МЕТОД ОЦЕНКИ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ МАТЕРИАЛОВ
MATERIALS STRESS STATE EVALUATION METHOD

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для определения напряженного состояния материалов, например горных пород.
При решении ряда геологических и инженерных задач необходимо знание напряженного состояния элементов сооружения. В практике достаточно часто встречаются случаи, когда проектные решения (расчетные модели) не обеспечивают в полной мере устойчивость инженерных объектов. Это приводит к аварийным ситуациям на них, поэтому необходима информация о реальных нагрузках (напряжениях), при которых произошло разрушение элементов сооружения.
Известен способ определения предела прочности материала, по которому нагружают образец испытуемого материала на заданной площади контакта до его разрушения и определяют предел прочности по формуле, при этом используют образец материала произвольной формы и произвольно ориентированный в пространстве, нагружают его постоянной осевой силой (Пат 2063015, МПК G01N 3/00, Способ определения предела прочности материала. - Заявка №5028107/28, заявл. 19.02.1992, опубл. 27.06.1996).
Этот способ не обеспечивает необходимую точность определения параметров напряженного состояния материалов для определения характера разрушения сооружения.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является способ определения напряженного состояния материала, заключающийся в том, что образцы исследуемого материала испытывают при различных схемах напряженного состояния, определяют значение параметра материала, соответствующее различным схемам напряженного состояния, и по значениям этого параметра, измеренного для материала, не подвергавшегося испытаниям, судят о его напряженном состоянии, при этом образцы материала испытывают до разрушения, а в качестве параметра выбирают величину шероховатости на поверхности разрушения (А.с. 1173244, СССР, МПК G01N 3/28; Способ определения напряженного состояния материала - Заявка №3668212, заявл. 25.11.83, опубл. 15.08.85, бюл. №30).
Этот способ также не обеспечивает точность, необходимую для экспертной оценки параметров разрушения материала.
Технический результат заключается в повышении надежности эксплуатации сооружений за счет выявления причин аварий на инженерных объектах и возможности осуществления корректировки расчетных моделей путем повышения точности оценки напряженного состояния материалов.
z
z
н
z1
н.р
н.р
2р
1p
Указанный технический результат достигается тем, что в способе оценки напряженного состояния материалов, включающем испытание образцов исследуемого материала при различных схемах напряженного состояния, измерение значений величины шероховатости материала на поверхности разрушения, соответствующее различным схемам напряженного состояния, и по значениям величины шероховатости на поверхности разрушения, измеренной для материала, не подвергавшегося испытаниям, судят о его напряженном состоянии, при этом образцы материала испытывают до разрушения, при этом осуществляют изготовление образцов из монолитов исследуемого материала, проводят испытание их на одноосные растяжение, сжатие и в условиях объемного напряженного состояния, по этим данным строят паспорт прочности с огибающей предельных кругов напряжений Мора, после чего производят измерение величины шероховатости поверхности R магистральной трещины для каждого вида напряженного состояния породы, по которым строят номограмму изменения шероховатости R поверхности магистральной трещины разрушения материалов в зависимости от величины главных нормальных напряжений σ в зоне трещины разрушения, затем отбирают образец из зоны магистральной трещины разрушения исследуемого элемента конструкции сооружения и в нем измеряют величину шероховатости R поверхности магистральной трещины разрушения, по которой, используя полученную номограмму определяют величины максимальных нормальных напряжений σ, действующих в зоне разрушения материалов, а далее определяют точку предельного состояния исследуемого материала, для чего на оси ординат паспорта прочности материала, откладывают значение максимального нормального напряжения, действующего в зоне разрушения материала σ, и из этой точки проводят перпендикуляр до огибающей кругов напряжений Мора, после чего используя точку предельного состояния исследуемого материала строят круг напряжений Мора для исследуемого образца разрушенного элемента конструкции, и по нему определяют значения главных нормальных напряжений σ и σ, и вид напряженного состояния материала при котором произошло разрушение элемента сооружения.
Максимальные нормальные напряжения, действующие в зоне разрушения материалов для каждого вида напряженного состояния, определяют по паспорту прочности материала. Критические значения сцепления и угол внутреннего трения исследуемого материала, при котором произошло разрушение материала элемента сооружения, определяют по величине напряженного состояния материала, при котором произошло разрушение элемента сооружения.
Пример осуществления способа приводится для условий калийного месторождения.
