Strength and strain quantities under brittle compression process of hard rocks

Abstract

Purpose. To examine the relationships between strength properties and strain quantities associated with the brittle compression process of hard brittle rocks. Methods. The data used in this paper were obtained from laboratory uniaxial compression tests carried out on 84 different types of hard rocks in accordance with Ulusay (2015) proposed standards. The strength properties and the strain quantities were coordinated so that each of the strain quantities or their ratios is compared individually with the strength properties of the rocks as for their relationship. Findings. In all the cases the relationships between the strain ratios and the strength parameters are stronger than when compared with individual strain quantities. A threshold level for strain ratio Ɛvf / Ɛcd may be assumed as the limit for fracture initiation above which the rock may experience brittle fracture failure. Originality. Scientific sources demonstrate few laboratory studies as for strength properties-strain quantities ratio. Most of the published research has been concentrated on crack damage stress (σcd) and uniaxial compressive strength (σc) of characteristic stress levels during compression. The paper has performed detailed analysis of the problem using experimental results of the relationships between strength properties and strain quantities under the deformation process of hard rocks. Practical implications. The relationships can improve our knowledge to evaluate correctly the stability of excavations, design of stable structures such as tunnels and excavations for mining and civil engineering purposes.

Мета. Вивчення зв’язків між міцнісними характеристиками та величинами деформацій, що виникають у процесі крихкого стискання твердих порід. Методика. На підставі лабораторних тестів на одноосьове стискання, проведені з 84 видами твердих гірських порід, отримано результати їх міцності на одноосьове стискання, модулі пружності та коефіцієнти Пуассона. Для випробувань використана сервокерована система контролю із замкненим контуром (випробувальна машина МТS 815). Параметри міцності оцінюються відповідно до запропонованих стандартів (Ulusay, 2015). Результати. Експериментальним шляхом встановлено кореляційні взаємозв’язки критичної об’ємної деформації при втраті міцності з її безпосередніми параметрами (міцність на одноосьове стискання, модуль пружності, коефіцієнт Пуассона). Встановлено, що у всіх випадках взаємозв’язок між відносинами деформації та параметрами міцності сильніший, ніж у порівнянні з окремими величинами деформації. Граничний рівень для деформаційного співвідношення Ɛvf /Ɛcd може бути прийнятий як межа початку руйнування, вище якої гірська порода може піддаватися крихкому руйнуванню. Наукова новизна. Попередні дослідження були сфокусовані у більшості випадків при вивченні напружень розриву (σcd) та одноосьовому компресійному стисканні (σc) характерних рівнів напружень під час стискання й носили теоретичний характер. У цій статті експериментальним шляхом були уточнені результати дослідження співвідношень і взаємозв’язків між міцнісними характеристиками та величинами деформації у процесі деформації твердих гірських порід. Практична значимість. Встановлені співвідношення міцнісних та деформаційних величин сприяють удосконаленню знань щодо коректної оцінки стійкості проведених гірничих виробок, проектування стійких споруджень, таких як тунелі, розробки в гірництві, промисловому та цивільному будівництві.

Цель. Исследование взаимосвязей между прочностными характеристиками и величинами деформаций, возникающими в процессе хрупкого сжатия твердых хрупких пород. Методика. На основе лабораторных тестов на одноосное сжатие, проведенных с 84 видами твердых горных пород, получены результаты их прочности на одноосное сжатие, модуля упругости и коэффициента Пуассона. Для испытаний использовалась сервоуправляемая система контроля с замкнутым контуром (испытательная машина MTS 815). Параметры прочности оценивались в соответствии с предложенными стандартами (Ulusay, 2015). Результаты. Экспериментальным путем установлены корреляционные взаимосвязи критической объемной деформации при потере прочности с ее непосредственными параметрами (прочность на одноосное сжатие, модуль упругости, коэффициент Пуассона). Установлено, что во всех случаях взаимосвязь между отношениями деформации и параметрами прочности сильнее, чем по сравнению с отдельными величинами деформации. Пороговый уровень для деформационного соотношения Ɛvf /Ɛcd может быть принят как граница начала разрушения, выше которой горная порода может подвергаться хрупкому разрушению. Научная новизна. Предыдущие исследования были сфокусированы в большинстве случаев на изучении напряжения разлома (σcd) и одноосном компрессионном сжатии (σc) характерных уровней напряжения во время сжатия и носили теоретический характер. В этой статье экспериментальным путем были уточнены результаты исследования соотношений и взаимосвязи между прочностными характеристиками и величинами деформации в процессе деформации твердых горных пород. Практическая значимость. Установленные соотношения прочностных и деформационных величин способствуют совершенствованию знаний относительно корректной оценки устойчивости проведенных горных выработок, проектированию устойчивых сооружений, таких как туннели, разработки в горном деле, промышленном и гражданском строительстве.