Pruebas de propiedades geofísicas y mecánicas

4.1.2.1 Ensayo de corte directo de una muestra de suelo

La resistencia al corte del suelo es la resistencia de una parte del suelo al deslizamiento de otra parte del suelo bajo la acción de fuerza externa. La medición de la resistencia al corte del suelo puede proporcionar indicadores básicos para calcular la resistencia y la estabilidad de los cimientos, es decir, la cohesión del suelo y el ángulo de fricción interna. La relación entre el ángulo de fricción interna, la cohesión y la resistencia al corte del suelo se expresa mediante la fórmula de Coulomb:

τ=σ·tanφ c (4-1)

Donde: τ—— resistencia al corte, (kPa);

σ——es la tensión normal, (kPa);

φ——ángulo de fricción interna, (°);

c——Fuerza cohesiva, (kPa).

El equipo que aplica directamente fuerza de corte a la muestra se llama instrumento de corte directo. Los instrumentos de corte directo comúnmente utilizados se dividen en dos tipos: tipo controlado por tensión y tipo controlado por deformación según las características de aplicación. esfuerzo cortante. La fórmula de control de tensión consiste en aplicar cantidades iguales de fuerza de corte horizontal a la muestra de suelo en etapas para provocar que se corte. La fórmula de control de tensión consiste en empujar el recipiente de corte a una velocidad constante para provocar que la muestra de suelo se corte. La forma de cepa es la más utilizada. La muestra se coloca entre las cajas superior e inferior. Primero se aplica una presión normal predeterminada a la muestra y luego se aplica una fuerza horizontal en etapas a una cierta velocidad para ejercer una fuerza de corte sobre la muestra. la deformación o deformación del anillo de fuerza en contacto con la caja superior Determinada por la relación entre la fuerza horizontal aplicada y la relación del brazo de palanca. Para obtener los parámetros de resistencia al corte (c, φ), generalmente se utilizan al menos cuatro o cinco muestras, y se mide el τf1 correspondiente bajo la acción de diferentes presiones normales σ1, σ2, σ3... utilizando el mismo método. Los valores de τf2, τf3..., según estos valores de σ, τf, la curva de resistencia al corte se puede dibujar en las coordenadas rectangulares.

Para simular aproximadamente las condiciones de corte del suelo en sitio, de acuerdo con el proceso de consolidación antes del corte, las condiciones de drenaje durante el corte y la velocidad de carga, el ensayo de corte directo se divide en: rápido corte, corte sólido Nudo tres métodos de prueba: corte rápido y corte lento.

El instrumento de corte directo controlado por deformación se muestra en la Figura 4-1. El componente principal del instrumento es el contenedor de corte, que se compone de una caja superior fija y una caja inferior móvil (medidor de tensión). o una caja inferior fija y una caja superior móvil (tipo tensión) y otros componentes. Entre ellos, el cortador de anillos tiene un diámetro interior de 61,8 mm y una altura de 20 mm. Equipo de medición de desplazamiento, indicador de cuadrante y sensor, el rango del indicador de cuadrante debe ser de 10 mm, el valor de graduación debe ser de 0,01 mm y la precisión del sensor debe ser de nivel cero.

Figura 4-1 Instrumento de corte directo controlado por deformación

Al analizar los pozos de sondeo de ingeniería geológica, se realizaron pruebas de corte directo en suelos limosos y arcillas limosas. Los resultados de la prueba bajo cada nivel de presión se representan como la curva de relación entre el esfuerzo cortante τ y la deformación cortante s como se muestra en la Figura 4 2. Generalmente, el valor máximo de la curva se considera como la resistencia al corte correspondiente τf bajo ese nivel de presión normal. estrés.

Figura 4-2 Curva de relación tensión cortante-deformación cortante

Figura 4-3 Curva de resistencia máxima y resistencia residual

Conversión de varios tamaños σ de tensión normal, y medir la resistencia al corte correspondiente τf. En las coordenadas σ-τ, dibuje una curva, que es la curva de resistencia al corte del suelo, es decir, la envolvente de falla de Mohr-Coulomb, como se muestra en la Figura 4-3.

La intersección de la línea recta que cruza el eje τf es la cohesión c del suelo, y el ángulo de inclinación de la línea recta es el ángulo de fricción interna φ del suelo. Se pueden determinar las líneas rectas relevantes. por el método gráfico o el método de mínimos cuadrados. Los resultados del ensayo de corte directo se utilizan para calcular el índice de resistencia al corte utilizando el método de tensión total según la fórmula de Coulomb τ = σ·tanφ c.

Para suelo arenoso, la curva de relación entre τf y σ pasa por el origen, y es una línea recta que forma un ángulo φ con el eje de abscisas. La ecuación de la recta es: τf = σ·tanφ

Donde: τf——resistencia al corte de la arena, (kPa);

σ——la fuerza aplicada a la arena muestra La tensión normal, (kPa);

φ——el ángulo de fricción interna de la arena, (°).

Para suelos arcillosos y limosos, la relación entre τf y σ sigue siendo básicamente una línea recta. Sin embargo, esta línea recta no pasa por el origen, sino que forma una intersección con el eje de ordenadas. la ecuación es: τ=σ·tanφ c

Donde: c——la cohesión de un suelo arcilloso o limoso, (kPa).

Se puede ver en la fórmula anterior que la resistencia al corte del suelo arenoso está formada por la fuerza de fricción interna σ·tanφ (tanφ se llama coeficiente de fricción interna) generada por la tensión normal mientras que el corte; Resistencia del suelo arcilloso y del polvo La resistencia al corte del suelo se forma por la fricción interna y la cohesión. Bajo la condición de que la tensión normal σ sea cierta, cuanto mayores sean los valores de cy φ, mayor será la resistencia al corte τf. Por lo tanto, cy φ se denominan indicadores de resistencia al corte del suelo y pueden medirse mediante experimentos.

