Menu

Напряженное состояние массива и оценка прочностных характеристик криогенных пород

Напряженное состояние массива и оценка прочностных характеристик криогенных пород

Результаты экспериментов по изучению изменения скорости распространения упругих волн и динамических модулей упругости мерзлых пород  льда в напряженно-деформированном состоянии [32, 37, 41, 46, 96, 107 и др.] положены в основу создания акустических методов оценки напряженного состояния массива криогенных пород. Данные этих экспериментов, выполнявшихся как для одноосного, так и для трехосного сжатия, свидетельствуют о том, что скорость продольных упругих волн г;р и модуль Юнга Е криогенных пород возрастают в процессе увеличения давления до предела текучести. Это возрастание имеет экстремальный характер, причем максимумы значений и Е соответствуют наиболее упрочненному состоянию криогенной породы, возникающему при воздействии поля механических напряжений и предшествующему началу прогрессирующего пластического течения, а затем и разрушения.

В любом материале существуют два механизма, определяющие процесс разрушения: пластическое течение и хрупкое растрескивание. В гетерогенных материалах пластичность может возникать и за счет процесса растрескивания, но при условии, что возникающие около макродефектов структурные трещины не разрастаются сильно, а замыкаются на других дефектах. В зависимости от соотношения величин напряжения течения и растрескивания при прочих равных условиях будет преобладать тот или иной процесс, а материал будет либо хрупким, либо пластичным. Аморфные материалы часто имеют хрупкое разрушение. Однако при повышении температуры у них быстрее уменьшается напряжение течения, чем напряжение хрупкого разрушения, и они становятся пластичнее. В криогенных породах, несмотря на их кристаллическое строение, при не очень низкой температуре наблюдается сходная зависимость. -

[Электрические и упругие свойства криогенных пород]

Рис. 98. Изменение скорости V? (/) и деформации е (2) мерзлого песка при объемном сжатии:

[Электрические и упругие свойства криогенных пород]

 

По-видимому, пластические деформации и прочность поликристаллической криогенной породы определяются в значительной степени смещениями вдоль межзерновых граничных зон, что обусловливает сходство процессов пластичного деформирования в них и в аморфных телах.

По характеру изменения во времени можно оценить состояние деформированной криогенной породы. 

[Электрические и упругие свойства криогенных пород]

 

Так, согласно данным В. Е. Коновалихина [37], можно ввести акустический критерий

где Ур.н — скорость в начальный момент времени измерений; ^р —скорость через определенный интервал времени. Причем! если А<9%, то имеет место затухающая ползучесть, а при Д>9% — пластичное течение и разрушение.

[Электрические и упругие свойства криогенных пород]

Рис. 99. Результаты измерений аР в ледопородном ограждении ствола шахты 

Опытная регистрация изменений V? во времени, проведенная в натурных условиях в ледопородном ограждении при строительстве ствола шахты способом замораживания в Запорожском железорудном, комбинате [37], показала, что А<9%. На основании этого был сделан вывод, что ледопородное ограждение находится в упруго-вязком состоянии. Оказалось, что для внутренней части ограждения А«8% (кривая 1 на рис. 99, а), т. е. оно близко к состоянию пластичного течения и могло бы потечь, если бы его не закрепили. Время пребывания ограждения без крепи после каждой заходки в данном случае не превышало трех суток. Кроме того, измерения величины V? по толщине ограждения показали, что она заметно возрастает в направлении от стенки ствола в глубь ограждения (рис. 99,6). Это возрастание обусловлено в основном напряженным состоянием массива мерзлых песков, так как при изменении температуры в пределах —(15-4-20)° С прирост скорости для песков получается всего на единицы процента.

Таким образом, известные принципиальные возможности ультразвукового метода контроля толщины, качества и состояния ледопородного ограждения [92, 93] в настоящее время получили практическое подтверждение при натурных измерениях [37, 42, 46]. Этот метод следует внедрять в производство горнопроходческих работ.

С помощью ультразвукового импульсного метода при проходке стволов шахт и последующей их эксплуатации можно-решать следующие задачи:

  1. определять расстояния между скважинами, пробуренными для создания ледопородного ограждения;

  2. оценивать степень монолитности ледопородной стенки, контролировать ее толщину и качество (степень смыкания отдельных ледопородных цилиндров, возникающих вокруг каждой из замораживающих скважин);

  3. контролировать напряженно-деформированное состояние ледопородного ограждения в процессе проходки ствола и получать информацию о необходимости срочного крепления ствола при возникновении угрозы пластичного течения ограждения.

Применение ультразвукового метода контроля при решении этих задач создаст возможность обоснованной корректировки величины каждой заходки при строительстве ствола шахты, а также времени сооружения необходимой крепи в соответствии с фактическим состоянием ледопородного ограждения. Все это должно значительно уменьшить опасность прорыва ограждения при одновременном увеличении скорости проходки и затрат на нее.