н
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 - схема паспорта прочности исследуемого материала; на фиг. 2 - схема паспорта прочности каменной соли; на фиг. 3 - таблица определения максимальных нормальных напряжений σ. после испытаний каменной соли; на фиг. 4 - номограмма изменения шероховатости Rz поверхности магистральной трещины разрушения.
н
н.р.
На чертежах: 1 - точка предельного состояния исследуемого материала, как касательная к огибающей кругов Мора, 2 - определение максимальных напряжений σ; 3 - круг напряжений Мора, построенный по результатам исследований σ
Способ осуществляется следующим образом.
При оптимизации, например, параметров разработки калийных месторождений, необходима информация о виде напряженного состояния целика, в котором он работает, а также предельные прочностные характеристики материала (каменной соли), при котором целик находится в устойчивом состоянии.
н
1
2
Из материала исследуемой конструкции сооружения изготавливаются образцы, которые подвергаются испытаниям для построения паспорта прочности материала, по которому определяют максимальные нормальные напряжения (σ), угол внутреннего трения пород (ϕ), сцепление (с), главные нормальные напряжения (σ и σ) (Фиг. 1).
р
с
2
3
В конкретном примере образцы изготавливаются из монолитов каменной соли, которые затем испытываются на одноосное σ - растяжение, σ - сжатие и в условиях объемного напряженного состояния. Каменная соль исследуется при боковых давлениях (σ=σ=5-15 МПа) в стабилометре конструкции ВНИМИ. Проводятся три цикла испытаний: I цикл - при боковых давлениях 5 МПа, II цикл - при 10 МПа, III цикл - при 15 МПа.
н
1
2
н.р.
По результатам исследований строится паспорт прочности материала, в конкретном случае - каменной соли (Фиг. 2). По паспорту прочности графически определяют максимальные нормальные напряжения, действующие в зоне разрушения материалов для каждого вида напряженного состояния, как касательные к огибающей кругов Мора 1, а именно: максимальные нормальные напряжения (σ) 2, угол внутреннего трения пород (ϕ), сцепление (с), главные нормальные напряжения (σ и σ). На фиг 1 круг напряжений Мора, построенный по данным σ обозначен 3.
После испытаний образцов (до их разрушения) измеряют величину шероховатости поверхности Rz (в миллиметрах) магистральной трещины для каждого вида напряженного состояния породы - одноосных сжатия и растяжения, объемного напряженного состояния. Результаты измерений Rz приведены в таблице (Фиг. 2).
н
н
н
Определение σ производится графически, как ордината к точке касания круга Мора и огибающей предельных кругов напряжений Мора. Так, например, при разрушении материала в объемном напряженном состоянии в третьем цикле σ=32 МПа (Фиг. 1). Результаты определений σ приведены в таблице.
н
Затем строят номограмму изменения шероховатости Rz поверхности магистральной трещины разрушения каменной соли в зависимости от величины главных нормальных напряжений σ в зоне трещины разрушения (Фиг. 3).
После этого отбирают образец материала каменной соли из зоны магистральной трещины разрушения исследуемого (разрушенного) элемента конструкции сооружения. В образце измеряют величину шероховатости Rz1 поверхности магистральной трещины разрушения, которая, например, составляет Rz1=1.20 мм.
н.р.
По величине Rz1=1.20 мм, используя полученную номограмму (Фиг. 3), определяют максимальные нормальные напряжения, действующие в зоне разрушения материалов, например σ=7 Мпа.
н
н.р.
2р
1р
Далее определяют точку предельного состояния исследуемого материала, для чего на оси ординат (σ) паспорта прочности материала каменной соли, откладывают значение σ=7 МПа, определяют точку касания с огибающей кругов напряжений Мора построением перпендикуляра из этой точки до огибающей кругов напряжений Мора. По полученному значению предельного состояния исследуемого материала (Т=12 МПа) строят круг напряжений Мора для исследуемого образца разрушенного элемента конструкции и определяют значения главных нормальных напряжений материала σ=1 МПа и σ=30 Мпа, при котором произошло разрушение элемента разрушенного сооружения. По данным напряженного состояния материала определяют значения прочности: сцепление (С) и угол внутреннего трения (ϕ), при котором произошло разрушение конструкции сооружения.
Использование предполагаемого изобретения позволяет повысить точность оценки напряженного состояния материалов, из которых состоит сооружение и соответственно повысить надежность его эксплуатации.