Fórmula de cálculo:

Teoría y práctica de minería combinada a cielo abierto de mina de carbón

4.1.2.2 Ensayo de corte directo de muestras de carbón y roca

El ensayo de corte directo de muestras de carbón y roca se realizó utilizando un instrumento de corte directo de roca. Su dirección normal y su rango de fuerza de corte deben cumplir con los requisitos de aparición de macizos de carbón y roca y el límite superior de resistencia del carbón y de la roca.

(1) Preparación de la muestra

1) Muestra de roca

① La muestra se puede cubos (el área de corte es de 5 cm × 5 cm ～ 20 cm × 20 cm), o un cilindro con una altura igual al diámetro (diámetro > 5 cm);

② La muestra debe envolverse en un marco de acero con suficiente rigidez. La muestra y el marco exterior deben estar firmemente unidos;

③ Al medir la resistencia al corte saturado, el bloque de prueba debe saturarse de antemano de acuerdo con los requisitos especificados.

2) Muestras con superficies estructurales débiles

① La muestra debe mantener su estructura original tanto como sea posible para evitar que se altere la superficie estructural

②; Dimensiones de la sección transversal de la muestra De acuerdo con el tamaño de la misma muestra de roca, la superficie estructural debe mantenerse en el medio de la altura de la muestra;

③ Para muestras con contenido de humedad natural, la pérdida de contenido de agua debe minimizarse durante el proceso de preparación de la muestra. Cuando sea necesario saturar la muestra, se debe saturar de acuerdo con los requisitos del "Estándar para métodos de prueba geotécnicos" GB/T50123 [41].

(2) Número de muestras

Un grupo de muestras no debe ser inferior a 5, y generalmente se deben preparar 1 o 2 muestras más.

(3) Descripción de muestra

Antes del experimento, se debe describir el siguiente contenido.

① Nombre, estructura organizacional, material cementante y grado de meteorización de roca y carbón.

② Grado de desarrollo del lecho, esquistosidad y fisuras de las juntas y su relación con la dirección de corte;

p>

③ El material de relleno y el grado de relleno de la superficie estructural y la alteración durante el proceso de recolección y preparación de la muestra.

④ Mida el tamaño de la muestra, dibuje o tome fotografías de la muestra.

(4) Instrumentos y equipos

Equipos de preparación de muestras, equipos de muestras saturadas, herramientas de medición para medir el tamaño de la muestra, instrumentos de corte directo de rocas, instrumentos de medición de desplazamiento normal y tangencial, métodos de medición para Instrumentos de esfuerzo axial y esfuerzo cortante, se recomienda utilizar instrumentos de registro automático continuo.

(5) Pasos de la prueba

1) Coloque la muestra en el instrumento de corte directo y la dirección de corte de la muestra debe ser consistente con la dirección de diseño;

2 ) Al instalar el sistema de carga en las direcciones normal y de corte, se debe asegurar que la fuerza resultante de la fuerza normal y la fuerza de corte pase por el punto medio del plano de corte

3) Instalar y medir las direcciones normal y tangencial. Cuando se utiliza un instrumento de desplazamiento, el punto de apoyo de la varilla de medición debe colocarse fuera del rango afectado por la deformación por corte, y la varilla de medición y el marco del medidor deben tener suficiente rigidez; 4) La tensión normal seleccionada, excepto para la abrazadera de llenado. Además de la medición de la superficie estructural del lodo, generalmente no debe ser menor que la tensión real. Para la medición de superficies estructurales rellenas de lodo, la selección de la tensión normal se basa en el principio de no extruir el lodo.

5) La tensión normal sobre la muestra se divide en cuatro secciones dentro de la tensión normal de diseño; intervalo. La selección de nivel corresponde al valor entero;

6) La carga normal se aplica 4 o 5 veces, una vez cada 5 minutos. La deformación vertical se lee antes y después de la carga. carga, la deformación se observa hasta que la carga de corte relativa se pueda aplicar cuando sea estable;

El estándar para la deformación vertical relativamente estable debe cumplir los siguientes requisitos:

① Para la medición de estructuras superficies y muestras de roca sin lodo, las lecturas durante 5 minutos no deben exceder 0,01 mm.

② Para la medición de superficies estructurales y muestras de carbón rellenas con lodo de baja plasticidad, la lectura en 10 minutos no debe exceder 0,05 mm;

③ Para aquellos llenos de lodo de alta plasticidad. Al medir superficies estructurales y muestras de carbón, la lectura en 15 minutos no deberá exceder los 0,05 mm.

7) La aplicación de la carga de corte debe cumplir los siguientes requisitos:

① La carga de corte se aplica en etapas, excepto para ensayos de superficies estructurales rellenas de lodo de baja plasticidad y alta plasticidad. se utiliza el corte máximo estimado respectivamente. Excepto para aplicar 5 y 10 de la carga de corte, las pruebas restantes se aplican de 8 a 10 de la carga de corte máxima estimada

② La deformación por corte causada por la aplicada; la carga de corte excede la carga de corte anterior Cuando el valor de deformación es 1,5 veces, la carga de corte se aplica a la mitad, es decir, se aplica de acuerdo con 2,5, 5 y 4 a 5 de la carga de corte máxima estimada;

③ La aplicación de la carga de corte se controla por el tiempo, es decir, la carga se aplica cada 5 minutos y se registran los valores de corte y desplazamiento normal antes y después de la carga.

