Способ определения напряженно-деформированного состояния образцов горных пород

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

 

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для определения напряженно-деформированного состояния, а именно определения стадии развития деформационных процессов в образцах горных пород.

Известен способ акустико-деформационного метода определения предвестников разрушения образцов горных пород при одноосном сжатии, включающий подготовку образцов, определение их физико-механических характеристик, далее устанавливают датчики деформаций по периметру центральной части образцов, на их боковых поверхностях, нагружают образцы с соблюдением критериев геометрического подобия в соответствии с ранее выявленными физико-механическими характеристиками материала, и на основе характера деформаций образцов выявляют их предвестники разрушения (см. А.М. Голосов. Разработка акустико-деформационного метода определения предвестников разрушения образцов горных пород при одноосном сжатии // диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, 2018 г.).

К недостаткам известного решения можно отнести повышенную трудоемкость процесса из-за использования двух методов исследования - акустического и деформационного.

В качестве ближайшего аналога принят способ определения напряженно-деформированного состояния массива материала, включающий подготовку образцов, определение их физико-механических характеристик, далее устанавливают датчики деформаций по периметру центральной части образцов, на их боковых поверхностях, нагружают образцы с соблюдением критериев геометрического подобия в соответствии с ранее выявленными физико-механическими характеристиками материала, и на основе характера деформаций образцов выявляют их предвестники разрушения (см. патент РФ № 2322657, МПК G01N 3/00, E21C 39/00, дата публикации 20.04.2008).

Недостатком ближайшего аналога является высокая трудоемкость технологии, а также более низкая вероятность выявления предвестников разрушения.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является разработка более точного способа определения стадии развития деформационных процессов в образцах горных пород.

Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в повышении эффективности определения предвестников разрушения при снижении трудоемкости.

Поставленная задача решается тем, что способ определения напряженно-деформированного состояния образцов горных пород, включающий подготовку образцов, определение их физико-механических характеристик, далее устанавливают датчики деформаций по периметру центральной части образцов, на их боковых поверхностях, нагружают образцы с соблюдением критериев геометрического подобия в соответствии с ранее выявленными физико-механическими характеристиками материала, и на основе характера деформаций образцов выявляют их предвестники разрушения, отличается тем, что в качестве физико-механических характеристик образцов определяют модуль упругости, коэффициент Пуассона, критическую нагрузку P*, радиус очаговой области, сведения о которых используют в качестве исходных данных для математического моделирования, посредством которого определяют распределение компонент самоуравновешенных напряжений на боковой поверхности образца горной породы, форму и размеры околоочаговой области и измерительный интервал Δ по формуле

где PКР - предел прочности на одноосное сжатие;

P* - критическая нагрузка, при которой при одноосном сжатии приращения линейных деформаций меняют свой знак хотя бы по одной паре датчиков;

датчики деформаций на образцах устанавливают на расстоянии, не превышающем наименьший линейный размер околоочаговой области, после чего нагружают образцы и выявляют их предвестники разрушения.

Кроме того, в качестве долгосрочного предвестника разрушения образца используют порог дилатансии, фиксируемый в момент, когда приращения объемной деформации хотя бы по одной паре датчиков в течение двух измерительных интервалов не превышают ноля.

Кроме того, в качестве среднесрочного предвестника разрушения образца используют момент возникновения мезотрещинной структуры, фиксируемый в момент одновременного в течение хотя бы двух измерительных интервалов появления как минимум по двум парам датчиков реверсивных продольных и поперечных деформаций в одной части образца и аномально больших деформаций обычного типа в соседней его части.

Сравнение признаков заявленного решения с признаками аналогов и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».

При этом отличительные признаки формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.

Признаки «в качестве физико-механических характеристик образцов определяют модуль упругости, коэффициент Пуассона, критическую нагрузку P*, радиус очаговой области» описывают определяемые физико-механические характеристики образцов.

Признаки «сведения о модуле упругости, коэффициенте Пуассона, критической нагрузке P*, радиусе очаговой области используют в качестве исходных данных для математического моделирования» позволяют обработать, собрать и систематизировать данные разных базовых образцов без проведения дополнительных исследований.

