В настоящее время испытания скальных грунтов и горных пород методом одноосного сжатия приобретают все большую важность в инженерно-геологических изысканиях. Во многих регионах нашей страны и за её пределами постоянно растет потребность в проведении большого количества качественных испытаний скального грунта, что, в свою очередь, требует применения новых методик и современного оборудования, позволяющих в кратчайшие сроки и с минимальными ресурсными и финансовыми затратами выполнять эти исследования без потери качества.

Методы испытаний

На сегодняшний день существует три основных метода определения предела прочности горных пород при одноосном растяжении/сжатии образцов. Они описаны в ГОСТ 21153.3-85 и ГОСТ 24941-81 [1, 2].

Первый метод заключается в определении предела прочности цилиндрических и призматических образцов прямым растяжением. Метод предназначен для получения показателя предела прочности породы по слабейшему поперечному сечению образца при одноосном растяжении в направлении его оси, заданном относительно сложения (слоистости) породы.

Сущность метода заключается в проведении испытаний цилиндрических или призматических образцов. Исследование сводится к измерению разрушающей силы при продольном растяжении образца через стальные обоймы загрузочного устройства.

Второй метод предполагает разрушение цилиндрических образцов сжатием по образующей. Он предназначен для массовых испытаний с целью определения предела прочности горной породы по определенному сечению образца при одноосном растяжении в направлении, заданном относительно сложения (слоистости) породы.

Сущность метода заключается в проведении испытаний цилиндрических образцов. При испытании измеряются значения разрушающей силы, приложенной через стальные встречно направленные плиты или клинья нагрузочного устройства к образующим образца на его диаметральном сечении, ориентированном заданным способом относительно сложения (слоистости) породы. Схема нагружения представлена на рисунке 1.

Третий метод заключается в разрушении образцов произвольной формы встречными сферическими инденторами. Метод предназначен для исследовательских и массовых испытаний горных пород в лабораторных и полевых условиях с целью определения предела прочности при одноосном растяжении в направлении, перпендикулярном к слабейшему сечению, проходящему через ось нагружения образца.

Сущность метода заключается в измерении разрушающей силы, приложенной к образцу через стальные встречно направленные сферические инденторы. Схема нагружения представлена на рисунке 2 [2].

Наибольший интерес представляет третий метод испытания скальных грунтов (горных пород), поскольку он имеет ряд преимуществ относительно первых двух в условиях массовых испытаний. Основным его преимуществом является высокая скорость выполнения работ, т.к. метод позволяет испытывать образцы произвольной формы, не требуя предварительной подготовки грунта, что, как правило, и занимает большую часть времени в испытании. Кроме того, подготовка образца грунта для испытаний по первым двум методам требует дополнительных площадей и обеспечения специальных условий труда, связанных с очисткой рабочего пространства от мусора и пыли, что весьма трудно, а иногда и невозможно организовать в лабораторных условиях.

Проведение испытания по третьему методу проводится в три этапа:1. Образец устанавливается между инденторами таким образом, чтобы ось нагружения образца была ориентирована относительно строения (слоистости) породы в соответствии с заданным направлением растяжения породы.2. Образец равномерно нагружается до разрушения со скоростью 0,1-0,5 кН/с.3. Затем определяется величина площади поверхности разрыва образцов в см2 с погрешностью до 0,10 см2.

Предел прочности при одноосном растяжении (σp, МПа) каждого образца вычисляется по формуле:

Табл. 2. Технические характеристики прибора для испытания скальных грунтов

Прибор ПСН-0.16.10 комплектуется программным обеспечением, позволяющим проводить автоматизированную обработку результатов опыта, включая автоматический расчет площади скола образцов по отсканированной проекции поверхности скола. Обработка происходит по алгоритму, описанному выше, в соответствии с ГОСТ 21153.3-85 и ГОСТ 24941-81.

Все эти преимущества позволяют значительно повысить скорость проведения испытаний, уменьшить погрешность результатов, а также получить отличные эксплуатационные качества и максимальную экономическую отдачу.

Также существуют модификации приборов ПСН, оснащенные высокоточным датчиком перемещения и соответствующим контролером для выгрузки данных опыта в компьютерный интерфейс. Таким образом, данная модификация прибора (ПСН-1.14.10) позволяет проводить испытания не только для определения предела прочности горных пород, но и испытания на деформируемость.

Табл. 3. Технические характеристики прибора для испытания горных пород

В качестве результатов испытания на деформируемость определяются статический контактный модуль остаточной деформации горной породы и статический контактный модуль упругости горной породы.

В тоже время, на приборе ПСН-1.14.10, оснащенном контроллером преобразования данных, имеется возможность выгрузки числовых значений измеряемых величин в режиме реального времени на протяжении всего опыта, что позволяет получить наиболее информативную и точную деформационную характеристику породы. Пример испытания представлен на рисунке 6.

В качестве дополнительного оборудования на приборах серии ПСН можно применять сменные плоские штампы (рис. 7), выполненные в соответствии с ГОСТ 21153.3-85 (см. рис. 1). Это, в свою очередь, позволяет проводить испытания в целях комплексного определения пределов прочности и одноосного растяжения/сжатия.

Данный метод заключается в измерении разрушающей силы при многократном раскалывании образцов пластинчатой и брусчатой формы и определения предела прочности при сжатии, то есть в измерении разрушающей силы сжатия, полученной при раскалывании образцов кубообразной формы. Образец нагружают равномерно со скоростью 1-5 МПа/с до раскалывания сначала на бруски, затем по поперечным линиям на кубики полуправильной формы. Диски диаметром 40-60 мм раскалывают на четыре части. При каждом раскалывании образца записывают разрушающую силу в килоньютонах и среднюю длину линии раскола в сантиметрах, которую измеряют штангенциркулем с погрешностью не более ±0,05 см.

Предел прочности при одноосном растяжении (σ^кр) в МПа для каждого образца вычисляют по формуле

Приборы ПСН внесены в Государственный реестр средств измерений.