CC BY
36
16. Ermolovich E. A., Ovchinnikov A.V. Influence of the thermal field on the elastic characteristics of chalk in the state of maximum water saturation // SB. nauch. Tr. 14-th international conference on problems of mining industry, construction and energy "Socioeconomic and environmental problems of mining industry, construction and energy". Tula, 2018. Volume 2. Pp. 156-160.
17. Baron L. I. Coefficients of rock strength. Moscow: Nauka, 1972. 176 p.
18. Rzhevsky V. V. Technology and complex mechanization of open-pit mining operations. Textbook. Moscow: Nedra, 1975. 574 p.
19. Yakovchuk M. M., Ovchinnikov A.V. Tectonic disturbance of the Cretaceous massifs of the KMA // SB. nauch. Tr. II mezhdunar. scientific Conf. "Problems of environmental management and the environmental situation in European Russia and neighboring countries". Belgorod, 2006. Pp. 50-54.
20. the Nature of strength and deformation features of chalk and some chalk-like rocks / I. M. gorkova [et al.] // Proceedings of the laboratory of hydrotechnical problems named after F. P. Savarensky, Moscow: USSR Academy of Sciences, 1962, Vol. XLIV. 132 p.
21. Strength and deformability of rocks / Yu. M. Kartashov, B. V. Matveev, G. V. Mikheev, A. B. Fadeev. M.: Nedra, 1979. 269 p.
УДК 550.8.014
ВЛИЯНИЕ РАЗМЕРОВ ОБРАЗЦА НА ПРОЧНОСТЬ МЕЛА
Е.А. Ермолович, А.В. Овчинников, А.А. Аникеев, В.В. Хаустов
Рассмотрено влияние размеров образца на величину предела прочности при одноосном сжатии для писчего мела. Подготовлено и испытано методом одноосного сжатия более 30 цилиндрических образцов разного размера с отношением высоты к диаметру, равным 2. Результаты испытаний соответствуют теории масштабного эффекта. С увеличением диаметра образца от 3,7 до 10 см прочность мела уменьшается на 52,2 %. Получена зависимость изменения предела прочности при одноосном сжатии от диаметра образцов мела.
Ключевые слова: мел, масштабный эффект, предел прочности при одноосном сжатии.
В соответствии с теорией масштабного эффекта, прочность тела определяется его наиболее крупным дефектом, вероятность наличия которого тем выше, чем больше образец. Следовательно, при увеличении размеров образца следует ожидать уменьшение его прочности [1-6]. Однако, данные о влиянии размеров образца на их прочность в ряде случаев носят неоднозначный, а нередко и противоречивый характер [7, 8].
Некоторые исследователи наблюдали обратную картину: по мере уменьшения размеров образцов получаемая величина прочности снижалась. Так, исследованиями Койфмана М.И. было показано, что при одноосном сжатии кубических образцов песчаников при уменьшении линейных
размеров от 70 до 5 мм их прочность значительно снизилась [2]. К такому же заключению пришли: Барон Л.И. при исследовании прочности на сжатие известняка, мрамора и искусственных образцов из гипса и цемента [9]; Кузнецов Г.Н. при раздавливании кубических и призматических образцов каменной соли Артёмовского месторождения [10].
Напротив, Зайцевым Д.В. и др. [11] установлено, что для образцов мрамора и песчаника средняя прочность при одноосном сжатии и растяжении с изменением размеров образцов практически остается постоянной. Кузнецовым А.Н. и Пак А.К. для образцов скальных горных пород также установлено, что с увеличением значения отношения размеров образцов их прочность не изменялась [12].
Таким образом, для различных типов горных пород масштабный эффект может проявляться по-разному. Для писчего мела изучение влияния размеров образца на его прочность при одноосном сжатии ранее не проводилось.
Цель статьи: исследовать влияние размеров образца на прочность при одноосном сжатии для мела с естественной влажностью.
