WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

ЦОЙ Павел Александрович

ДЕФОРМИРОВАНИЕ и разрушение КВАЗИПЛАСТИЧНЫХ ГЕОМАТЕРИАЛОВ В УСЛОВИЯХ ПРОСТОГО И СЛОЖНОГО НАГРУЖЕНИЙ

01.02.04 – механика деформируемого твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Новосибирск – 2009

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук

Институте горного дела СО РАН

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор

Жигалкин Владимир Михайлович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Никитенко Анатолий Федорович

кандидат физико-математических наук, доцент

Ратничкин Анатолий Андреевич

Ведущая организация: Институт машиноведения УрО РАН,

г. Екатеринбург

Защита состоится « 12 » октября 2009 г. в 15 часов на

заседании диссертационного совета Д 003.054.02

в Институте гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН

по адресу: 630090, г. Новосибирск, пр-т академика Лаврентьева, 15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке

Института гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН

Автореферат разослан « » сентября 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

д.ф.-м.н., доцент Кургузов В.Д.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Основная задача обеспечения безопасных условий ведения горных работ при подземной отработке месторождений водорастворимых руд (каменная соль, сильвинит, карналлит) - предотвращение опасности прорыва надсолевых вод в подземные горные выработки. В большинстве случаев это достигается использованием камерной системы разработки с поддержанием вышележащей толщи на целиках. При этом налегающие породы должны сохранять свою сплошность на весь срок службы рудника, играя роль водоупорного целика. В мировой практике известно более 80 случаев затопления соляных и калийных рудников в результате поступления надсолевых пресных вод в выработанное пространство. В качестве характерного примера крупных аварий, имевших место в последние годы, явилось затопление в 1986 году крупнейшего в Европе Третьего Березниковского рудника Верхнекамского месторождения калийных солей (ВКМКС).

Основной причиной аварий в большинстве случаев является несоответствие параметров камерной системы разработки (ширина камер и междукамерных целиков) горно-геологическим условиям конкретных отрабатываемых участков. Как правило, эти несоответствия приводят к разрушению целиков, сдвижению подработанной водозащитной толщи, образованию сквозных водопроводящих трещин, деформациям и разрушению объектов на поверхности. Для разработки способов предотвращения аварийных ситуаций необходимо проведение исследований физико-механических свойств горных пород и моделирование напряженно-деформированного состояния конструктивных элементов подземных выработок. Поэтому эта работа, выполненная в рамках интеграционного проекта СО РАН и УРО РАН №191, является своевременной и актуальной. Финансовая поддержка в 2005 г. осуществлялась Российским фондом фундаментальных исследований (№ 07-05-96019 урал-а), интеграционных проектов СО РАН, УрО РАН, НАН Украины (№№ 05-11-04, 93, 2.19), в 2008 г. при финансовой поддержке РФФИ (№№ 06-05-64738-а, 06-05-64596-а, 08-05-00406-а, 08-05-00543-а, 08-05-00509-а), СО РАН и УрО РАН (интеграционные проекты №№ 2-14, 6.19, 18, 89, 93).

Целью работы является экспериментальное и теоретическое исследование деформирования и разрушения квазипластичных геоматериалов при простом и сложном видах нагружения.

Задачи исследований:

-исследовать влияние опытных условий (геометрических размеров, скорости деформации, граничных условий на торцах образца, бокового давления, нагрузки – разгрузки) на вид кривых «напряжение-деформация» для образцов квазипластичных геоматериалов;

-построить зависимости «напряжение – деформация» для квазипластичных геоматериалов по математическим моделям Чанышева и Леонова-Рычкова, опираясь на данные экспериментов в условиях сложного нагружения;

-оценить разрушающие деформации квазипластичных геоматериалов в условиях сложного нагружения, исходя из построенных соотношений «напряжение – деформация» по моделям Чанышева и Леонова-Рычкова;

-построить огибающие предельных кругов Мора с учетом ориентации плоскости скалывания (среза) для квазипластичных геоматериалов по данным экспериментов в условиях сложного нагружения.

