PL226028B1 - Method and the device for testing of rock samples - Google Patents

Abstract

Sposób badania próbek skał w prawdziwie trójosiowym stanie naprężeń ściskających, w którym próbkę skał poddaje się trójosiowemu naciskowi, przy czym nacisk główny w kierunku pionowym zadaje się przez sztywny tłok, charakteryzuje się tym, że naciski boczne zadaje się sprężyście. Urządzenie do badania próbek skał w prawdziwie trójosiowym stanie naprężeń ściskających zawierające ramę (2) w której osadzone są dwie pary sworzni (3, 4) rozmieszone parami prostopadle do siebie a na sworzniach (3, 4) osadzone są przesuwnie dwie pary płyt (5, 6) i (7, 8), przy czym do jednej z każdej pary płyt(5, 6) i (7, 8), przymocowane są siłowniki (10), korzystnie hydrauliczne, charakteryzuje się tym, że pozostałe płyty (6, 8) są oparte o paraboidalne sprężyny, które z drugiej strony oparte są o ramę (2).A method of testing rock samples in a truly triaxial state of compressive stress, in which the rock sample is subjected to triaxial pressure, with the main vertical pressure being applied by a rigid piston, is characterized by the fact that the lateral pressures are applied elastically. A device for testing rock samples in a truly triaxial state of compressive stress, comprising a frame (2) in which two pairs of pins (3, 4) are placed in pairs perpendicular to each other, and two pairs of plates (5, 4) are slidably mounted on the pins (3, 4). 6) and (7, 8), whereby actuators (10), preferably hydraulic, are attached to one of each pair of plates (5, 6) and (7, 8), characterized in that the remaining plates (6, 8 ) are based on paraboid springs, which on the other hand are based on the frame (2).

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób i urządzenie do badania próbek skał w tak zwanym pra wdziwie trójosiowym stanie naprężeń ściskających prostopadłościennych próbek skalnych.The subject of the invention is a method and a device for testing rock samples in the so-called virtually triaxial state of compressive stresses in cuboidal rock samples.

Analizując zachowanie się górotworu naruszonego prowadzonymi pracami górniczymi można zauważyć wzrost wartości naprężeń i odkształceń wokół wyrobisk. Znaczące są również zmiany w proporcjach pomiędzy składowymi tensora stanu naprężenia reprezentującego ciśnienie działające na górotwór, który najogólniej poddany jest złożonemu, przestrzennemu stanowi naprężenia. Wraz ze wzrostem głębokości eksploatacji znaczenia nabiera wiedza o własnościach mechaniczno-wytrzymałościowych skał, a także znajomość technicznych sposobów wyznaczania charakterystyk materiałowych próbek skalnych pracujących w prawdziwie trójosiowym stanie naprężenia.When analyzing the behavior of the rock mass disturbed by the mining works, an increase in the value of stresses and deformations around the workings can be noticed. The changes in the proportions between the components of the stress state tensor representing the pressure acting on the rock mass, which is generally subjected to a complex, three-dimensional state of stress, are also significant. As the depth of exploitation increases, the knowledge about the mechanical and strength properties of rocks becomes more important, as well as the knowledge of technical methods of determining the material characteristics of rock samples working in a truly triaxial state of stress.

Wyniki wieloletnich badań wytrzymałościowych skał pozwoliły stwierdzić, że w górotworze nienaruszonym robotami górniczymi czy budowlanymi w przypowierzchniowych partiach skorupy ziemskiej spełnione są warunki Karmana reprezentowane praktycznie przez osiowo symetryczny stan naprężenia z uwagi na nieduże różnice wartości pomiędzy naprężeniami głównymi. Jednakże w głęboko zalegających warstwach górotworu pośrednie naprężenie jest często kilkakrotnie większe od naprężenia uważanego za najmniejsze. Można zatem wnioskować, że powszechnie stosowana w laboratoryjnych badaniach trójosiowa zasada Karmana niekoniecznie musi odpowiadać ogólnym warunkom obciążenia ośrodka skalnego w warunkach rzeczywistych.The results of many years of rock strength tests allowed to state that in the rock mass, intact by mining or construction works, in the subsurface parts of the earth's crust, the Karman conditions, represented practically by the axially symmetrical state of stress, are met due to the small differences in the values between the main stresses. However, in deeply lying layers of the rock mass the intermediate stress is often several times greater than the stress considered to be the lowest. Therefore, it can be concluded that the Karman's triaxial principle, commonly used in laboratory tests, does not necessarily have to correspond to the general conditions of rock loading under real conditions.

