Способ определения механических характеристик горных пород

23) Приоритет - Опубликовано 23. 7,80. Бюллетень27ия описания 28.0.80 УДК 624.131383(088.8) вв делам нзобретен Дата опубликова отермтнй 2) Автор изобретен Л. Кубецки Московский ордена Трудового Красного Знамен инженерно-строительный институт нм. В. В. Куйбышева(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСК ХАРАКТЕРИСТИК ГОРНЫХ ПОРОД Изобретение относится к строительству,преимущественно к подземному строительству и может быть использовано для определения характеристик деформируемостигорных пород в условиях естественного залегания,эИзвестен способ для определения коэффициента отпора породы в шуфре или камере, включающий устройство шурфа илн камеры, покрытие стенок шурфа нли камерывыравнивающим слоем бетона, приложениек стенкам шурфа или камеры равномерно 10распределенной нагрузки и замер изменениядиаметра шурфа или камеры в процессе приложейия давления 111,Однако такой способ обладает малой точ-ностью, поскольку надежные характеристикимогут быть получены лишь в случае, еслидиаметр скважины, шурфа или камеры вточности равен диаметру строящегося сооружения, а учитывая значительные размерыстроящихся в настоящее время гидротехнических туннелей, диаметры которых дости-.гают десятки и более метров, проведениеэкспериментов такого масштаба практически нереально, Этому способу также характерна значительная трудоемкость и стон м ость.Наиболее близким техническим решением является способ определения механических характеристик горных пород путем образования щели с поверхности грунта, приложения нагрузки на стенки и замера деформаций горных пород. Одновременно замеряют напряжения в Породе в плоскости, перпендикулярной домкрату. Опыт обмчио проводят в двух направлениях, с тем чтобы оценить степень анизотропии массива.По результатам измерений определяют модули деформации породы по двум взаимно перпендикулярным направлениям 12.Недостатки этого способа - малая точность определения характерйстик деформнруемости, что связано со значительной сложностью и неопределенностью распределения как естественных, так н дополнительных на.пряженнй, возникающих в результате нагружения стенок щели, ввиду неопределенно.сти размеров массива, вовлекаемого в ра боту, и несоответствия его поведения упругой среде, а также невозможность определения коэффициента упругого отпора из-за того, что испытания проводятся при плосКом йтружении массива, а не в условиях осесимметричного нагружения. Кроме того, невозможно учесть изменение характеристик в зависимости от размеров, что является важным фактором для горных пород.Цель изобретения - повышение точности определения и обеспечение возможности определения коэффициента упругого ,отпора.Указанная цель достигается тем, что вспособе определения механических характеристик горных пород путем образования=-щели-с поверхности грунта, приложеййя нагрузки на стенки щели и замера деформаций. горных пород в различных направлениях дополнительно образуют не менее двух щелей, причем основную и дополнительные щели выполняют соосно расположенными н кольцеобразной формы, прикладывают нагрузку на стенки центральной щели с последующим замером давлений во всех щелях и де.формаций горной породы центральной части и между щелями, снимают нагрузки и определяют деформации восстановления, затем в следующей за центральной щели указанные операции повторяют.Физический смысл способа заключаетсяв том, что при выполнении кольцеобразных щелей в испытываемом участке массива пол ностью снимаются естественные напряженияот собственного веса и других факторов и исключается их влияние на получаемые результаты; нагружение массива проводится в условиях одномерной задачи, имеющей простое теоретическое описание, не требующее введения целого ряда допущений, как это имеет место в известном способе, Одним из наиболее принципиальных и прак=тически" произвольным допущением является предположение линейной и упругой связи между напряжениями и деформациями исследуемой породы.При использовании предлагаемого способа отпадает необходимость требования, чтобы размеры нагружаемого участка породы вдоль центральной оси были не менее трех диаметров выработки, как это имеетместо в известных спдсобах. Эти размерымогут быть доведены до относительно небольшой величины, хотя и изменяющейся взависимости от конкретных условий размеров блоков породы, но даже для диаметра10 и более метров вполне может быть достаточно образование прорези глубиной не более- 1,5 м, что резко упрощаетпроведение 50испытаний,На фиг. 1 изображена принципиальнаясхема описываемого способа, в плане; нафиг. 2 - разрез А - А на фиг. 1,Способ заключается в следующем.На поверхности горной породы при помощи специальной пилы образуют ссюснорасположенные кольцеобразные щели 1, 2и 3 в количестве не менее трех, что необходимо для исследования масштабного фактора, т. е, учета размеров области исследуе мого массива. При этом должны соблюдаться следующие соотношения:11,З 1, 1 В х.0 , 1 зЛз-а и т.