Методы исследований: экспериментальные и аналитические методы.

Основные научные положения, защищаемые автором:

1. Существуют особенности влияния опытных условий (геометрических размеров, скорости деформации, граничных условий на торцах образца, бокового давления, нагрузки – разгрузки) на вид кривых «напряжение-деформация» для образцов квазипластичных геоматериалов.

2. Существуют единые зависимости «напряжение-деформация», построенные на основе математических моделей Чанышева и Леонова-Рычкова по данным сложного нагружения образцов квазипластичных геоматериалов. Количественная оценка разрушающих деформаций для квазипластичных геоматериалов, основанная на обратном пересчете по вышеуказанным моделям, находится в удовлетворительных пределах отклонения от исходных экспериментальных значений.

3. Существуют уравнения огибающих предельных кругов Мора с учетом угла среза образцов, построенные по данным сложного нагружения образцов квазипластичных геоматериалов.

Достоверность научных результатов обеспечивается: современным оборудованием, имеющим сертификат качества; последовательностью и строгостью математических выкладок; воспроизводимостью результатов экспериментов; непротиворечивостью полученных результатов результатам других исследователей.

Новизна научных положений:

- дополнение и уточнение сложившейся базы экспериментальных данных по простому и сложному нагружениям квазипластичных геоматериалов (пестрый сильвинит, каменная соль) при различных опытных условиях;

- построение зависимостей «напряжение – деформация» по математическим моделям Чанышева и Леонова-Рычкова для квазипластичных геоматериалов в условиях сложного нагружения и их использование для оценки разрушающих деформаций;

- введение при построении огибающих предельных кругов Мора нового математического описания параметра, характеризующего квазипластичные геоматериалы.

Личный вклад автора:

Личное участие автора заключается в: постановке целей и задач исследований, а также определении путей их решения; проведении экспериментов; обработке результатов опытов и их анализе; установлении зависимостей «напряжение – деформация» по математическим моделям Леонова-Рычкова и Чанышева; построении огибающих предельных кругов Мора с учетом ориентации плоскости скалывания.

Практическая ценность работы. Наблюдения, теоретические и экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния целиков показывают, что характер их деформирования и разрушения подобен тому, что имеет место при испытании образцов. Это позволяет использовать полученные в работе закономерности и данные о механических свойствах геоматериалов при анализе напряженно-деформированного состояния характера разрушения и оценке устойчивости соляных междукамерных целиков.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на: научном симпозиуме «Неделя Горняка - 2007», Москва, МГГУ, 2007; семинаре «Геомеханика и геофизика - 2007», Новосибирск, ИНГГ СО РАН, 2007; конференции «Проблемы механики сплошных сред и физики взрыва», Новосибирск, ИГИЛ СО РАН, 2007; XVII международной научной школе им. академика С.А. Христиановича «Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках», Алушта, 2007; научном симпозиуме «Неделя Горняка - 2008», Москва, МГГУ, 2008.

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в четырех печатных работах из списка ВАК.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, двух глав, заключения и приложения, изложенных на 106 страницах машинописного текста, содержит 40 рисунков, 13 таблиц, список литературы из 93 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, определены цель и задачи исследования. Приводится характеристика работ, в которых экспериментально и теоретически проведено исследование полных диаграмм «напряжение-деформация» с ниспадающей ветвью для различных горных пород. Эти работы связаны с именами И.В. Баклашова, С.Д. Волкова, Г.И. Дубровиной, А.А. Лебедева, А.Н. Ставрогина, В.В. Стружанова, Фридмана Я.Б., Г.П. Черепанова, C.A. Tang и другими.

Основной вопрос состоит в объяснении и описании запредельного участка диаграммы.

