ПОРОДЫ ГОРНЫЕ

МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЕФОРМАЦИОННЫХ
ХАРАКТЕРИСТИК ПРИ ОДНООСНОМ СЖАТИИ

ГОСТ 28985-91

КОМИТЕТ СТАНДАРТИЗАЦИИ И МЕТРОЛОГИИ СССР

Москва

Дата введения 01.07.92

Настоящий стандарт распространяется на твердые горные породы с пределом прочности при одноосном сжатии не менее 5 МПа и устанавливает метод определения их деформационных характеристик при одноосном сжатии образцов.

Стандарт не распространяется на мерзлые горные породы.

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Испытания образцов проводят для определения следующих деформационных характеристик:

зависимостей "напряжение - деформация";

модуля упругости Е_у;

коэффициента Пуассона ;

модуля деформации Е_д;

коэффициента поперечной деформации .

1.2. Сущность метода заключается в измерении сжимающей силы, приложенной к торцам образца, продольных и поперечных деформаций его, вызванных этой силой.

1.3. Метод предусматривает знание или определение предела прочности при одноосном сжатии испытываемой породы  по ГОСТ 21153.2.

1.4. Деформационные характеристики горных пород следует определять в диапазоне требуемых напряжений. При этом диапазон напряжений от 5 до 50 % от предела прочности при одноосном сжатии является обязательным.

2. МЕТОД ОТБОРА ПРОБ

Отбор проб - по ГОСТ 21153.0 со следующими дополнениями:

размеры и объем пробы должны обеспечить изготовление образцов необходимых размеров и количества, указанных в п.п. 4.4, 4.11, 4.12;

допускается взамен парафинирования производить консервацию проб негигроскопических пород битумированной бумагой по ГОСТ 515, полиэтиленовой пленкой по ГОСТ 10354 или другими водонепроницаемыми материалами, не вступающими в химическое взаимодействие с горными породами;

при необходимости отбор проб сопровождают определением влажности по ГОСТ 5180 (для карналлита - по ГОСТ 16109).

3. ОБОРУДОВАНИЕ, ИНСТРУМЕНТЫ И МАТЕРИАЛЫ

Для подготовки и проведения испытаний применяют оборудование, инструменты и материалы по ГОСТ 21253.2 (разд. 1) со следующими дополнениями:

индикаторы многооборотные с ценой деления 0,001 мм по ГОСТ 9696 или индикаторы часового типа с ценой деления 0,01 мм по ГОСТ 577 - для измерения деформаций образца;

тензорезисторы по ГОСТ 21616 - для измерения относительных деформаций, в том числе тензорезисторы типов ФКП, ФКТ - для измерения относительных поперечных деформаций образца;

тензометры любой конструкции (индикаторный, тензорезисторный, индуктивный, лазерный, оптический, емкостной и т.п.), отвечающие требованиям ГОСТ 18957 и обеспечивающие измерение продольных и поперечных деформаций образцов с погрешностью не более 2 %;

приборы и устройства, обеспечивающие точность измерения регистрации относительных деформаций и нагрузок не менее 2 %, например, цифровой тензометрический мост (ЦТМ-5, ИДЦ-1) или самопишущий потенциометр (ПДП-4);

клей типа БФ-2 по ГОСТ 12172 или циакрин ЭО по ТУ 6-09-30-86 - для наклейки тензорезисторов;

спирт этиловый ректификованный технический по ГОСТ 18300, ацетон по ГОСТ 2768 - для очистки поверхностей склеивания;

паяльник по ГОСТ 7219;

припой ПОЛС-61 по ГОСТ 21931;

флюс канифольный по ГОСТ 19113.

4. ПОДГОТОВКА К ИСПЫТАНИЮ

4.1. Для испытания изготовляют цилиндрические или призматические (с квадратным сечением) образцы.

4.2. Образцы выбуривают или вырезают на камнерезной машине из штуфов или кернов, их торцевые поверхности шлифуют; при необходимости шлифуют боковые поверхности до обеспечения требований п.п. 4.5 и 4.6.

4.3. Образцы из гигроскопических пород изготовляют без применения промывочной жидкости и до начала испытания хранят в эксикаторе. Допускается применение в качестве промывочной жидкости силиконового или трансформаторного масла по ГОСТ 982, а также других жидкостей, не вступающих в химическое взаимодействие с горными породами.

4.4. Размеры образцов должны соответствовать указанным в табл. 1.