④ Después de la carga; se corta la muestra, continúe aplicando la carga de corte para reducir la tensión de corte hasta cerca de un cierto valor normal, registre el valor de la tensión de corte.

⑤ Si se necesita una prueba de fricción, ajuste el instrumento de desplazamiento de corte; y realizar una prueba de fricción de acuerdo con el método anterior bajo el mismo nivel de tensión normal

⑥ Si es necesario, la tensión normal se puede cambiar para realizar una prueba de fricción en un solo punto

⑦ Durante el proceso de corte, es aconsejable utilizar un dispositivo estabilizador de voltaje para mantener constante la tensión normal. Si no hay un dispositivo estabilizador de voltaje, se producirá un aumento de presión o cuando se reduzca la presión, se debe realizar un ajuste manual. tiempo.

8) Después de la medición, retire el instrumento, dé la vuelta a la muestra, tome muestras para medir el contenido de humedad de acuerdo con el "Estándar para métodos de prueba geotécnicos" GB/T50123 [41] y describa el corte. superficie de la siguiente manera:

p>

① Si el estado de falla de la muestra de roca está dañado a lo largo del plano de corte predeterminado Cuando no se cumplen los requisitos de diseño de medición, los datos de medición no son válidos. p>

② Mida la diferencia de fluctuación del plano de corte y dibuje el plano de corte a lo largo del plano de corte. La curva de cambio de la altura de la sección en la dirección tangencial.

③ Dibuje y tome fotografías; superficie de corte, describa la relación entre las grietas de las juntas y la superficie de corte, y mida el área de corte.

④ Para relleno Para superficies estructurales que contienen lodo, describa la naturaleza y el espesor del lodo si es necesario.

(6) Registro y clasificación de datos de medición de muestras de carbón y roca

1) Calcule la suma de tensiones normales bajo varios niveles de carga de acuerdo con las ecuaciones (4-3) y ( 4-4) Esfuerzo cortante:

Teoría y práctica minera combinadas a cielo abierto de minas de carbón

En la fórmula: σ——esfuerzo normal que actúa sobre la superficie de corte, (MPa);

τ——Esfuerzo cortante que actúa sobre la superficie de corte, (MPa);

P——Carga normal total que actúa sobre la superficie de corte, incluida la carga aplicada y la masa del equipo, (kN)

Q - carga de corte que actúa sobre la superficie de corte (debe deducirse la resistencia a la fricción de la fila de rodillos),

A - medición real del área de corte, (cm2); ).

2) Dibujar la curva de relación entre esfuerzo cortante y desplazamiento normal, esfuerzo cortante y desplazamiento normal. Se debe promediar el desplazamiento de corte de todos los instrumentos de medición, y se debe promediar el desplazamiento normal de los instrumentos de medición de los extremos delantero y trasero.

3) Con base en la curva anterior, determine los valores de resistencia pico y residual, así como el límite proporcional, límite elástico, etc.

4) Dibujar la curva de relación entre la tensión cortante y la tensión normal en cada etapa de corte, y determinar el coeficiente de fricción y cohesión correspondiente según la expresión de Coulomb.

4.1.2.3 Ensayo de corte triaxial

El ensayo de corte por compresión triaxial es un método para determinar la resistencia al corte del suelo y de la roca y el suelo débiles. Por lo general, se utilizan de 3 a 4 muestras cilíndricas para aplicar presión axial, es decir, la diferencia de tensión principal (σ1-σ3), bajo diferentes presiones circundantes constantes (σ3), y realizar corte por compresión hasta la falla, luego, de acuerdo con la teoría de Mohr Coulomb, se obtiene; los parámetros de resistencia al corte. [40]

La prueba utiliza un instrumento triaxial totalmente automático controlado por deformación como se muestra en la Figura 4-4, que incluye un sistema de control de contrapresión, un sistema de control de presión ambiental, una cámara de presión, un sistema de medición de presión de poros, sistema de adquisición de datos y máquina de prueba, etc.

Figura 4-4 Instrumento triaxial totalmente automático con control de deformación

Esta prueba se divide en corte no consolidado no drenado (UU); corte consolidado no drenado (CU o) y corte con drenaje consolidado (CD). ), etc.

3 tipos de pruebas. La prueba general utiliza corte de drenaje consolidado (CD).

El principio del ensayo de corte triaxial es aplicar la tensión principal máxima (presión axial) σ1 y la tensión principal mínima (presión circundante) σ3 sobre la muestra cilíndrica. Fije uno de ellos (generalmente σ3) sin cambios, cambie el otro esfuerzo principal, de modo que el esfuerzo cortante en la muestra aumente gradualmente hasta que alcance el equilibrio final y se corte, y se pueda calcular la resistencia al corte del suelo.

Durante la prueba, la muestra de suelo cilíndrica se envolvió con una película de látex y se fijó en la base de la cámara de presión. Primero, inyecte líquido (generalmente agua) en la cámara de presión para someter la muestra a la presión circundante σ3 y mantenga σ3 sin cambios durante la prueba. Luego aplique presión vertical sobre el vástago del pistón en el extremo superior de la cámara de presión hasta que la muestra de suelo se corte y destruya.

Supongamos que la presión vertical ejercida por el vástago del pistón sobre la muestra de suelo cuando la muestra de suelo está dañada es Δσ1, entonces la tensión principal máxima sobre la muestra de suelo es σ1=σ3 Δσ1, y la tensión principal mínima es σ3. Se puede dibujar un círculo de Mohr a partir de σ1 y σ3.