Признаки «посредством [математического моделирования] определяют распределение компонент самоуравновешенных напряжений на боковой поверхности образца горной породы, форму и размеры околоочаговой области и измерительный интервал Δ по формуле

где PКР - предел прочности на одноосное сжатие;

P* - критическая нагрузка, при которой при одноосном сжатии приращения линейных деформаций меняют свой знак хотя бы по одной паре датчиков» описывают результаты математического моделирования.

Признаки «датчики деформаций на образцах устанавливают на расстоянии, не превышающем наименьший линейный размер околоочаговой области, после чего нагружают образцы и выявляют их предвестники разрушения» обеспечивают нахождение минимум одной пары датчиков в околоочаговой области, тем самым значительно повышая вероятность определения предвестников разрушения.

Признаки зависимых пунктов формулы описывают предвестники разрушения и методики их регистрации.

На фиг. 1 изображено сравнение результатов математического моделирования и деформационных измерений в центральной части образца.

На фиг. 2 изображено распределение компонент самоуравновешенных напряжений на боковой поверхности образца горной породы:

а - по высоте образца;

б - по периметру образца, в одной поперечной плоскости.

На фиг. 3 показан график линейных деформаций при одноосном сжатии для определения измерительного интервала.

На фиг. 4 изображена фиксация порога дилатансии на графике зависимости объемных деформаций от напряжений.

На фиг. 5 приведен график зависимости линейных деформаций от напряжений, превышающих напряжение, при котором был достигнут порог дилатансии:

а - фиксация резкого увеличения линейных деформаций;

б - фиксация изменения знака приращения линейных деформаций.

На фиг. 6 показан образец с очаговой областью разрушения и установленными датчиками деформаций: красным цветом обозначена пара датчиков, по которой зафиксировано резкое увеличение линейных деформаций; зеленым цветом обозначены пары датчиков, по которым зафиксировано изменение знака приращения линейных деформаций.

Заявляемый способ осуществляют на стандартном оборудовании по стандартной технологии.

1. На первом этапе подготавливают базовые (для математического моделирования) и испытуемые образцы горных пород.

Отбор проб для изготовления образцов горных пород производят по ГОСТ 21153.0-75, при этом размеры и объем пробы должны обеспечить изготовление образцов необходимых размеров и количества, удовлетворяющих условиям статистической представительности.

Далее изготавливают не менее 10 цилиндрических образцов одинаковой породы и размеров, торцевые поверхности которых должны быть плоскими, параллельными друг другу и перпендикулярными к боковой поверхности.

2. На втором этапе для базовых образцов по стандартной методике определяют модуль упругости, коэффициент Пуассона, критическую нагрузку P* и наименьший радиус очаговой области.

3. Сведения о физико-механических характеристиках базовых образцов, полученные на втором этапе, используют в качестве исходных данных для математического моделирования.

В качестве примера можно привести метод математического моделирования состояния предразрушения образцов горных пород и массивов с применением неевклидовой модели сплошной среды с дефектами, предоставляющий адекватное описание мезотрещинных структур, возникающих при нагружении (см. Guzev M. A. Non-Euclidean models of elastoplastic materials with structure defects. - Saarbrücken, Germany: Lambert Academic Publishing. - 2010. - 128 p. ISBN 9783843373913).

4. По итогам математического моделирования строят распределение компонент самоуравновешенных напряжений на боковой поверхности образца горной породы (см. фиг.2), определяют форму и размеры околоочаговой области - на основе предположения, что она находится в зоне, где осевое напряжение по периметру образца отрицательное (на фиг.2а закрашена синим цветом) и измерительный интервал Δ по формуле

где PКР - предел прочности на одноосное сжатие;

P* - критическая нагрузка, при которой при одноосном сжатии приращения линейных деформаций меняют свой знак хотя бы по одной паре датчиков (см. фиг.3).

На фиг.1 видно, что несмотря на расхождения в значениях деформаций, результаты математического моделирования могут быть использованы и при исследовании испытуемых образцов.