Сопротивление разрушению есть не только свойство материала, но также оно определяется жесткостью нагружающей системы (Я.Б. Фридман). В неё входит комплекс, состоящий из нагружающего устройства и деформируемого тела, окружающего область разрушения. Также и режим нагружения существенным образом влияет на поведение ниспадающей ветви диаграммы. Наряду с этим ряд авторов (А.А. Лебедев, Г.И. Дубровина) придерживается позиции, которая отражает влияние процесса накопления повреждений на вид запредельной ветви деформирования.

Существуют диаметрально противоположные мнения по поводу принятия запредельного участка деформирования в качестве характеристики материала. Так, Г.П. Черепанов, C.A. Tang считают, что запредельный участок является динамической характеристикой системы «образец - испытательная машина». С другой стороны, ряд экспериментальных работ А.А. Лебедева с соавторами, В.В. Стружанова, а также А.Н. Ставрогина показал, что ниспадающая ветвь все же зависит не только от жесткости испытательной машины, но и является характеристикой материала. Наличие ниспадающего участка диаграммы говорит о том, что разрушение материала – это не мгновенный акт, а непрерывный процесс, продолжающийся в течение определенного промежутка времени.

Деформационное разупрочнение материала связано с возникновением магистральной трещины, которая, в результате, является основной причиной снижения нагрузки (М.Я. Леонов, Б.А. Рычков, А.Н. Ставрогин, Tien Yong Ming).

На основе экспериментальных данных и теоретических предположений рядом исследователей (И.М. Петухов и А.М. Линьков, И.В. Баклашов, А.Ф. Ревуженко, А.Н. Ставрогин, В.В. Стружанов) были сформулированы соотношения запредельного деформирования горных пород.

Данная работа, являясь частью вышеперечисленных исследований, ориентируется на изучение квазипластичных геоматериалов (соляных горных пород) в условиях простого и сложного нагружений с использованием испытательного пресса «жесткого» типа.

Первая глава посвящена экспериментальному исследованию квазипластичных геоматериалов (соляные породы). Приводится описание образцов соляных пород, испытательного оборудования, методика проведения экспериментов и обработки полученных данных (рис.1, табл.1).

Рис.1. Схема к определению прочностных, деформационных и энергоемкостных характеристик квазипластичных геоматериалов.

Изготовлялись цилиндрические образцы соляных пород, которые имели диаметр поперечного сечения d=38 мм и высоту h равную 76, 57, 38 и 19 мм. За базу образцов, по которой измерялись осевые перемещения, принимались величины, составлявшие 50, 25 и 12,5 мм.

Испытания в условиях простого (одноосное сжатие) и сложного нагружений (трехосное сжатие) проводились на установке фирмы «Instron» модель 8802.

Табл. 1

Предел прочности на сжатие, МПа

Предел длительной прочности, МПа

Предел остаточной прочности, МПа

Уровень нагрузки на пределе длительной прочности

Относительная продольная деформация, %

Относительная поперечная деформация, %

Относительная продольная деформация, соответствующая пределу прочности (разрушающая деформация), %

Относительная продольная деформация, соответствующая пределу длительной прочности (упругая деформация), %

Относительная продольная деформация, соответствующая переходу диаграммы деформирования на стадию остаточной прочности, %

Относительная поперечная деформация, соответствующая пределу прочности, %

Относительная поперечная деформация, соответствующая пределу длительной прочности, %

Модуль деформации (секущий) на пределе прочности, ГПа

Модуль деформации (касательный) на пределе упругости, ГПа

Модуль упругости, ГПа

Модуль спада (касательный), ГПа

Модуль спада (секущий), ГПа

Удельная энергоемкость разрушения, определенная по площади под полной диаграммой деформирования, МДж/м3

Она представляет собой автоматизированную электрогидравлическую систему. Номинальная нагрузка пресса – 25 тонн. Жесткость - Н/м. Всего было проведено порядка 300 экспериментов.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»