Lleve a cabo la prueba de acuerdo con el método anterior y aplique una presión circundante diferente σ3 a cada muestra de suelo. La tensión principal máxima correspondiente σ1 durante la falla por corte se puede obtener respectivamente, y estos resultados se representan como un conjunto de. Círculos de Mohr. De acuerdo con las condiciones límite de equilibrio del suelo, la línea recta que pasa por los puntos tangentes de estos círculos de Mohr es la línea de resistencia al corte del suelo, a partir de la cual se pueden obtener los valores del índice de resistencia al corte c y φ.

Figura 4-5 Principio básico de la prueba de corte triaxial

Tome la misma muestra de suelo y mida no menos de 2 muestras de corte triaxial bajo diferentes condiciones de tensión. Como resultado, se forman círculos de tensión. dibujados respectivamente, y el índice de resistencia al corte se puede obtener a partir de las envolventes de estos círculos de tensión. En cuanto a la prueba de compresión triaxial de muestras de carbón y roca, se debe utilizar un instrumento triaxial de roca especial para realizar pruebas de compresión (corte) para obtener el índice de resistencia al corte triaxial del carbón y la roca.

4.1.2.4 Ensayo de resistencia a la compresión uniaxial

La resistencia a la compresión uniaxial del carbón y la roca generalmente se mide triturando directamente la muestra estándar. Utilice una máquina de ensayo de materiales para realizar pruebas de resistencia a la compresión en muestras estándar como se muestra en la Figura 4-6. Se utiliza una muestra estándar cilíndrica, con un diámetro de 5 cm y un rango de variación permisible de 4,8 a 4,2 cm, una altura de 10 cm y un rango de variación permisible de 9,5 a 10,5 cm; Cuando falte equipo de muestreo de cilindros, se permitirá un cilindro cuadrado de 5cm×5cm×10cm. Número de muestras: el número de muestras se determina según el estado de tensión requerido o el contenido de agua. En cada caso, el número de muestras generalmente no es inferior a 3 piezas.

Figura 4-6 Principio de la prueba de compresión uniaxial de carbón y roca

El valor máximo de tensión de compresión cuando el carbón y la roca se comprimen uniaxialmente hasta la falla se llama resistencia a la compresión uniaxial, o compresión para En resumen, resistencia, representada por R,

Teoría y práctica de la minería de juntas a cielo abierto en minas de carbón

En la fórmula: R——resistencia a la compresión unidireccional de la muestra, (kPa);

P——Carga de falla de la muestra, (kN);

F——Área de la sección transversal inicial de la muestra, (cm2).

4.1.2.5 Ensayo de resistencia a la tracción

Utilice una máquina de ensayo de materiales para medir los materiales individuales de carbón y roca utilizando el método de tracción directa o el método indirecto (método de división y carga puntual) en la muestra estándar. Tomando el método de división indirecta como ejemplo para probar la resistencia a la tracción unidireccional del carbón y la roca, especificaciones de la muestra: la muestra estándar tiene un diámetro en forma de disco y un espesor de 2,5 ± 0,2 cm. También puede tener 5 cm × 5 cm × 10 cm (tolerancia ±). 0,2).

Figura 4-7 Ensayo de resistencia a la tracción de carbón y roca

(1) La resistencia a la tracción unidireccional de la muestra está representada por RL,

Pozo abierto de mina de carbón Teoría y práctica de ingeniería conjunta de minería

En la fórmula: RL——resistencia a la tracción unidireccional de la muestra, (kPa);

P——carga de falla de la muestra, (kN) ;

p>

D——El diámetro de la muestra, (cm);

L——El espesor de la muestra, (cm).

Nota: Cuando se utiliza una muestra cuadrada, D es la altura de la muestra.

(2) Utilice la media aritmética para calcular y determinar la resistencia a la tracción. Los resultados del cálculo toman 2 cifras significativas.

4.1.2.6 Prueba de compresión de consolidación

Aplicación Aparato de consolidación: Consta de una cuchilla de anillo, un anillo de retención, una placa permeable, un tanque de agua y una cubierta superior presurizada (Figura 4-8).

Se mide el coeficiente de compresibilidad av del suelo para calcular el módulo de compresión Es. Este método de prueba es aplicable a arcilla saturada. Permitido para uso en suelos no saturados cuando solo se realiza compresión.

Después de que el suelo saturado se somete a una fuerza externa, parte del agua de los poros se descarga gradualmente del suelo, la presión del agua de los poros en el suelo disminuye gradualmente y la tensión efectiva actúa gradualmente sobre el esqueleto del suelo. aumenta, y el volumen del suelo aumenta en consecuencia comprimir hasta que la deformación alcance la estabilidad. Todo este proceso de compresión y deformación del suelo se llama consolidación. La velocidad del proceso de consolidación depende de la velocidad a la que se elimina el agua del suelo, que es función del tiempo. La deformación del suelo insaturado bajo la acción de una fuerza externa generalmente es causada por la salida o compresión del gas en los poros y depende principalmente del cambio de la tensión efectiva.

La prueba de consolidación consiste en preparar suelo no perturbado en estado natural o suelo perturbado preparado artificialmente en muestras de suelo de una determinada especificación, y luego medir la compresión del suelo bajo diferentes cargas en condiciones de drenaje lateral y axial. deformación, y el tiempo de consolidación y estabilización de la muestra bajo cada nivel de presión es de 24 horas.

La prueba de consolidación se utiliza principalmente para determinar el coeficiente de compresión, el coeficiente de compresión volumétrica, el módulo de compresión y el índice de rebote de un suelo saturado.

El coeficiente de compresión dentro de un cierto rango de presión debe calcularse de acuerdo con la siguiente fórmula:

Teoría y práctica de la minería a cielo abierto en minas de carbón

En la fórmula : av— —Coeficiente de compresión, (MPa-1);

pi——Valor de presión de un determinado nivel, (MPa).