Исследовался мел ненарушенной структуры, монолиты которого были отобраны в карьере по добыче мела месторождения Зеленая поляна г. Белгорода. Испытания проводились на образцах с естественной влажностью в пределах от 13 до 18 %, при среднем значении - 15,4 %. Плотность образцов варьировала в пределах от 1,50 до 1,58 г/см , при среднем значении - 1,55 г/см .
Образцы для испытаний изготавливались ручным способом. Монолиты распиливались на заготовки для последующего вырезания из них образцов необходимого размера. Исследования проводились на цилиндрических образцах, изготовление которых осуществлялось в соответствии с [13, 14]. Стадии подготовки образцов показаны на рис. 1.
Рис. 1. Стадии подготовки образцов мела для испытаний методом одноосного сжатия
Высота образца выбиралась таким образом, чтобы ее отношение к диаметру было максимально приближено к 2, но в связи с ручным изготовлением образцов, трещиноватостью породы, высота и диаметр образцов получались немногим менее размера используемых режущих колец.
Испытания методом одноосного сжатия, в соответствии с ГОСТ [13], проведены в лаборатории механических свойств горных пород Центра инженерных изысканий Санкт-Петербургского горного университета на универсальной испытательной гидравлической машине серии Super «L» фирмы Tinius Olsen (рис. 2).
Всего испытано более 30 образцов мела разного размера: 5 образцов диаметром 3,7 см; по 9 образцов диаметром 3,9 и 5,0 см; 5 - диаметром 7,0 см; 3 - диаметром около 10,0 см.
Средние результаты полученных экспериментальных данных представлены в таблице.
Рис. 2. Испытание образцов диаметром 7,0 см (слева)
и 10,0 см (справа)
Результаты испытаний образцов мела методом одноосного сжатия
Высота образца, см Диаметр образца, см Площадь поперечного сечения, см2 Плотность, г/см3 Влажность, % Предел прочности при сжатии, МПа
7,36 3,70 10,75 1,55 15,01 1,13
7,84 3,94 12,19 1,54 15,38 0,97
9,93 4,93 19,08 1,55 15,32 0,83
14,04 6,97 38,14 1,55 15,61 0,69
19,8 9,81 75,55 1,57 15,72 0,54
Изменение предела прочности при одноосном сжатии образцов мела в зависимости от их диаметра аппроксимируется степенной функцией:
= 2,601й "°'69,
где осж - предел прочности образцов при одноосном сжатии, МПа; й -диаметр образцов, см.
Достоверность аппроксимации Я = 0,97. График зависимости приведен на рис. 3.
Результаты испытаний соответствуют теории масштабного эффекта. С увеличением размера образца прочность образцов мела уменьшается. Полученные значения прочности изменяются от 1,13 МПа для образцов диаметром 3,7 см, до 0,54 МПа для образцов диаметром около 10,0 см. Таким образом, с увеличением диаметра образца от 3,7 до 10,0 см наблюдается снижение прочности на 52,2 %. На рис. 4 показан характер разрушения образцов мела.
Рис. 3. График зависимости предела прочности при сжатии
от размера образца мела
Для образцов характерен хрупкий характер разрушения. Образцы большого размера разрушались с образованием более четких трещин сдвига (скалывания) в сочетании с вертикальными трещинами отрыва (рис. 4 в, г). Образцы меньшего размера (3,7...5,0 см) часто разрушались по плоскостям, параллельным оси образца (рис. 4 б), а площадки сдвига при этом приурочены к концевым частям, или наблюдается комбинация вертикальных и наклонных трещин (рис. 4 а). Преобладание вертикальных трещин отрыва, параллельных направлению сжатия, является следствием неоднородности напряженного состояния образца, а именно - появление растягивающих тангенциальных напряжений в средней части образца. Поскольку довольно хрупкий мел сопротивляется растяжению значительно меньше, чем сжатию, сравнительно небольшие растягивающие напряжения вызывают появление вертикальных трещин отрыва и разрушение образца за счет раскрытия этих трещин.
Рис. 4. Характер разрушения образцов мела разного диаметра: а - 3,9 см; б - 5,0 см; в - 7,0 см; г -10,0 см
На основе анализа проведенных экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы.