д, ф,5 - 2, где И -- глубина щели; а О - диаметр кольца породы, полученный в результате образования щелей (1 = 1, 2, 3 и т.д).При этих соотношениях обеспечиваются практически одномерные условия нагрухе. ния породы. В щели помещают домкраты и обеспечивают их плотный контакт со стенками щелей; например закачивается в домкраты жидкость.Устанавливают измерительные приборы 5 для замера деформаций горной породы между соседними щелями и в области, образованной центральной щелью.Осуществляют приложение нагрузки на стенки центральной щели до заданной величины Рзакачивая жидкость под давлением в домкрат, расположенный в центральной щели.Производят замер деформаций горной породы между соседними щелями и в области, образованной центральной щелью по различным направлениям, например по четырем взаимно перпендикулярным направлениям, что позволяет определить изменение диаметра центрального породного цилиндра и каждого породного кольца в различных направлениях,Замеряют давление Р, в домкратах, расположенных в других щелях, возникающее от действия нагрузки приложенной к стенкам центральной щели.Снимают нагрузку Ри измеряют деформация восстановления между соседними щелями, что позволяет определить упругую деформацию, и, по ней изменение диаметрацентрального породного цилиндра и каждого породного кольца ЬВь у.Осуществляют приложение нагрузки на стенки второй от центра щели до заданной величины Р,.Производят замер деформаций горной породы между соседними щелями и в области, образованной центральной щелью поразличным направляемым, что позволяет определить- измерение диаметра центрального переднего цилиндра н каждого переднего кольца ЬО,в различных направлениях,Замеряют давление Р; в домкратах,расположенных в других щелях, возникающее от действия нагрузки приложенной к,стенкам второй от центра щели.Снимают нагрузку Ри замеряют деформации восстановления между соседними щелями, чтопозволяет определить упругуюдеформацию, а по ней изменение диаметрацентрального переднего цилиндра, и каждо-.го переднего кольца - Ь 1-)ау,Затем все операции повторяют, прикладывая нагрузку к стенкам каждой из Следующих щелей.74995По полученным данным Р; 1; Ь 011,ЬОйм определяется модуль упругости Е имодуль деформации Е в зависимости отразмера испытания, либо коэффициент отпора К и коэффициент отпора К и их изменение в зависимости от размер 4 испытания по следующей формулеК, =," (1 = 1, 2, 3 и т. д.)еРгде К; - коэффициент отпора в зависимости от размера испытания;Р; - заданное давление на стенки кольцевой прорези;" - перемещение внешней стенки кольцевой прорези при заданной величине давления Р 1,.Для однородных пород Ео ЕК и Ку .определяются по осредненным данным Рд;411 ; иЮ"; 8; и Эу определенным в результатеизмерений по различным направлениям, например по четырем взаимно перпендикулярным радиусам.Для анизотропных пород Ео, Еу, К и Копределяются по результатам измерений цодвум взаимно перпендикулярным направле-ниям, Препендикулярно слоистости Ео, ЕуК 1, К и параллельно слоистости Ео=; гьЕу =; К=; Ку -- ,Для неодородиых пород при произвольном изменении свойств по радиусу от центра для опредеЛения механических характеристик может быть использовано известноерещение:.теории упругости.з 1Согласно предложенному способу повышается точность определения характеристикдеформируемости горной породы; появляетбся возможность определения коэффициента отпора К появляется возможность в процессе проведения одного испытания установить изменение характеристик деформируемости породы таких, как Е н К от размера испытания в сопоставимых условиях. Формула изобретенияСпособ определения механических ха рактеристик горных пород путем образования щели с поверхности грунта, приложения нагрузки на стенки щели и замера де. формаций горных пород в различных на- правлениях, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определений, обеспечения определения коэффициента упруго-го отпора, дополнительно образуют не менее двух щелей, причем основную и дополнительные щели выпрлняют соосно расположенными и кольцеобразной формы, прикладывают нагрузку на стенки центральной щели с последующим замером давлений во всех щелях и деформаций горной породы центральной части и между щелями, снимают нагрузку и определяют деформации восстановления, затем в следующей за, центральной щели указанные операции повторяют.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Зубаров Г, Г. и др. Гидротехническиетуннели гидроэлектрических станцй М:Л.,1962, с, 153 - 154.2. Джегер. Механика горных пород иинженерные сооружения. М., 1975, с. 82В, 1 атфрич емчи го к ий и уаск род,Редактор А Заказ 4439 ЦНИИ 113035,Филиал ППСоставительТехред К. ШуТираж 713ПИ ГосударственнодеЛам изобретенМосква, Ж - 35, РП Патент, г. Уж ушкинКорректорПодлисноеитета СССРоткрытийи иаб., д, 4/5ул. Проектная,