Figura 4-8 Instrumento de consolidación

El módulo de compresión dentro de un cierto rango de presión debe calcularse de acuerdo con la siguiente fórmula:

Mina de carbón minería combinada a cielo abierto Teoría y práctica

En la fórmula: Es——módulo de compresión dentro de un cierto rango de presión, (MPa).

El coeficiente de consolidación se puede determinar mediante el método de la raíz cuadrada del tiempo o el método del logaritmo del tiempo

4.1.2.7 Prueba de contenido de humedad

La humedad de la roca y el suelo La prueba de contenido se utiliza para determinar el contenido de humedad de la roca y el suelo. El contenido de agua del suelo en su estado natural. El contenido de humedad de la roca y el suelo puede reflejar indirectamente el número de poros de la roca y el suelo, la densidad de la roca y el suelo y otras características.

La prueba adopta el método de secado. La temperatura de secado de la roca y el suelo es de 105~110℃.

El contenido de humedad se refiere a la relación entre la masa de agua perdida cuando la muestra de roca y suelo se seca hasta un peso constante a una temperatura de 105 ~ 110 °C y la masa de secado, expresada como porcentaje:

Teoría y práctica de la minería conjunta a cielo abierto en minas de carbón

En la fórmula: w——contenido de humedad de la roca y el suelo, ();

m0——masa seca de caja de pesaje, (g );

m1 - la suma de la masa de la muestra antes del secado y la masa de la caja de pesaje seca,

m2 - la; masa de la muestra después del secado y masa de la caja de pesaje seca, (g).

Cuando la muestra de suelo se calienta a una temperatura de 105 ~ 110 ℃, el agua libre en el suelo se convertirá en gas y se volatilizará. Después de que el suelo tenga un peso constante, se puede considerar que es el. masa de suelo seco m2-m0, y la masa del agua volatilizada es El agua pesa m1-m2.

4.1.2.8 Prueba de densidad

La densidad de los bloques de roca es un índice de cálculo necesario para seleccionar materiales de construcción, estudiar la erosión de las rocas, evaluar la estabilidad del macizo rocoso en la ingeniería de cimientos y determinar la roca circundante. presión. .

La densidad se determina mediante el método volumétrico del producto, el método de pesaje de agua o el método de sellado con cera. El tamaño de la pieza de prueba debe ser mayor que 10 veces la partícula más grande de la roca. La pieza de prueba puede ser un cilindro, un cilindro cuadrado o un cubo. El método de sellado con cera utiliza un bloque de roca redondo con una longitud lateral de 40 mm a 60 mm. Debe haber no menos de 3 a 5 ejemplares en cada grupo.

Teoría y práctica de la minería conjunta en minas de carbón a cielo abierto

En la fórmula: ρ——densidad de la muestra, (g/cm2);

M——masa de la muestra de roca, (g);

A - espécimen;

H - altura del espécimen, (cm).

4.1.2.9 Prueba de gravedad específica

La gravedad específica se define como la relación entre la masa de suelo cuando se seca a un valor constante entre 100 y 105 °C y la masa de suelo puro. agua del mismo volumen a 4°C. Generalmente se utiliza el método del picnómetro.

Calcule de acuerdo con la siguiente fórmula:

Teoría y práctica de la minería conjunta a cielo abierto en minas de carbón

En la fórmula: Gs——la gravedad específica de las partículas del suelo;

m1——botella, masa total de agua, (g);

m2——masa total de botella, agua y tierra, (g);

Gwt——específico gravedad del agua pura a T℃.

Con base en los tres resultados de las pruebas anteriores, la densidad seca ρd, la relación de huecos e, la porosidad n, la saturación Sr y el contenido de agua saturada wmax se pueden calcular de acuerdo con la siguiente fórmula:

Mina de carbón La teoría y práctica de la minería conjunta a cielo abierto

En la fórmula: ρw——densidad del agua pura a T℃, (g/cm3), los demás indicadores son los mismos que los anteriores, y el El valor w del contenido de agua se sustituye en la fórmula como un decimal.

4.1.2.10 Prueba de contenido límite de humedad [41]

La prueba de contenido límite de humedad puede medir el límite líquido WL y el límite plástico WP, y calcular el índice líquido IL y el índice de plasticidad IP. .

Utilizando un instrumento fotoeléctrico de medición de límite líquido-plástico combinado. Utilice un medidor de cono de 76 g para medir la profundidad de hundimiento del cono del suelo con diferentes contenidos de agua en 5 segundos y dibuje la curva de relación entre la profundidad de hundimiento del cono y el contenido de agua en papel de coordenadas logarítmicas. En línea recta, se encuentra que el contenido de agua correspondiente a una profundidad de hundimiento del cono de 17 mm es un límite líquido de 17 mm (WL17), y el contenido de agua correspondiente a una profundidad de hundimiento de 10 mm es un límite líquido de 10 mm (WL10). que la profundidad de hundimiento es de 2 mm. El contenido de humedad correspondiente es el límite plástico (WP), expresado como porcentaje, con una precisión de 0,1.

El índice de plasticidad IP y el índice líquido IL se calculan según la siguiente fórmula:

IP=WL-WP(4-12)

Mina de carbón Teoría y práctica de la minería a cielo abierto

En la fórmula: W, WL y WP son el contenido de humedad natural, el límite líquido y el límite plástico respectivamente.

Calcular el índice de plasticidad IP17, IP10, IL17, IL10 según el límite líquido de 17 mm (WL17) y el límite líquido de 10 mm (WL10) respectivamente 4.1.2.11 Ensayo reológico de roca y suelo débiles.

