способ определения напряженно-деформированного состояния массива материала

Формула изобретения

1. Способ определения напряженно-деформированного состояния массива материала, включающий отбор образцов материала, их нагружение и выявление предвестника разрушения массива, отличающийся тем, что образцы массива отбирают выбуриванием кернов, выявляют физико-механические характеристики материала и компоненты поля напряжений, после чего образцы подвергают нагружению с соблюдением критериев физического и геометрического подобия в соответствии с выявленными физико-механическими характеристиками материала и компонентами поля напряжений, при этом фиксируют продольные и поперечные деформации не менее чем в трех точках по периметру центральной части образца, причем заключение о характере деформационных процессов в массиве делают на основе выявленного характера деформаций образцов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве долгосрочного предвестника разрушения массива используют выявление факта превышения порога дилатансии материала образца.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве среднесрочного предвестника разрушения используют выявление факта одновременного появления реверсивных продольных и поперечных деформаций в одной части образца и аномально больших деформаций обычного типа в соседней его части.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве краткосрочного предвестника разрушения используют выявление факта начала процесса смены мест участков реверсивного и обычного деформирования образца.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для определения напряженно-деформированного состояния, а именно определения стадии развития деформационных процессов в массиве материала (в горном массиве, массиве инженерного сооружения и т.п.).

Известен способ определения напряженно-деформированного состояния массива материала, заключающийся в деформировании образца материала и регистрации момента начала разрушения, соответствующего образованию зародышевой трещины при слиянии пор, наблюдаемой на шлифе после травления (Пежина (Р.Perzyna). Моделирование закритического поведения и разрушения диссипативного твердого тела / Труды американского общества инженеров-механиков. Теоретические основы. 1984. Т.106. №4. С.107-117).

Недостатком известного способа является высокая трудоемкость в определении начала разрушения по шлифам.

Известен также способ определения напряженно-деформированного состояния массива материала, включающий отбор образцов материала, их нагружение и выявление предвестника разрушения массива (см. пат. RU №2234073, Кл. G01N 3/00, 2004). При этом в качестве предвестника разрушения массива регистрируют максимальную температуру на рабочем участке образца материала, строят графическую зависимость изменения максимальной температуры от степени деформации, а момент начала разрушения устанавливают по понижению температуры образца материала на стадии предразрушения.

Недостатком известного способа является невозможность получения предвестников разрушения массива эксплуатируемого материала разной степени срочности (от долгосрочного до краткосрочного).

Задачей, на решение которой направлено заявленное решение, является обеспечение возможности получения предвестников разрушения массива эксплуатируемого материала разной степени срочности (от долгосрочного до краткосрочного).

Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в обеспечении возможности построения постоянно действующих наблюдательных сетей, обеспечивающих высокий уровень надежности оповещения о степени готовности очагов геодинамических явлений к формированию макроразрывов, выводящих из строя конструкции и сооружения.

Поставленная задача осуществляется тем, что способ определения напряженно-деформированного состояния массива материала, включающий отбор образцов материала, их нагружение и выявление предвестника разрушения массива, отличается тем, что образцы из массива отбирают выбуриванием кернов, выявляют физико-механические характеристики материала и компоненты поля напряжений, после чего образцы подвергают нагружению с соблюдением критериев физического и геометрического подобия, в соответствии с выявленными физико-механическими характеристиками материала и компонентами поля напряжений, при этом фиксируют продольные и поперечные деформации не менее чем в трех точках по периметру центральной части образца, причем заключение о характере деформационных процессов в массиве делают на основе выявленного характера деформаций образцов. Кроме того, в качестве долгосрочного предвестника разрушения массива используют выявление факта превышения порога дилатансии материала образца. Кроме того, в качестве среднесрочного предвестника разрушения используют выявление факта одновременного появления реверсивных продольных и поперечных деформаций в одной части образца и аномально больших деформаций обычного типа в соседней его части. Кроме того, в качестве краткосрочного предвестника разрушения используют выявление факта начала процесса смены мест участков реверсивного и обычного деформирования образца.

Сравнение признаков заявленного решения с признаками аналогов и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию "новизна".

Признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.

Признаки «образцы из массива отбирают выбуриванием кернов» упрощают процедуру отбора образцов материала для испытаний.

Признаки «выявляют физико-механические характеристики материала и компоненты поля напряжений» позволяют повысить достоверность процедуры моделирования нагружения образца (ее соответствие имеющемуся в массиве материала).