Конечно, для повышения эффективности и надежности системы контроля необходимы разработка и применение комплексных способов контроля формирования и изменения состояния ледопородного ограждения. При этом помимо ультразвукового следует применять и другие методы, например: термические измерения и инклинометрию скважин.

Методика акустических измерений при решении указанных задач может быть различной. Во-первых, это измерения из замораживающих или специальных контрольных скважин, пробуренных с поверхности до нижней границы ледопородного ограждения. В данном случае выполняют междускважинное прозвучивание или акустический каротаж [2, 42]. Во-вторых, это измерения, осуществляемые из ствола строящейся шахты. При этом возможны два варианта:

ультразвуковая локация ледопородного массива [92] с поверхности стенки ствола и ультразвуковые измерения в шпурах, пробуренных в ледопородное ограждение на глубину около 1 м [37]. Основные трудности практического применения ультразвукового метода связаны с конструктивной разработкой шахтных и скважинных акустических приемно-излучающих систем и их расположением, ориентированием и перемещением. Регистрирующая электронная аппаратура во всех случаях аналогична применяемой при лабораторных измерениях (см. главу IV).

В настоящее время существуют отдельные комплекты аппаратуры ультразвукового контроля ледопородного ограждения из глубоких скважин [42].

П. В. Тютюнником и В. Е. Коновалихиным [37, 46] разработаны конструкции специальных акустических шпуровых зондов, которые были успешно испытаны в натурных условиях (рис. 100).

[Электрические и упругие свойства криогенных пород]

Рис. 100. Акустические зонды для измерения в шпурах:

/ — шпур в мерзлой породе; 2 — лед; 3 корпус преобразователя; 4 — пьезоэлемент; 5 — демпфер; 6 — трубка; 7 — электронагреватель; 8 — высокочастотные кабели; 9 *--крышка; 10 — труба; // — масло; 12 — штуцер; /3—15 уплотнительные кольца

Работа с зондом (рис. 100, а) осуществляется следующим образом. После помещения зонда в шпур, пробуренный в мерзлой породе, пространство между стенкой шпура и зондом заливается водой, которая замерзает и обеспечивает жесткий контакт зонда со средой. После этого можно начинать измерения. Конструкция зонда предусматривает возможность перемещения пьезодатчика внутри зонда (в масляной среде) вдоль его оси, а также вращение его вокруг этой оси для обеспечения направленного приема или излучения. С помощью двух таких: зондов, располагаемых в параллельных шпурах, можно осуществлять прозвучивание ледопородной стенки для определения ее акустических параметров (скорости распространения и характеристик затухания продольных упругих волн). Акустический контакт пьезопреобразователя со средой осуществляется через масло и вмороженный корпус зонда. После выполнения измерений из зонда отсасывается масло, извлекается штанга с пьезопреобразователем, а вместо нее вводится электронагреватель. С помощью последнего подплавляется лед вокруг зонда, после чего извлекается корпус. Операции по установке и извлечению зонда из скважин трудоемки, но зато обеспечивают достаточно надежный, идентичный во всех точках измерения в данном шпуре акустический контакт.

Зонд, приведенный на рис. 100,6, предназначен для работы при жестком акустическом контакте со средой. Пьезодатчики после установки их в положение оптимального сигнала при прозвучивании примораживаются к стенкам шпуров. В данном случае возможна работа как с продольными, так и с поперечными волнами. Этот зонд предназначается для длительных стационарных наблюдений. Зонд извлекается из шпура также с применением электронагревателя.

В головке зонда с прижимным устройством (рис. 100, в) смонтирован электронагреватель для предварительного под-плавления льда около корпуса пьезодатчика при извлечении (перемещении) зонда после выполнения измерений. Работа с этим зондом более производительна, имеется возможность работы как с продольными, так и с поперечными волнами, однако идентичность акустического контакта менее надежна, чем с зондом на рис. 100, а. Следует отметить, что подобные акустические зонды могут быть успешно применены при изучении и контроле напряженного состояния массива мерзлых пород в связи с эксплуатацией гидротехнических и других сооружений, ледяных покровов акваторий, ледяных, ледопородных и снеж-нофирновых несущих покрытий дорог, аэродромов, а также для контроля за состоянием снега в лавиносборах.

Помимо указанных способов акустической регистрации напряженного состояния криогенных пород возможно применение сейсмических методов [63, 75, 141] и методики наблюдения за изменениями интенсивности и спектральной плотности акустической радиации, сопровождающей процесс микрорастрескивания породы. Последняя, как показали эксперименты, весьма перспективна при изучении напряженного состояния ледяных покровов акваторий [11"|.