( 1) Propiedades reológicas de la roca y el suelo

Muchos ejemplos y estudios de desastres geológicos por deslizamientos de tierra muestran que la capa intermedia débil en el macizo rocoso de la pendiente a menudo juega un papel controlador en la estabilidad y deformación de la pendiente. hasta la ocurrencia de deslizamientos de tierra. La investigación experimental en roca y suelo incluye dos aspectos importantes: uno es la resistencia y el otro son las características de deformación. Además de estudiar las características de falla y la resistencia de la roca y el suelo débiles bajo la acción de tensiones instantáneas, también es necesario estudiar las características reológicas (fluencia) de la roca y el suelo, especialmente la capa intermedia débil de roca y suelo que controla la estabilidad de la pendiente. Por lo tanto, es necesario estudiar el borde. Se miden la resistencia reológica a largo plazo y los parámetros reológicos (fluencia) relacionados de la roca blanda y el suelo que controlan la estabilidad de la pendiente.

Después de aplicar una determinada carga al macizo rocoso, el macizo rocoso sufrirá una deformación elástica instantánea cuando la temperatura permanezca sin cambios, si la carga se mantiene en un valor constante, la deformación se prolongará con el tiempo. Y el crecimiento, este es el fenómeno reológico del macizo rocoso. Para taludes de minas de carbón a cielo abierto y taludes de macizos rocosos de lecho con macizos rocosos débiles donde los efectos del tiempo son obvios, la resistencia a largo plazo es muy importante.

Las propiedades reológicas de la roca y el suelo incluyen principalmente cuatro aspectos:

① Características de fluencia: el fenómeno en el que la deformación ε aumenta gradualmente con el tiempo t bajo la acción de la carga;

② Características de relajación: cuando la deformación ε es constante, la tensión σ disminuye gradualmente con el tiempo t:

③Características de flujo: cuando el tiempo es constante, la relación entre la tasa de deformación y la tensión σ;

④ Intensidad a largo plazo: la relación entre la intensidad τ y el tiempo t dentro de un cierto período de tiempo.

La fluencia típica de roca y suelo se divide en tres etapas, como se muestra en las Figuras 4 y 9: [42]

Figura 4-9 Curva de fluencia típica de tres etapas

1) Arrastramiento inicial, la velocidad de arrastre es rápida al principio y luego pasa a una zona de arrastre constante. La sección 0-A en la figura es la etapa de fluencia inicial.

2) Fluencia estable, como se muestra en la sección H-B de la figura. En esta área, la fluencia crece a una velocidad constante. En este momento, la velocidad de fluencia es pequeña y no se producen daños.

3) Fluencia acelerada Cuando se alcanza un cierto período de tiempo y la deformación excede la zona de fluencia constante, aumentará bruscamente hasta la falla, que es la sección B-C de la figura.

Cuando la tensión es pequeña, la fluencia acelerada no ocurrirá sin importar cuánto tiempo tome, y dicha fluencia se convierte en fluencia estable, pero cuando la tensión alcanza un cierto valor, la fluencia entrará en la zona de fluencia acelerada; Entonces la fluencia se vuelve inestable y el valor crítico de la segunda zona a la tercera zona es la resistencia a largo plazo de la roca y el suelo que queremos medir: la resistencia reológica.

(2) Prueba de reología de corte directo

Equipo de prueba de reología: para capas intermedias fangosas en el suelo o capas intermedias débiles, puede elegir un probador de reología de corte directo o usar cuatro El isoestrés directo El instrumento de corte puede realizar pruebas reológicas directamente en una temperatura y humedad constantes y en un entorno antidisturbios (como un sótano). Para roca dura o roca relativamente dura, se selecciona el reómetro de corte directo, que es un reómetro de corte directo de tamaño mediano adecuado para pruebas reológicas y de corte rápido de rocas y concreto. La fuerza de corte horizontal máxima de esta máquina puede alcanzar los 1000 kN, la presión vertical puede alcanzar los 400 kN, la carrera horizontal y vertical máxima es de 50 mm y el tamaño de la muestra tiene tres especificaciones: 100 mm × 100 mm × 95 mm, 150 mm × 150 mm × 145 mm, 200 mm × 200 mm × 195 mm, presión estable El sistema consta de una bomba eléctrica, un acumulador, una válvula de llenado de aceite, una válvula estabilizadora de presión, un indicador de presión, etc. Puede controlar la presión horizontal (rango de estabilización 40 Pa ~ 320 × 105 Pa) y la presión vertical. (rango de estabilización 35Pa ~ 260×105Pa) La pieza de prueba se somete a una estabilización de voltaje a largo plazo para realizar pruebas reológicas de diversos requisitos.

El método de prueba presenta principalmente el método de prueba de reología de corte directo más comúnmente utilizado en rocas y suelos débiles.

Primero, realice una prueba de corte rápida en la roca y el suelo de prueba para obtener los valores de falla por esfuerzo cortante σi y τi de diferentes niveles de fuerza normal, y luego determine los gradientes de grado de carga normal y presión normal correspondientes. de la prueba reológica de acuerdo con la siguiente fórmula:

Teoría y práctica de la minería conjunta a cielo abierto en minas de carbón

En la fórmula: τ0i es el esfuerzo cortante de grado de corte correspondiente a diferentes fuerzas normales σi, (kPa); τi es el grado de corte correspondiente a diferentes fuerzas normales σi Resistencia al corte rápido bajo fuerza normal σi, (kPa); K es el coeficiente de propiedad del medio del suelo y la roca, generalmente K=0,5~0,85; número de clasificación de rango de la prueba reológica n=4~6.