5. На боковой поверхности испытуемого образца устанавливают датчики деформаций на расстоянии, не превышающем наименьший линейный размер околоочаговой области.

Датчики могут быть установлены в несколько рядов как по периметру, так и по высоте образца.

6. Нагружают испытуемый образец осевой сжимающей нагрузкой до его разрушения, строят графики зависимости объемных и линейных деформаций от напряжений для каждой пары датчиков.

7. Определяют предвестники разрушения образца.

Долгосрочный предвестник, в качестве которого используют порог дилатансии, фиксируют в момент, когда приращения объемной деформации хотя бы по одной паре датчиков в течение двух измерительных интервалов не превышают ноля (см. фиг.4).

Среднесрочный предвестник, в качестве которого используют момент возникновения мезотрещинной структуры, фиксируют в момент одновременного в течение хотя бы двух измерительных интервалов появления как минимум по двум парам датчиков реверсивных продольных и поперечных деформаций в одной части образца (см. фиг. 5б) и аномально больших деформаций обычного типа в соседней его части (см. фиг. 5а).

Пример осуществления способа

Использовали 10 базовых и 5 испытуемых образцов из дацита высотой 10 см и диаметром 5 см.

Физико-механические характеристики базовых образцов приведены в таблице 1.

Таблица 1

Физико-механические характеристики базовых образцов

№ базового образца Модуль упругости, МПа Коэффициент Пуассона Критическая нагрузка P*, МПа Радиус очаговой области, мм
К12 41 000 0,18 235,22 29,0
К13 33 100 0,12 178,315 19,7
К14 42 500 0,21 213,75 25,5
К15 50 100 0,16 187,245 42,6
К16 44 000 0,19 150,385 37,7
К17 42 000 0,16 171,475 31,6
К18 50 500 0,19 194,845 48,1
К19 39 400 0,21 152,475 39,6
К20 39 400 0,13 159,505 42,8
К21 52 000 0,15 209,285 25,6

На основе сведений, приведенных в табл.1, провели математическое моделирование, по итогам которого определили наименьший линейный размер околоочаговой области, который составил 19,7 мм, а с помощью графиков зависимости линейных деформаций от напряжений по формуле определили измерительный интервал, который составил 1,8 МПа.

Датчики деформаций установили на боковой поверхности испытуемого образца на расстоянии 19,7 мм.

Далее нагружали испытуемые образцы осевой сжимающей нагрузкой до их разрушения.

Физико-механические характеристики испытуемых образцов приведены в таблице 2.

Таблица 2

Физико-механические характеристики испытуемых образцов

№ испытуемого образца Модуль упругости, МПа Коэффициент Пуассона Предел прочности, МПа Критическая нагрузка P*, МПа Радиус очаговой области (факт), мм Тип выявленного предвестника разрушения
А1 41 200 0,13 192,1 178,6 49,1 среднесрочный
А2 47 800 0,18 185,2 175,9 21,4 среднесрочный
А3 35 600 0,17 222,7 191,522 20,6 среднесрочный
А4 40 600 0,21 175,5 164,97 23,4 среднесрочный
А5 47 900 0,13 201,2 187,1 18,97 долгосрочный

С помощью математического моделирования можно выявить околоочаговые области даже небольших размеров, за счет этого более точно и рационально расставить датчики деформаций на боковой поверхности испытуемого образца и тем самым повысить эффективность определения предвестников разрушения.

Заявляемый способ может быть использован при испытаниях образцов различных горных пород, включая дацит, гранодиорит, риолит и туфобрекчию.

