазы могут происходить как в песчаных так и в глинистых грунтах, они протекают с большой скоростью и носят катастрофический характер [20,21].

Деформации сыпучих сред при циклическом квзистатическом нагружении исследованы в [22,23,24,25]. Знакопеременные сдвиги меняют сухое трение на вязкое и приводят к образованию однородных обратимых упаковок материала. Это сказывается на прочностных свойствах образцов и величине возникающих при сдвиге напряжений.

Таким образом, в сыпучих материалах, как и горных породах, под действием циклических нагрузок происходит постепенное накопление деформаций и изменение прочностных свойств.

Согласно [11,20] в горных породах и грунтах под слабыми понимаются нагрузки, которые не превышают предела прочности материала и не приводят к разрушению его структуры за один цикл нагружения. Нагрузки, которые применялись в приведенных выше исследованиях сыпучих материалов не являлись, в этом смысле, слабыми, так как приводили к нарушению их структуры.

Влияние слабых циклических нагрузок на несущую способность сыпучих материалов в настоящее время исследовано недостаточно. Необходимость таких исследований вызывается строительством и эксплуатацией долговременных объектов повышенной опасности [26].

Здесь уместно обратиться к термофлуктуационной теории разрушения Журкова [27,28]. Согласно этой теории, в твердом теле наблюдается два противоположных процесса: разрыв и восстановление

межатомных связей, которые носят активационный характер. При нагружении тела процесс разрыва становится преобладающим и в конечном итоге, через определенный промежуток времени, приводит к разрушению. Многочисленные эксперименты на разных материалах подтвердили, в общем, правильность этой теории. Но при этом было установлено, что разрушение твердых тел начинается по достижении некоторого уровня (порога) действующих напряжений.

Есть основание считать, что для сыпучих тел этот порог близок к нулю или очень мал. Как известно, на диаграмме среза сыпучего материала отсутствует участок упругого деформирования (во всяком случае при небольших всесторонних сжатиях). Он с самого начала деформируется как пластическое тело. Это означает, что даже слабые воздействия могут вызвать остаточную деформацию. При повторении воздействий эти деформации будут суммироваться и в конечном счете могут привести к разрушению материала.

К настоящему времени накопилось множество фактов, показывающих, что массив горных пород способен аккумулировать энергию на уровне структурных элементов породы с последующей отдачей ее на макроуровень. Иными словами, при деформировании образуются внутренние самоуравновешенные напряжения, которые могут накапливаться и, в конечном счете, приводить к значительным последствиям. Известно, что образцы горной породы после извлечения их из массива и полной разгрузки могут сохранять высокий уровень внутренних напряжений [29,30,31,32,33]. Иногда этих напряжений достаточно для самопроизвольного разрушения образца [34,35]. Известно также, что если в массиве горных пород производится мощный взрыв, он оказывает определенное воздействие на среду. Отклик массива может происходить в течение многих часов и даже суток после взрыва

[36,37,38,39]. Ясно, что, по крайней мере вдали, от источника взрыва эти отклики проходят за счет собственных энергетических ресурсов среды [40,41]. В данном случае взрыв только способствует их "развязыванию". При этом возможно как устойчивое "развязывание" в форме незначительных подвижек, разрушений, так и катастрофическое - в виде горных ударов, землетрясений или спровоцированных внезапных выбросов.

Сыпучие материалы при мягком нагружении также проявляют динамический характер деформирования [42], поэтому можно ожидать, что слабые циклические будут инициировать такие процессы.

Исследованию процессов деформирования сыпучих сред посвящено множество работ. По ним опубликованы обзоры Николаевского [43], Григоряна, Иоселевича [44], Роско [45], Клейна [46,47] и др.

Остановимся на экспериментальных методах изучения прочностных и деформационных свойств сыпучих материалов. Эксперименты по деформированию сыпучих материалов можно разделить на две группы: 1) эксперименты, непосредственно моделирующие конкретные ситуации [48,49,50,51,52], и 2) эксперименты, поставленные с целью изучения параметров и закономерностей деформирования материала как такового[53].