Generalmente, se lleva a cabo según el nivel 4 (i=4) de tensión normal. El tamaño de la tensión normal se puede determinar según la profundidad del suelo y la roca o la resistencia del suelo y la roca. , y luego el plan de pruebas reológicas obtenido anteriormente se incrementa de pequeño a grande (τ0i) y se lleva a cabo en etapas. Cada nivel de fuerza cortante se mantiene durante una semana y la deformación por fluencia se mide todos los días. Se obtiene la curva de relación γ-tiempo t de la deformación por fluencia bajo cada nivel σi y τ0i. Después de n semanas, 4 series (i = 4). Se pueden obtener datos de deformación por fluencia por corte γ-t; durante el proceso de prueba, τ0i debe ajustarse adecuadamente de acuerdo con los resultados de la prueba (principalmente condiciones de deformación). Generalmente, la muestra puede sufrir daños hasta el último nivel τ0i. Un grupo de 4 muestras, la prueba duró más de 2 meses.

Basado en 4 conjuntos de datos γ-t, el principio de superposición de deformaciones se puede utilizar para dibujar 4 conjuntos de curvas de superposición de tensión cortante τ-deformación cortante γ bajo diferentes tensiones normales σi, consulte la Figura 4-10 ~ Figura 4-13; Dibuje grupos de isócronas de esfuerzo cortante τ y deformación cortante γ en varios momentos según la curva de superposición, consulte la Figura 4-14 a la Figura 4-16.

Figura 4-10 Curva de superposición de deformación por corte σ=50kPa

Figura 4-11 Curva de superposición de deformación por corte σ=100kPa

Se puede ver en lo anterior dos conjuntos de figuras: Si el esfuerzo cortante aplicado τ<τ∞, la curva γt muestra un tipo a, mostrando fluencia hacia la estabilidad y cuando τ＞τ∞, la curva muestra un tipo b, es decir, se desarrolla a través de tres etapas; de desaceleración, velocidad constante y aceleración para dañar, es decir, fluencia no estable: el tipo c es un tipo de transición. Cuanto más finos sean los niveles de tensión cortante y mayor sea el tiempo de prueba, mayor será la precisión de los resultados de la prueba. Sin embargo, generalmente debido a limitaciones de tiempo, la tensión cortante se divide en los niveles 4 y 5. Siete días para cada nivel de prueba (estabilización de presión) pueden cumplir básicamente los requisitos de la prueba de reología de roca blanda en talud.

Figura 4-12 Curva de superposición de deformación por corte σ=150 kPa

Figura 4-13 Curva de superposición de deformación por corte σ=200 kPa

Figura 4-14 Esfuerzo de corte— Grupo de isócronas de tensión de corte-deformación de corte σ=50kPa

Figura 4-15 Grupo de isócronas de tensión de corte-deformación de corte σ=100kPa

Figura 4-16 Isócrona de tensión de corte-deformación de corte Grupo de líneas σ=150kPa

De acuerdo con la curva de superposición y el grupo de líneas isócronas, dibuje la curva de relación entre el módulo de corte G y el tiempo t. Módulo de corte G = τ/γ, que es la pendiente de la curva de relación entre el esfuerzo cortante y la deformación cortante. Diferentes duraciones de corte tienen diferentes módulos de corte. En términos generales, disminuye con el aumento de la duración del corte. Describe el efecto temporal del flujo viscoso del esqueleto del suelo bajo la acción del esfuerzo cortante y es uno de los parámetros importantes que caracterizan las propiedades reológicas de la capa intermedia, ver Figura 4. 17, como se muestra en la Figura 4-18.

De acuerdo con estos dos conjuntos de curvas, también se puede dibujar una curva de flujo con la velocidad de corte (γ=dγ/dt) como ordenada y el esfuerzo cortante (τ) como abscisa, lo que muestra que bajo un cierto contenido De acuerdo con la relación entre la velocidad de corte y la tensión de corte bajo la condición de volumen de agua y cierta densidad, el coeficiente de viscosidad η y el período de relajación M de la capa intermedia débil se pueden calcular con base en esta curva. La curva de flujo se muestra en la Figura 4-19.

Figura 4-17 Grupo de isócronas tensión cortante-deformación cortante σ=200 kPa

Figura 4-18 Curva de relación módulo de corte-duración de corte

Figura 4-19 Curva de flujo (tasa de deformación cortante-esfuerzo cortante)

Con base en la curva de prueba reológica y la teoría reológica anteriores, se pueden determinar los parámetros característicos reológicos de la capa intermedia débil.

(3) Modelo de fluencia débil entre capas

De acuerdo con los dos tipos de fluencia estable y fluencia inestable de capas de roca débiles, se establecen modelos de fluencia respectivamente.

1) Modelo de fluencia estable

Cuando el esfuerzo cortante τ es menor que su resistencia a largo plazo τ∞, todo el proceso de fluencia incluye las siguientes etapas: deformación instantánea, fluencia inicial, fluencia estable. Después de la deformación instantánea, ingresa a la etapa de fluencia inicial, la velocidad de deformación disminuye gradualmente de mayor a pequeña y luego pasa a la etapa de fluencia estable. Cuando t → ∞, la deformación eventualmente tiende a un valor estable y el proceso de fluencia estable. no pasará a la aceleración El proceso de fluencia no afectará la estabilidad y seguridad de la pendiente. La ecuación de fluencia es:

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En. la fórmula: G0—— Módulo de corte instantáneo, (kPa);

τ——esfuerzo de corte, menor que τ∞, (kPa);

G∞——a largo plazo módulo de corte, (kPa );

η1——El coeficiente de viscosidad en la etapa inicial de fluencia, (kPa·h);

t1——El período inicial de fluencia, ( h);

t2——El tiempo desde t1 hasta un tiempo determinado o desde t1 hasta el infinito t∞. 67

Debido a que toda la curva de fluencia es continua, las velocidades de deformación deben ser iguales al pasar de la etapa inicial a la etapa estable. Por lo tanto, la transición de la fluencia inicial a la etapa estable se puede obtener tomando. la derivada de la ecuación anterior en el tiempo t1, o juzgando t1 a partir de la curva de prueba, la ecuación de equilibrio es la siguiente:

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Esto. El modelo de fluencia estable puede utilizar Kai modificado. El modelo de Irvine representa la relación tensión-deformación-tiempo.