Laboratoryjne próby, pozwalające odwzorować prawdziwe warunki obciążeniowe pracy górotworu, możliwe są do zrealizowania tylko przy wykorzystaniu specjalistycznej i unikalnej aparatury, której konstrukcja umożliwia fizyczne poddanie próbek skalnych obciążeniu o zróżnicowanych składowych w trzech dowolnych kierunkach.Laboratory tests, allowing to reproduce the real load conditions of the rock mass operation, are possible only with the use of specialized and unique apparatus, the construction of which allows the rock samples to be physically subjected to a load with different components in any three directions.

Sposób badania próbek skał w prawdziwie trójosiowym stanie naprężeń ściskających, według wynalazku, w którym próbkę skał poddaje się trójosiowemu naciskowi, przy czym nacisk główny w kierunku pionowym zadaje się przez sztywny tłok, charakteryzuje się tym, że naciski boczne zadaje się sprężyście. Najpierw zadaje się naciski boczne, zaś po nich zadaje się nacisk główny. Sprężysty nacisk zadaje się przy użyciu sprężyn paraboidalnych.The method of testing rock samples in a true triaxial state of compressive stress according to the invention, in which the rock sample is subjected to a triaxial pressure, the main pressure in the vertical direction being applied by a stiff piston, characterized in that the lateral pressures are applied elastically. First, the side pressures are applied, followed by the main pressures. The spring pressure is applied using paraboid springs.

Urządzenie do badania próbek skał w prawdziwie trójosiowym stanie naprężeń ściskających, według wynalazku, zawierające ramę w której osadzone są dwie pary sworzni rozmieszone parami prostopadle do siebie a na sworzniach osadzone są przesuwnie dwie pary płyt, przy czym do jednej z każdej pary płyt przymocowane są siłowniki, korzystnie hydrauliczne, charakteryzuje się tym, że pozostałe płyty są oparte o paraboidalne sprężyny, które z drugiej strony oparte są o ramę. Paraboidalne sprężyny są sprężynami progresywnymi.The device for testing rock samples in a truly triaxial state of compressive stresses, according to the invention, containing a frame in which two pairs of pins are mounted, arranged in pairs perpendicular to each other, and two pairs of plates are slidably mounted on the pins, with actuators attached to one of each pair of plates , preferably hydraulic, characterized in that the remaining plates rest against paraboid springs which, on the other hand, abut against the frame. Paraboid springs are progressive springs.

Sposób i urządzenie według wynalazku pozwalają na odtworzenie warunków trójosiowego stanu naprężenia najbardziej zbliżonego do stanu rzeczywistego. Uzyskano to na skutek zastosowania sił na próbkę skalną ze wszystkich jej stron. Jednocześnie siły boczne nie są siłami niszczącymi, zaś siły pionowe wzrastają stopniowo aż do wielkości niszczącej. Ponadto siły boczne są siłami sprężystymi co znacznie zbliża ich do sił rzeczywistych. Wielkość sił bocznych można dobierać w zależności od prowadzonych badań a ponadto obie siły boczne mogą różnić się od siebie.The method and device according to the invention make it possible to recreate the conditions of the triaxial stress state closest to the real state. This was achieved by applying forces to the rock sample on all its sides. At the same time, the lateral forces are not destructive forces, and the vertical forces gradually increase to the destructive value. Moreover, the lateral forces are elastic forces which bring them closer to real forces. The size of the lateral forces can be selected depending on the research being carried out, and moreover, both lateral forces may differ from each other.

Sposób i urządzenie według wynalazku są bliżej objaśnione w przykładzie wykonania oraz na rysunku, na którym fig. 1 przestawia próbkę skalną, na którą działają siły oraz reakcje tych sił, fig. 2 ukazuje urządzenie do badania próbek skał w widoku z góry, fig. 3 stanowi przekrój poprzeczny przez jeden zespół ściskający próbkę skalną.The method and the device according to the invention are explained in more detail in the embodiment and in the drawing, in which fig. 1 shows a rock sample on which the forces act and the reactions of these forces, fig. 2 shows the device for testing rock samples in a top view, fig. 3 is a cross-section through one unit compressing the rock sample.

