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



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