Вопрос изучения напряженного состояния криогенных пород тесно связан с оценкой их прочностных характеристик. Рассмотрим кратко возможности акустических и электрометрических методов при этих исследованиях. Известно, что прочность и упругость кристаллов обусловлены типом связей, видом кристаллической решетки, концентрацией и динамикой дефектов и дислокацией и т. п., однако надежной функциональной зависимости между упругостью и прочностью (даже мгновенной) не установлено. Тем более, такой зависимости нет для поликристаллических сред. Однако как следует из экспериментов, между этими свойствами для конкретных материалов возможно установление корреляционных связей. Данные, приведенные в § 5 главы III, свидетельствуют, что такие связи имеют место и для криогенных образований, а это в свою очередь является основой для применения акустических и других физических методов при оценке их прочностных характеристик. В соответствии с рис. 57 можно констатировать, что прочность любой криогенной породы обычно тем больше, чем выше значения ее динамических модулей упругости, причем прочность на сжатие всегда больше прочности на разрыв для мерзлых песчано-глинистых пород в 2—4 раза, а для льдов, различного состава в 8—10 раз. Таким образом, пользуясь установленными зависимостями между динамическими модулями упругости и соответствующими пределами прочности, можно оценивать прочностные характеристики криогенных пород по результатам ультразвуковых и сейсмо-акустических исследований. Применение сейсмо-акустического зондирования *и профилирования позволяет получать данные о распределении свойств массива по его глубине и простиранию. При правильном выборе комплекса методов, это может обеспечить существенное сокращение объемов исследований.

Полевые исследования, выполненные А. Т.- Акимовым [2,. 51], Ю. Д. Зыковым и Ю. И. Баулиным [51] в СССР, а также О. Гаргом и Дж. Хантером [141] в Канаде, свидетельствуют о реальных перспективах применения сейсмо-акустических методов при изучении.массивов мерзлых пород.

Установленные нами корреляционные связи между некоторыми электрическими и механическими характеристиками (см. рис. 79) свидетельствуют о возможности применения электрометрических методов, например диэлектрического каротажа скважин для оценки прочностных характеристик криогенных пород. Таким образом, применение различных физических методов при определении прочности криогенных пород в массиве повысит достоверность и надежность ее косвенных оценок.

В заключение отметим, что прочность криогенных пород составляет обычно сотые и десятые доли процента от значений модуля упругости Е. При понижении температуры криогенной породы модуль Е и прочность на сжатие согласованно возрастают для мерзлых пород и льдов разного состава примерно с одинаковым коэффициентом пропорциональности. Прочность на разрыв не подчиняется этой закономерности (см. § 5 гл. III), что можно связать с резким охрупчиванием тех криогенных пород, в которых граничные межзерновые зоны становятся близкими по прочности к кристаллам льда и перестают тормозить распространение трещин. Так, для мерзлого песка и пресного льда предел прочности на сжатие примерно в четыре раза выше, чем на растяжение, в то время как для глинистых и других криогенных пород, содержащих значительное количество незамерзшей жидкой фазы и примесей в межзерновых граничных зонах, а следовательно, и более пластичных, прочность на сжатие и разрыв приблизительно одинакова. Из этого следует, что для обеспечения большей прочности на разрыв при промерзании песка и пресного льда необходимо сохранение у них определенной пластичности, что, в частности, можно осуществить путем их некоторого засоления. Однако разработка такой методики требует выполнения специальных исследований, так как экспериментальные данные, имеющиеся в настоящее время, очень ограниченны.

Последние материалы

Заключение (Грунты)

При построении курса учитывалась необходимость его использования для различных гидротехнических специальностей и специализаций. В качестве основной части для студентов всех гидротехнических специальностей следует считать обязательным прочтение гл. 1—7. В гл. 8...

25-08-2013 Просмотров:5671 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Представления о решении задач нелинейной механики грунтов

На современном этапе развития нелинейного направления механики грунтов оформились два основных подхода к решению практических задач расчета грунтовых оснований и сооружений: нелинейно-упругий и упругопластический (А. К. Бугров, С. С. Вялов...

25-08-2013 Просмотров:8671 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Прочность грунтов при сложном напряженном состоянии

Для сред и материалов, обладающих сплошностью, предложено много различных условий прочности. Для оценки прочности грунтов наиболее широкое распространение получило условие Мора—Кулона (2.38), не содержащее промежуточного главного напряжения а2 и тем...

25-08-2013 Просмотров:5356 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Еще материалы

Розрахунки труб

Труби з потовщеними кiнцями (однаковомiцнi) розраховують із умови межі мiцностi з врахуванням власної ваги за коефiцiєнта запасу Kз, що дорiвнює 1,5, а решту (неоднаковомiцнi) – із умови зрушуючого навантаження, тобто ; , де...

19-09-2011 Просмотров:5410 Підземний ремонт свердловин

Карты разностей базисных поверхностей.

Карты разностей базисных поверхностей Помимо карт базисных поверхностей, для изучения новейших движений земной коры за отдельные отрезки геологического времени составляют карты разностей базисных поверхностей. Для этой цели вычитают графически базисную поверхность...

18-08-2010 Просмотров:7013 Морфометрический метод.

Способ стабилизации и повышения устойчив…

В основе настоящего способа стабилизации и поддержания моноопоры в вертикальном положении заложен принцип подвески на тросах установленной на ней платформы с буровыми механизмами к порталу обслуживающего плавоснования. Примеры реализации такого...

30-01-2011 Просмотров:5534 Морские буровые моноопорные основания