Таблица 1

Примечание. Диаметр (сторона квадрата) образцов должен быть не менее 10-кратного линейного размера зерен (неоднородностей), слагающих породу.

Измерения производят штангенциркулем с погрешностью не более ± 0,1 мм. Диаметр (сторону квадрата) измеряют в средней части образца в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Допускается разность диаметров (сторон квадрата) по этим измерениям не более 1,0 мм. За расчетный диаметр (сторону квадрата) принимают среднее арифметическое результатов измерений.

4.5. Торцевые поверхности образца должны быть плоскими, параллельными друг другу и перпендикулярными к боковой поверхности.

Неплоскостность (выпуклость, вогнутость) проверяют линейкой штангенциркуля или боковой поверхностью слесарного угольника на отсутствие просвета.

Отклонения от перпендикулярности образующей к торцам образца контролируют слесарным угольником на отсутствие просвета в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

4.6. Образующие боковых поверхностей образца должны быть прямолинейными по всей его высоте.

Отклонение от прямолинейности контролируют линейкой штангенциркуля или боковой поверхностью слесарного угольника на отсутствие просвета.

Допускаемая шероховатость поверхности образца в зоне контакта с датчиками деформации (тензорезисторами или тензометрами) - не более 0,2 мм.

4.7. Образцы должны иметь одинаковые размеры. Допускается отклонение значений диаметра (сторон квадрата) каждого образца от среднего арифметического не более ± 1 мм и высоты не более ± 3 мм.

4.8. База измерения деформации должна быть не менее 15 мм, и превышать линейный размер зерен (неоднородностей), слагающих образец, не менее чем в 10 раз и располагаться симметрично по отношению к середине образца. База измерения продольной деформации l не должна превышать диаметр (сторону квадрата) образца.

4.9. Количество чувствительных элементов датчиков деформаций, закрепляемых на образце, должно быть не менее двух для каждого вида деформаций. Их располагают равномерно по периметру в средней по высоте части боковой поверхности образца без наложения друг на друга. Возможное расположение чувствительных элементов (тензорезисторов) на боковой поверхности образца показано на черт. 1. Для измерения поперечных деформаций должны применяться только фольговые тензорезисторы.

Черт. 1

4.10. Наклейка тензорезисторов на боковую поверхность образца производится в соответствии с их эксплуатационной документацией.

4.11. Количество образцов при сравнительных испытаниях должно быть не менее 5 при условии обеспечения надежности  результатов не менее 90 % и относительной погрешности  не более 10 %.

4.12. Количество образцов при массовых испытаниях должно быть не менее 3 при условии обеспечения надежности  результатов не ниже 80 % и относительной погрешности  не более 20 %.

4.13. Определение фактической надежности  результатов испытаний и уточнение необходимого числа образцов n для достижения заданной надежности производят в соответствии с приложением 1.

5. ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЯ

5.1.Образец, оснащенный датчиками деформаций, устанавливают на испытательной машине (прессе) в соответствии с ГОСТ 21153.2 (разд. 1).

5.2. Датчики деформаций подключают к регистрирующей аппаратуре.

5.3. Образец нагружают до начального напряжения  (напряжения пригрузки), составляющего 5 % от предела прочности при одноосном сжатии ( = 0,05 ).

Значения деформаций при напряжении  принимают за условный ноль отсчета деформаций. Индикаторы часового типа устанавливают в положение нулевого отсчета с натягом на 1-2 оборота большой стрелки.

5.4. Деформации образца регистрируют не менее чем при десяти значениях напряжения сжатия в процессе нагружения до максимального заданного значения  и при последующей разгрузке до  регистрируют деформации также не менее чем при десяти значениях напряжения.

5.5. При дискретной записи отсчетов интервал времени между отсчетами не должен превышать 10 с при нагружении и разгрузке образца.

Продолжительность остановки при переходе от нагружения к разгрузке не должна превышать 30 с.

5.6. Значения нагрузок Р, зафиксированные силоизмерителем испытательной машины (пресса), и соответствующие им показания приборов для деформаций (продольных  и поперечных ) записывают в журнал испытаний в соответствии с приложением 2.

5.7. При необходимости определяют влажность испытанного образца. Для этого после завершения испытания образец освобождают от датчиков деформации и разрушают его; обломки образца помещают в бюксы и сразу же взвешивают. Дальнейшие операции - по ГОСТ 5180 (для карналлита - по ГОСТ 16109). Влажность фиксируют в журнале испытаний.

6. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

6.1. По результатам испытаний строят графики зависимостей "напряжение  - деформаиця " (черт. 2), на которых каждому зафиксированному уровню напряжений , , ,  соответствуют относительные деформации образца: продольные  при нагружении , , ,  и разгрузке , , , ; поперечные  - при нагружении , , ,  и разгрузке , , , .

Черт. 2

6.2. Модуль деформации Е_д и коэффициент поперечной деформации  в заданном диапазоне напряжений () определяются по нагрузочным ветвям зависимостей  по формулам:

модуль деформации (Е_д) в МПа

;

коэффициент поперечной деформации ()

.

Модуль упругости (Е_у) и коэффициент Пуассона () определяются в этом же диапазоне напряжений по разгрузочным ветвям зависимостей  по формулам:

модуль упругости (Е_у) в МПа

;

коэффициент Пуассона ()

,

6.3. При использовании тензометров, измеряющих абсолютные деформации, рассчитывают относительные деформации образца по формулам:

6.4. Обработку результатов испытаний n образцов производят в следующем порядке.

Вычисляют средние арифметические значения по пробе для , , Е_у, , средние квадратические отклонения  и коэффициенты вариации  по формулам:

а также фактическую надежность их определения согласно приложению 1.

6.5. Вычисления величин , , Е_у,  по формулам п.п. 6.2 и 6.4 производят до второй значащей цифры.

6.6. Пример обработки и представления результатов испытаний приведен в приложениях 2 и 3.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Рекомендуемое

ОПРЕДЕЛНИЕ НАДЕЖНОСТИ И ПОГРЕШНОСТИ РЕЗУЛЬТАТОВ
ИСПЫТАНИЯ, УТОЧНЕНИЕ НЕОБХОДИМОГО ЧИСЛА ОБРАЗЦОВ

Значение фактической надежности  результатов испытания устанавливают по табл. 2 по заданному максимальному значению относительной погрешности , коэффициенту вариации V (см. п.п. 4.11, 4.12 настоящего стандарта) и числу испытанных образцов n.

Если определенное таким образом значение надежности меньше заданного, то испытывают дополнительное число образцов, которое устанавливают по табл. 2. После испытания обработку результатов (см. п. 6.4) повторяют для нового числа образцов.

При невозможности испытания дополнительного числа образцов принимают заданное значение надежности  и по табл. 2 устанавливают фактическую относительную погрешность  оценки средних значений деформационных характеристик для каждого диапазона напряжений.

Таблица 2

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Рекомендуемое

ФОРМА ЖУРНАЛА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ

Таблица 3

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

Рекомендуемое

ПРИМЕР РАСЧЕТА ДЕФОРМАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

Определить деформационные характеристики песчаника с линейными размерами зерен не более 1 мм при испытании образцов одноосным сжатием в диапазоне напряжений от 0,4 до 0,7 .

Размеры образцов: d = 41,5 мм; h = 84,4 мм; площадь поперечного сечения S = 13,45 см²; n = 5.

Предел прочности песчаника при одноосном сжатии - по ГОСТ 21153.2  = 112 МПа; разрушающая нагрузка Р_пр =  × S = 150 кН.

Регистрирующий прибор - измеритель деформации цифровой ИДЦ-1 с ценой деления 1 × 10^-5.

Датчики деформаций - тензорезисторы с базой измерения 15 мм в прижимном тензометре ДМ-12, изображенном на черт. 3.

Для одного из образцов результаты испытания (нагружение и разгрузка) записаны в журнал в виде табл. 4 в соответствии с приложением 2 и построены графики зависимостей , аналогичные показанным на черт. 2.

Таблица 4

Расчет деформационных характеристик производится по разд. 6.

1. В соответствии с п. 1.4 необходимо определить значения , , Е_у,  в диапазоне напряжений (), где  = 0,05× = 5,6 МПа;  = 0,5× = 56,0 МПа.

 МПа;

;

 МПа;

.

2. Расчет деформационных характеристик в заданном диапазоне напряжений (), где  = 0,4× = 44,8 МПа;  = 0,7× = 78,4 МПа.

 МПа;

;

 МПа;

Примечание. На уровне напряжения  деформации образца при нагружении и разгрузке равны между собой: ; .

3. После испытаний всех отобранных образцов песчаника и обработки результатов по разд. 6 получены следующие значения, представленные в табл. 5.

Таблица 5

Черт. 3

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ДАННЫЕ