1. По результатам лабораторных испытаний более 30 образцов мела с естественной влажностью 15 % и диаметром от 3,7 до 10,0 см выявлена степенная зависимость изменений предела прочности при одноосном сжатии от размера образцов при одинаковой скорости нагружения.
2. Установлено, что с увеличением диаметра образца предел прочности при одноосном сжатии уменьшается на 52,2 %.
3. В связи с тем, что в лабораторных условиях предел прочности при одноосном сжатии чаще всего определяется на образцах диаметром до 5 см, полученная зависимость может быть использована для обоснованного переноса результатов прочности на образцы больших размеров.
Список литературы
1. Зерцалов М.Г. Геомеханика. Введение в механику скальных грунтов: учебник. М.: АСВ, 2014. 352 с.
2. Койфман М.И. О влиянии размеров на прочность образцов горных пород // Исследование физико-механических свойств горных пород применительно к задачам управления горным давлением. М.: АН СССР, 1962. С. 6-14.
3. Паспорт прочности горных пород и методы их определения / под ред. М.М. Протодьяконова. М.: Наука, 1964. 155 с.
4. Omer Mughieda, Kenan Hazirbaba, and Osama Mohamed Scale Effect on Mode of Failure and Strength of Offset Rock Joints, MATEC Web of Conferences volume 103, 07008 (2017) DOI: 0.1051/matecconf/201710307008 ISCEE 2016 (International Symposium on Civil and Environmental Engineering 2016 (ISCEE 2016).
5. Komurlu, E. Geo-Engineering (2018) 9: 17. https://doi.org/10.1186 /s40703-018-0085-z.
6. Liang, C.Y., Zhang, Q.B., Li, X. et al. Bull Eng Geol Environ (2016) 75: 1669. https://doi.org/10.1007/s10064-015-0811-0.
7. Барон Л.И., Логунцов Б.М., Позин Е.З. Определение свойств горных пород: справочное пособие. М.: Государственное научно-техническое издательство литературы по горному делу. 1962. 337 с.
8. Фролова Ю.В., Аракчеева Я.А. Влияние условий испытаний на прочность образцов известняка при одноосном сжатии // Инженерная геология. 2012. № 1. С. 56-67.
9. Барон Л.И. Влияние высоты образцов крепких горных пород на их временное сопротивление раздавливанию // Заводская лаборатория. 1956. Т. 22. С. 1352-1354.
10. Кузнецов Г.Н. Механические свойства горных пород. М.: Угле-техиздат, 1947. 206 с.
11. Влияние масштабного эффекта и неоднородности горных пород при определении их прочностных свойств / Д.В. Зайцев [и др.] // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2016. № 11. С. 208-215.
12. Кузнецов Н.Н., Пак А.К. О влиянии отношения размера образцов скальных горных пород на результаты определения их прочности при одноосном сжатии // Вестник МГТУ. Мурманск, 2014. Т. 17. № 2. С. 246253.
13. ГОСТ 12248-2010 Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости. Введ. 2012-01-01. М.: МНТСК. 2011. 156 с.
14. ГОСТ 30416-2012 Грунты. Лабораторные испытания. Общие положения. Введ. 2013-07-01. М.: Стандартинформ. 2013. 15 с.
Ермолович Елена Ахмедовна, д-р техн. наук, проф., elena.ermolovichamail.ru, Россия, Белгород, Белгородский государственный национальный исследовательский университет,
Овчинников Александр Владимирович, ст. препод., [email protected], Россия, Белгород, Белгородский государственный национальный исследовательский университет,
Аникеев Артем Алексеевич, асп., [email protected], Россия, Белгород, Белгородский государственный национальный исследовательский университет,
Хаустов Владимир Васильевич, д-р геол.-мин. наук, доц., проф., khaustov@bsu. edu.ru, Россия, Белгород, Белгородский государственный национальный исследовательский университет.