Jak przedstawiono na fig. 1 - fig. 3 urządzenia do badania próbek skalnych jest utworzone z podstawowej płyty 1, do której przytwierdzona jest rama 2, przy czym jest to połączenie trwałe. W ramie 2 osadzone są dwie pary sworzni 3 i 4, przy czym poszczególne pary sworzni 3 i 4 są os adzone parami prostopadle do siebie a ponadto są one osadzone w różnych płaszczyznach. Na sworzniach 3 i 4 osadzone są przesuwnie pary płyt 5 i 6 oraz 7 i 8. Swobodny przesuw poszczególnych par płyt 5 i 6 oraz 7 i 8 zabezpieczają brązowe tuleje 9 osadzone w wszystkich płytach 5 i 6 oraz 7 i 8. Płyty 5 i 7 są połączone z siłownikami 10 i 11, natomiast płyty 6 i 8 są oparte o paraboidalne sprężyny 12 i 13.As shown in Figures 1 - 3, the rock testing apparatus is formed of a base plate 1 to which the frame 2 is attached, this being a permanent connection. Two pairs of bolts 3 and 4 are embedded in the frame 2, while the individual pairs of bolts 3 and 4 are arranged in pairs perpendicular to each other and, moreover, they are embedded in different planes. The pairs of plates 5 and 6, as well as 7 and 8 are slidably mounted on the pins 3 and 4. The free movement of individual pairs of plates 5 and 6, as well as 7 and 8 is secured by bronze bushings 9 embedded in all plates 5 and 6 as well as 7 and 8. Plates 5 and 7 are connected to the actuators 10 and 11, while the plates 6 and 8 are supported by paraboid springs 12 and 13.

Działanie urządzenia do badania skalnych próbek przebiega następująco. Pomiędzy parami płyt 5 i 6 oraz 7 i 8 umieszcza się skalną próbkę 14. Następnie podaje się płyn hydrauliczny do siłowników 10 i 11, które za pośrednictwem płyt 5 i 7 wywierają nacisk na skalną próbkę 14. Skalna próbka 14 jest oparta o płyty 6 i 8, które z kolei są oparte o paraboidalne sprężyny 12 i 13. W wyniku naciskuThe operation of the rock test apparatus is as follows. The rock sample 14 is placed between the pairs of plates 5 and 6 and 7 and 8. The hydraulic fluid is then applied to the cylinders 10 and 11, which, through plates 5 and 7, apply pressure to the rock sample 14. The rock sample 14 is supported on the plates 6 and 8, which in turn are based on paraboid springs 12 and 13. As a result of pressure

PL 226 028 B1 siłowników 10 i 11 skalna próbka 14 nieco przemieszcza się, jednakże ze względu na progresywny charakter sprężyn 12 i 13 przemieszczenie jest niewielkie. Tak zaciśniętą skalną próbkę 14 wraz z całym urządzeniem podaje się do maszyny wytrzymałościowej gdzie podaje się na skalną próbkę 14 narastające pionowe obciążenie aż do momentu kompletnego zniszczenia skalnej próbki 14.In actuators 10 and 11, the rock sample 14 is somewhat displaced, however, due to the progressive nature of springs 12 and 13, the displacement is small. The rock sample 14 clamped in this way along with the entire device is fed to the testing machine, where the increasing vertical load is applied to the rock sample 14 until the rock sample 14 is completely destroyed.

Claims (5)

1. Sposób badania próbek skał w prawdziwie trójosiowym stanie naprężeń ściskających, w którym próbkę skał poddaje się trójosiowemu naciskowi, przy czym nacisk główny w kierunku pionowym zadaje się przez sztywny tłok, znamienny tym, że naciski boczne zadaje się sprężyście.A method of testing rock samples in a true triaxial state of compressive stress, in which the rock sample is subjected to a triaxial pressure, the main pressure in the vertical direction is applied by a stiff piston, characterized in that the side pressures are applied elastically. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że najpierw zadaje się naciski boczne, zaś po nich zadaje się nacisk główny.2. The method according to p. The method of claim 1, characterized in that the lateral pressures are first applied, followed by the main pressure. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że sprężysty nacisk zadaje się przy użyciu paraboidalnych sprężyn (12, 13).3. The method according to p. The method of claim 1, characterized in that the elastic pressure is applied using paraboidal springs (12, 13). 4. Urządzenie do badania próbek skał w prawdziwie trójosiowym stanie naprężeń ściskających zawierające ramę w której osadzone są dwie pary sworzni rozmieszone parami prostopadle do siebie a na sworzniach osadzone są przesuwnie dwie pary płyt, przy czym do jednej z każdej pary płyt prz ymocowane są siłowniki, korzystnie hydrauliczne, znamienne tym, że pozostałe płyty (6, 8) są oparte o paraboidalne sprężyny (12, 13), które z drugiej strony oparte są o ramę (2).4. A device for testing rock samples in a truly triaxial state of compressive stresses, containing a frame in which two pairs of pins are mounted, arranged in pairs perpendicularly to each other, and two pairs of plates are slidably mounted on the pins, with actuators attached to one of each pair of plates, preferably hydraulic, characterized in that the other plates (6, 8) rest against paraboid springs (12, 13) which on the other hand rest against the frame (2). 5. Urządzenie według zastrz. 4, znamienne tym, że paraboidalne sprężyny (12, 13) są sprężynami progresywnymi.5. The device according to claim 1 The method of claim 4, characterized in that the paraboid springs (12, 13) are progressive springs.