1. Способ определения напряженно-деформированного состояния образцов горных пород, включающий подготовку образцов, определение их физико-механических характеристик, далее устанавливают датчики деформаций по периметру центральной части образцов, на их боковых поверхностях, нагружают образцы с соблюдением критериев геометрического подобия в соответствии с ранее выявленными физико-механическими характеристиками материала, и на основе характера деформаций образцов выявляют их предвестники разрушения, отличающийся тем, что в качестве физико-механических характеристик образцов определяют модуль упругости, коэффициент Пуассона, критическую нагрузку P*, радиус очаговой области, сведения о которых используют в качестве исходных данных для математического моделирования, посредством которого определяют распределение компонент самоуравновешенных напряжений на боковой поверхности образца горной породы, форму и размеры околоочаговой области и измерительный интервал Δ по формуле ,

где PКР - предел прочности на одноосное сжатие;

P* - критическая нагрузка, при которой при одноосном сжатии приращения линейных деформаций меняют свой знак хотя бы по одной паре датчиков;

датчики деформаций на образцах устанавливают на расстоянии, не превышающем наименьший линейный размер околоочаговой области, после чего нагружают образцы и выявляют их предвестники разрушения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве долгосрочного предвестника разрушения образца используют порог дилатансии, фиксируемый в момент, когда приращения объемной деформации хотя бы по одной паре датчиков в течение двух измерительных интервалов не превышают ноля.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве среднесрочного предвестника разрушения образца используют момент возникновения мезотрещинной структуры, фиксируемый в момент одновременного в течение хотя бы двух измерительных интервалов появления как минимум по двум парам датчиков реверсивных продольных и поперечных деформаций в одной части образца и аномально больших деформаций обычного типа в соседней его части.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к испытательным устройствам, а именно к установкам для испытания изделий с захватами на длительную прочность. Установка содержит станину, захваты, измеритель испытательных нагрузок, нагружающий механизм, связанный с первым захватом, и механизм поддержания постоянной нагрузки с приводом.

Изобретение относится к области механических испытаний и предназначено для определения прочности сеток и сеточных панелей габионных конструкций и систем укрепления при растяжении изделий во всех направлениях сеточного плетения. Стенд содержит горизонтальную станину с направляющими полозьями, устройство горизонтального нагружения в виде горизонтальной тяги, соединенной с силовым гидроцилиндром, установленным на станине в направлении ее продольной оси, первое зажимное устройство, установленное на направляющих полозьях станины, систему управления гидроцилиндром и контрольно-измерительную аппаратуру.

Предлагаемое изобретение относится к устройствам для исследования процесса резания или сжатия твердых материалов, преимущественно сельскохозяйственных. Для расширения области применения и функциональности в устройстве для определения прочностных свойств твердых материалов, содержащем платформу 1 с верхним основанием 2 и нижним основанием 3, рабочую камеру 4, установленную на нижнем основании 3, нагрузочный механизм 5, установленный в подшипниковых опорах 6 и соединенный жестким стержнем 7 с нагрузочной рамкой 8, измеритель деформации 9, электронный блок управления 10 с пультом управления 11 и блок 12 резервного питания, согласно изобретению тяга выполнена в виде жесткого стержня 7, рабочая камера 4 выполнена в виде полого цилиндра, боковая стенка которого имеет окна, и установлена на нижнем основании 3 платформы 1, а измеритель деформации 9 - под верхним основанием 2 платформы 1, нагрузочная рамка 8 имеет отверстие 28 для крепления сменных рабочих органов 29.

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для испытаний прочных корпусов глубоководных аппаратов на прочность и герметичность. Сущность: стенд содержит корпус (1) с герметичной крышкой (2) с уплотнением (3) для размещения испытуемого изделия (6), средства (4) для подачи среды в корпус стенда и средства (5) регистрации параметров.

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при проектировании, расчете и конструировании строительного железобетонного элемента кольцевого сечения. Сущность: осуществляют установление расчетного сопротивления арматуры и бетона, определение площади бетона в кольцевом сечения и суммарной площади всех стержней продольной арматуры, назначение внутреннего (r1,мм) и наружного (r2, мм) радиусов железобетонного элемента кольцевого сечения, вычисление относительной величины продольной силы (αn), показателя насыщения сечения бетона продольной арматурой (αs), относительной величины изгибающего момента (αm), определение расчетного изгибающего момента от продольной силы с учетом прогиба элемента (Мη, кН⋅м) и предельного по прочности усилия внецентренно сжатого железобетонного элемента кольцевого сечения с учетом влияния прогиба (Мсс, кН⋅м).