Признаки, указывающие, что образцы «подвергают нагружению с соблюдением критериев физического и геометрического подобия, в соответствии с выявленными физико-механическими характеристиками материала и компонентами поля напряжений», обеспечивают воссоздание напряженно-деформированного состояния, соответствующего реальным условиям работы массива материала.

Признаки «фиксируют продольные и поперечные деформации не менее чем в трех точках по периметру центральной части образца» обеспечивают выявление деформационной картины, особенности которой позволяют интерпретировать ее как предвестник разрушения массива эксплуатируемого материала соответствующей степени срочности (от долгосрочного до краткосрочного).

Признаки второго пункта формулы описывают долгосрочный предвестник разрушения массива.

Признаки третьего пункта формулы описывают среднесрочный предвестник разрушения.

Признаки четвертого пункта формулы описывают краткосрочный предвестник разрушения.

Заявленное изобретение иллюстрируется графическими материалами, при этом на фиг.1 показана схема размещения датчиков деформаций на поверхности образца и графики, отражающие разнознаковый по периметру образца характер приращения их деформаций; на фиг.2 показан характер приращения деформаций образцов горных пород, с «привязкой» по типам предвестника разрушения, для U-образного (1) и S-образного (2) характера графиков объемных деформаций сильно сжатых образцов горных пород.

На чертежах показаны образец 1, продольные 2-5 и поперечные 6-9 датчики деформаций, трещины 10, появившиеся в результате деформационных процессов, зона 11 превышения порога дилатансии материала образца, зона 12 появления реверсивных продольных и поперечных деформаций в одной части образца и аномально больших деформаций обычного типа в соседней его части, зона 13, в которой фиксируется процесс смены мест участков реверсивного и обычного деформирования образца.

Заявленный способ реализуется следующим образом.

Из массива выбуривают известным образом керны, которые распиливают на образцы 1 заданной длины. Одновременно известным образом выявляют компоненты поля напряжений, например способом полной разгрузки пород по схеме Лимана, т.е. путем определения деформаций на поверхности центральной скважины, возникших в результате полной разгрузки пород после обуривания центральной скважины коаксиально расположенной скважиной, и пересчете деформаций в напряжения или при помощи полной разгрузки пород по схеме Хаста (в отличие от схемы Лимана в центральной скважине изменяют радиальные смещения стенок), описанными в книге Крупенникова Г.А., Филатова Н.А., Амусина Б.З. и др. Распределение напряжений в горных массивах. М., Недра, 1972, а также способом буровых скважин (см. Руководство по применению метода буровых скважин для определения напряжений в осадочных горных породах, АН СССР, Сибирское отделение института горного дела, Новосибирск, 1969). Сущность метода состоит в следующем. Из горной выработки бурят скважину, в которой устанавливают деформометр, ориентированный относительно элементов залегания пласта. Деформометр фиксирует радиальные перемещения нескольких точек контура скважин. Отсчеты снимают через определенные интервалы времени. Затем измеренные величины смещений пересчитывают в напряжения с помощью формул решения плоской задачи теории упругости с учетом свойств ползучести горных пород или же на базе использования трехкомпонентных деформометров. Часть образцов известным образом с использованием известных средств используют для выявления физико-механических характеристик материала, составляющего контролируемый массив. Остальные образцы используют для выявления соответствующего предвестника разрушения. В качестве датчиков 2-9 используют известные устройства, рабочие характеристики которых соответствуют задачам измерений, например индикаторные или тензодатчики. Поверхности образцов, предназначенных для выявления соответствующего предвестника разрушения, известным образом готовят к работе (например, если в качестве датчиков используются тензодатчики, то боковую поверхность образцов 1 готовят под наклейку и т.п.). Затем датчики фиксируют по периметру центральной части образцов, на их боковых поверхностях, с возможностью измерения продольных и поперечных деформаций (число измерительных участков должно быть не менее трех).

Далее известным образом нагружают образцы, прикладывая нагрузку по их торцам и фиксируя изменения нагрузки и продольные и поперечные деформации образца. Нагрузку доводят до уровня, соответствующего (с учетом подобия) уровню, имеющему место в натуре. Далее строят график деформирования образца по типу, показанному на фиг.1 и 2, который затем анализируют на предмет соответствия одному из предвестников разрушения массива (либо долгосрочному - если выявляется факт превышения порога дилатансии материала образца, либо среднесрочному - если выявляется факт одновременного появления реверсивных продольных и поперечных деформаций в одной части образца и аномально больших деформаций обычного типа в соседней его части, в 1,5-2.5 раза превышающих среднее значение, либо краткосрочному - если выявляется факт начала процесса смены мест участков реверсивного и обычного деформирования образца).