2) Modelo de fluencia inestable

Cuando el esfuerzo cortante τ es mayor que la resistencia a largo plazo τ∞, todo el proceso de fluencia incluye las siguientes etapas: deformación instantánea γ0, fluencia inicial γ1, fluencia de velocidad constante γ2, fluencia acelerada γ3, hasta que se destruye la masa rocosa, la ecuación de fluencia es la siguiente:

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En el fórmula: G ′0——módulo de corte instantáneo después de que τ sea mayor que τ∞, (kPa);

G′∞——módulo de corte a largo plazo después de que τ sea mayor que τ∞, (kPa) ;

G′∞—— p>

η′1——El coeficiente de viscosidad en la sección inicial después de τ es mayor que τ∞, (kPa·h);

η′2——El coeficiente de viscosidad en la sección de velocidad constante después de τ es mayor que τ∞ Coeficiente de histéresis, (kPa·h);

η3——Coeficiente de viscosidad de la sección de aceleración, (kPa·h );

t1——Período de fluencia inicial, (h );

t2——Período de fluencia a velocidad constante,

t3—— Periodo de fluencia acelerada, (h).

Cuando τ>τ∞, se produce una fluencia de velocidad constante después de la fluencia inicial. En este momento, el cuerpo de Bingham debe conectarse en serie según el modelo de Kelvin. La transformación de la sección de velocidad constante a la sección acelerada está determinada principalmente por la acumulación de deformación. Cuando la deformación alcanza un cierto valor γ2, entra en fluencia acelerada y el coeficiente de viscosidad eta3 continúa disminuyendo con el tiempo, lo que puede representarse por. un cilindro viscoso newtoniano variable eta3. Durante el proceso de fluencia, la fluencia se puede aumentar gradualmente desde γmin con la tasa más pequeña hasta la falla.

Dado que la fluencia a velocidad constante se transforma en fluencia acelerada, que está controlada principalmente por la tensión, es un modelo de fluencia inestable. Corresponde a la ecuación de fluencia mencionada anteriormente, que es consistente con el Instituto de Geología de Changchun. de la Academia de Ciencias de China Los resultados de la investigación de la universidad sobre el modelo de fluencia de la capa intermedia fangosa son consistentes.

Se puede ver en la curva de fluencia τ-γ que cuando τ>τ∞, la pendiente de la curva cambia, lo que indica que G y eta cambian los valores de G0′, G′∞. y eta en la fórmula son todos valores de uso superiores a τ∞.

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El tiempo de falla por fluencia se estima utilizando fórmulas empíricas basadas en pruebas en interiores o datos de observación en el sitio se basan en pruebas en interiores. datos La fórmula es:

lntr=0.75-0.92lnξmin (4-19)

Donde: tr——el tiempo de falla calculado desde el inicio de la fluencia;

ξmin——tasa de fluencia mínima (tasa de deformación en la sección de velocidad constante).

Si no se toman medidas en la sección de fluencia de velocidad constante del macizo rocoso del talud, como deshidratación, reducción de peso, refuerzo de soportes, etc., entonces el desarrollo de la sección de velocidad constante inevitablemente conducir a la aparición de una sección acelerada. Esto indica que la estructura de la roca está dañada y la pendiente pronto se volverá inestable y dañada.

El incremento de deformación en la sección de aceleración es:

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η3 es una variable que está relacionada con la tasa de deformación y acumulación de fluencia La cantidad está relacionada con el tiempo de fluencia, que actualmente es difícil de determinar mediante análisis teórico y solo se puede determinar mediante el análisis de los datos de prueba. Sin embargo, esta vez los datos de prueba de todo el proceso desde la sección de velocidad constante hasta la aceleración. sección no se ha observado, por lo que es difícil determinarlo a partir de los datos de la prueba. Mediante el análisis de pruebas en interiores, Zhaiteng concluyó que la tensión en la sección de aceleración se expresa mediante la siguiente fórmula:

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En la fórmula : A——constante de prueba;

tr - el tiempo desde el inicio de la sección de velocidad constante hasta la falla por fluencia

t2 - el tiempo desde el inicio de la sección de aceleración <; /p>

t - duración de la variación de la fluencia en la sección de aceleración;

t′r——El tiempo desde el comienzo de la sección de aceleración hasta la falla de la fluencia.

La fórmula empírica del intervalo de tiempo entre la tasa de deformación que comienza a aumentar y el tiempo de falla sugerida por Fine es:

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Donde :ttr——El tiempo requerido para alcanzar la falla desde t;

ξ——La tasa de deformación cuando la tasa de deformación comienza a aumentar.

La cantidad de deformación γ de la sección de aceleración es:

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En la fórmula: d—— constante de prueba, basada en los datos de prueba Descubra,

De esta manera, cuando τ>τ∞, toda la ecuación de fluencia también se puede escribir como:

Mina de carbón a cielo abierto teoría y práctica de minería conjunta

De acuerdo con la ecuación de fluencia, se puede utilizar para estimar la deformación total del proceso de fluencia, infiriendo así aún más el tiempo de falla.