Изобретение относится к области определения и исследования прочностных свойств композитных материалов, работающих при одновременном воздействии нормальных и касательных напряжений. Устройство содержит четыре попарно соединяющихся полукруглых диска с повторяющим форму испытываемого образца в центральной части с одной стороны вырезом.

Изобретение относится к области испытательной техники, а именно к средствам для проведения испытаний технических объектов внешним гидростатическим давлением для определения их физических параметров. Устройство содержит заполняемые жидкостью внешнюю гидробарическую камеру высокого давления, имеющую находящийся в ее верхней части герметично закрываемый крышкой технологический проем, и размещенную в ней внутреннюю гидробарическую камеру высокого давления, в которой располагается испытуемый объект, выполненную в виде прочной разъемной оболочечной капсулы высокого давления, также имеющей размещенный в ее верхней части герметично закрываемый крышкой технологический проем, нижняя часть которой имеет форму цилиндра с торцом сферообразной формы, причем оболочечная капсула высокого давления с расположенным в ней испытуемым объектом содержит свободный объем, заполняемый жидкостью или жидкостью совместно с практически несжимаемыми телами.

Настоящее изобретение раскрывает устройство для экспериментального определения давления прорыва газа и относится к технической области захоронения высокоактивных радиоактивных отходов. Устройство для экспериментального определения давления прорыва газа содержит цилиндрический корпус (6), используемый для размещения испытуемого образца (5), при этом один конец цилиндрического корпуса (6) представляет собой конец для впуска газа, а другой конец представляет собой конец для выпуска газа; конец для впуска газа соединен с устройством для подачи газа, а конец для выпуска газа соединен с устройством для контроля газа; секция уплотнения сформирована на внутренней стенке цилиндрического корпуса (6); и во время испытания испытуемый образец (5) находится в тесном контакте с внутренней стенкой цилиндрического корпуса (6) для уплотнения; причем секция уплотнения представляет собой множество групп пазов (4), равномерно распределенных вдоль осевого направления цилиндрического корпуса (6); и каждая группа пазов (4) расположена вдоль окружности внутренней стенки цилиндрического корпуса (6) или расположена в секциях.

Изобретение относится к области оценки технического состояния стальных трубопроводов и может быть использовано для определения механических напряжений, например, в стальных трубопроводах подземной прокладки. Сущность: осуществляют изготовление образца в виде полого цилиндра из материала, аналогичного материалу трубопровода, пошаговое нагружение образца созданием в нем избыточного внутреннего давления жидкой или газовой среды и его изгибом, получение зависимости коэрцитивной силы от величины механических напряжений в образце.

Изобретение относится к устройству для механического испытания по трем осям и способу моделирования процесса замораживания воды под высоким давлением с получением льда. Устройство содержит основную часть системы нагружения, систему заморозки и систему для проведения испытания образцов; в основной части системы нагружения фланец, осевой нагнетательный поршень и оболочка, воспринимающая давление, образуют нагружающую основную часть, и осевое давление и ограничивающее давление управляются непосредственно устройством с сервоприводом для испытаний по трем осям и опосредованно водомасляным сепаратором, соответственно; в системе заморозки канал для циркуляции замораживающей жидкости периферийной части и канал для циркуляции замораживающей жидкости основания соединены с внешним источником холода для охлаждения и замораживания, и на периферийной части образца предусмотрена растворяемая оболочка, чтобы обеспечить образование льда; в системе испытания образца ряд оптоволоконных датчиков в образце соединен с оптоволоконным устройством сбора данных для измерения температуры и деформаций.

Изобретение относится к исследованию свойств, характеризующих термодинамическое фазовое равновесие в системах газ-жидкость, в том числе при высоких давлениях и температурах, и в сверхкритическом флюидном состоянии, и может быть использовано в нефтегазодобывающей промышленности для исследования физических свойств пластовых флюидов (нефть - попутный газ) в устье скважины и трубопроводах.
Наркология
Наверх