Обратимся к экспериментам второй группы. Наиболее простым и общедоступным способом оценки деформируемости является испытание на компрессионное сжатие [54]. При компрессионном сжатии путь нагружения задается изменением наибольшего главного напряжения и двумя деформациями в поперечных направлениях. Эти деформации считаются главными и равными нулю, так как сжатие происходит в жесткой обойме.

Стандартным и одним из наиболее распространенных является испытание сыпучих материалов и грунтов на приборах прямого среза [55]. В этих приборах измеряются дилатансионные параметры среды, сцепление и угол внутреннего трения. При интерпретации результатов измерений предполагается, что срез вызывает появление горизонтальной линии скольжения. Для изучения коэффициента внутреннего трения и сцепления при большой деформации сдвига лучшие результаты дают приборы, в которых смещение грунта происходит по кольцевой поверхности при постоянной площади сдвига [23] и лопастной прибор [17].

Широкое распространение имеют также испытания в условиях трехосного сжатия. Для этой цели разработана целая гамма приборов -стабилометров, в которых одно из главных напряжений задается штампом, а два других (всегда одинаковых по величине) - давлением жидкости [56,57]. Обзор конструкций стабилометров приведен в работе [58].

Более широкие возможности реализуются на приборах для исследования прочностных характеристик [59,60,61], в которых деформированию подвергается полый цилиндр под действием независимых внутреннего и внешнего давлений.

Универсальные программы нагружения с независимым изменением всех трех главных напряжений реализуются в приборах трехосного сжатия [45, 62, 63,58].

К настоящему времени накоплен обширный экспериментальный материал по поведению сыпучих материалов и грунтов при различных условиях нагружения.

Два фундаментальные свойства сыпучей среды установлены бесспорно: это - внутреннее трение и дилатансия. Качественные характеристики этих свойств, полученные на различных приборах и по различным методикам согласуются между собой. В количественном же

отношении параметры отличаются между собой. Причины несогласованности результатов связаны с трудностью создания в опытах однородного состояния. Так, при срезе в образце реализуется весьма сложное распределение напряжений и деформаций [64,65]. В опытах по многоосному сжатию однородное состояние также не реализуется. К выводу о неоднородности состояния приходят авторы многих работ. Теоретически и экспериментально этот вопрос исследовался в различных постановках [66,67,68,69].

При исследовании компрессионного сжатия возникают дополнительные трудности, связанные с тем обстоятельством, что измеряемые параметры оказываются чувствительными к податливости боковых поверхностей и трению материала по ним [70].

Вопрос получения однородного состояния в условиях плоской деформации был решен при создании прибора однородного сдвига [23,71]. Он применим и для исследования свойств среды в условиях возникновения регулярной сетки линий скольжения [72]. Интерес к вопросам образования регулярных структур в разных ситуациях - огромен. Это связано с решением задач геодинамики сейсмологии, геофизики, инженерной геологии и др. Факты возникновения регулярных структур различных масштабов установлены многочисленными натурными наблюдениями [73,74]. Подобные процессы воспроизведены и в лабораторных условиях на горных породах, сыпучих и других модельных материалах [75,76,77,78,79,80].

Исследования по образованию регулярных структур в процессе деформирования имеют и большое познавательное значение для механики, геофизики, сейсмологии и интенсивно развивающейся в последнее время синергетики [81,82,83].

Рассмотренные выше приборы и методики ориентированы на изучение свойств среды при квазистатических нагружениях. Исследования при циклических динамических нагружениях, как уже отмечалось в основном проводятся на виброкомпрессионных приборах, а так же при штамповых испытаниях и на динамических стабилометрах [84]. Методик и приборов позволяющих проводить испытания при больших сдвигах и динамических воздействиях к настоящему времени не создано.

Основная идея настоящей работы заключается в определении влияния слабых циклических нагрузок на несущую способность сыпучих материалов, находящихся в допредельном статическом напряженном состоянии.

Целью работы является экспериментальное установление закономерностей деформирования сыпучих материалов, находящихся под действием допредельной статической срезывающей силы и слабых (не вызывающих разрушения) цикличес