INFLUENCE OF SAMPLE DIMENSIONS ON CHALK STRENGTH E.A. Ermolovich, A. V. Ovchnnikov, A.A. Anikeev, V. V. Haustov
The influence of the sample dimensions on the value of the ultimate strength under uniaxial compression for writing chalk is considered. More than 30 cylindrical samples of different sizes with a height to diameter ratio of 2 are prepared and tested by uniaxial compression. The test results are consistent with the theory of the scale effect. With an increase of the diameter of the sample from 3,7 cm to 10 cm, the chalk strength decreases by 52,2%. The dependence of the change in the ultimate strength under uniaxial compression from the diameter of the chalk samples is obtained.
Key words: chalk, scale effect, compressive strength
Ermolovich Elena Akhmedovna, doctor of technical sciences, professor, elena. ermolovich@,mail. ru, Russia, Belgorod, Belgorod National Research University,
Ovchinnikov Aleksandr Vladimirovich, senior teacher, ovchinnikov@bsu. edu.ru, Russia, Belgorod, Belgorod National Research University,
Anikeev Artem Alekseevich, postgraduate, [email protected], Russia, Belgorod, Belgorod National Research University,
Khaustov Vladimir Vasilievich, doctor of geological and mineralogical sciences, do-cent, professor, khaustov@bsu. edu. ru, Russia, Belgorod, Belgorod National Research University
Reference
1. Zertsalov M. G. Geomechanics. Introduction to rock mechanics. Textbook. Moscow: DIA, 2014. 352 p.
2. Koifman M. I. On the influence of dimensions on the strength of rock samples // Research of physical and mechanical properties of rocks in relation to problems of rock pressure control. Moscow: USSR Academy of Sciences, 1962, Pp. 6-14.
3. Passport of rock strength and methods of their determination / ed. by M. M. pro-todyakonova. Moscow: Nauka, 1964. 155 p.
4. Omer Mughieda, Kenan Hazirbaba, and Osama Mohamed Scale Ef-fect on Mode of Failure and Strength of Offset Rock Joints, MATEC Web of Conferences volume 103,
07008 (2017) DOI: 0.1051/matecconf/201710307008 ISCEE 2016 (International Symposium on Civil and Environmental Engineering 2016 (ISCEE 2016).
5. Komurlu, E. Geo-Engineering (2018) 9: 17. https://doi.org/10.1186 /s40703-018-
0085-z.
6. Liang, C.Y., Zhang, Q.B., Li, X. et al. Bull Eng Geol Environ (2016) 75: 1669. https://doi.org/10.1007/s 10064-015-0811-0.
7. Baron L. I., Loguntsov B. M., Posin E. Z. Determination of rock properties. Reference guide. Moscow: State scientific and technical publishing house of literature on mining. 1962. 337 p.
8. Frolova Y. V., Arakcheev Y. A. Influence of test conditions on the strength of limestone samples under uniaxial compression // Engineering Geology, Moscow: geomarket-ing LLC, 2012, No. 1, Pp. 56-67.
9. Baron L. I. Influence of height of samples of strong rocks on their temporary resistance to crushing // Zavodskaya lab. M.: Metallurgizdat, 1956. T. 22. P. 1352-1354.
10. Kuznetsov G. N. Mechanical properties of rocks. M.: Ugletehizdat, 1947. 206 p.
11. The influence of the scale effect and heterogeneity of rocks in determining their strength properties / D. V. Zaitsev [et al.] // Gorny information and analytical Bulletin. Moscow: Gornaya kniga, 2016. no. 11. Pp. 208-215.
12. Kuznetsov N. N., Pak A. K. on the influence of the ratio of the size of rock samples on the results of determining their strength under uniaxial compression // MSTU Bulletin. Murmansk, 2014, Vol. 17, No. 2, Pp. 246-253.
13. GOST 12248-2010 Soils. Methods for laboratory determination of strength and deformability characteristics. No. 2012-01-01. M.: MNTSC. 2011. 156 p.
14. GOST 30416-2012 Soils. Laboratory test. Generalities. No. 2013-07-01. Moscow: Standardinform. 2013. 15 p.
Y^K 622.831+502.604
