Badania geotechniczne

Na wyposażeniu Pracowni Odkształceń Skał znajduje się następująca aparatura do badań wytrzymałościowych:

Pomiar siły obciążającej prowadzony jest zasadniczo dynamometrem o zakresie +/- 250 kN, który może zostać przeskalowany na zakres 0-500 kN lub przetwornikiem o zakresie 0-5000 kN. Pomiar przemieszczeń pionowych prowadzony może być ekstensometrem o zakresie +/- 1 mm lub poprzez pomiar pozycji tłoka czujnikiem indukcyjnym o zakresie +/- 55 mm, a pomiar przemieszczeń obwodowych próbki ekstensometrem o zakresie +/- 2,5 mm. Możliwe jest sterowanie prędkością zmiany siły obciążającej (tryb LC), prędkością deformacji podłużnej poprzez ekstensometr (tryb ASC) albo przetwornik indukcyjny (tryb PC), lub prędkością deformacji obwodowej próbki (tryb CSC).

Do wykonywania eksperymentów trójosiowego ściskania prasa sztywna wyposażona jest w kapsułę umożliwiającą prowadzenie takich eksperymentów dla ciśnień okólnych do 100 MPa i próbek o średnicy nie większej niż 50 mm. Podczas eksperymentu zapewniony jest ciągły pomiar i rejestracja siły obciążającej, deformacji podłużnej oraz deformacji obwodowej. Eksperymenty te mogą być wykonywane w trybach LC i PC pracy maszyny wytrzymałościowej.

Prasa Instron służy również jako siłownik zadający w kontrolowany sposób obciążenie podczas wykonywania testów mających na celu wyznaczenie wytrzymałości skały na rozciąganie, ścinanie (patrz pkt. 5 i 6) i jest wyposażona w osprzęt niezbędny do wykonywania tych eksperymentów.

Podczas eksperymentu zapewniony jest ciągły pomiar i rejestracja siły obciążającej próbkę oraz jej deformacji podłużnej i obwodowej. Istnieje także możliwość wykonywania badań próbki w warunkach wypełnienia jej porów płynem (gazem lub cieczą) pod ciśnieniem porowym nie większym od ciśnienia okólnego, dla pełnego zakresu ciśnień okólnych. Urządzenie GTA-10 służy również do wykonywania testów ściśliwości (patrz pkt. 4).

INFORMACJE O BADANIACH I CZYNNOŚCIACH PRZYGOTOWAWCZYCH

1. Przygotowanie próbek skał do badań właściwości mechanicznych:

• Próbki walcowe:
  • rdzeniowanie bloków skalnych koronką diamentową,
  • cięcie uzyskanych rdzeni piłą diamentową,
  • szlifowanie próbek celem uzyskania wymaganej równoległości pobocznic i podstaw z wymaganą dokładnością.
• Próbki prostopadłościenne:
  • cięcie bloków skalnych piłą diamentową na mniejsze fragmenty,
  • docinanie próbek pod zadanym kątem do uławicenia i z zachowaniem wymaganych tolerancji w zakresie równoległości podstaw.

2. Wyznaczanie wytrzymałości skały na ściskanie:

• wykonanie testu jednoosiowego ściskania na próbce walcowej z ciągłym pomiarem i automatyczną rejestracją siły obciążającej, deformacji podłużnej i deformacji poprzecznej,
• wyznaczenie dla każdej badanej próbki zależności pomiędzy naprężeniem w próbce (s₁) a odkształceniami: podłużnym (e₁), poprzecznym (e₃) i objętościowym próbki (e),
• wyznaczenie dla próbki wartości stałych materiałowych na podstawie zależności wyznaczonych w pkt. 2: granicy wytrzymałości na ściskanie (R_s1), odkształcenia na granicy wytrzymałości (R_e1), modułu Younga (E) i liczby Poissona (n),
• wykonanie testu ściskania na próbce nieforemnej w sposób opisany w normie, z ciągłą, automatyczną rejestracją wartości siły i deformacji pionowej badanej próbki,
• wyznaczenie w sposób opisany w normie wytrzymałości próbki na ściskanie (R_c).

3. Wyznaczanie wytrzymałości skały na ściskanie w trójosiowym stanie naprężenia (dla próbek walcowych o średnicy d = 32 mm i ciśnień okólnych p = 350 MPa):

• wykonanie testu klasycznego trójosiowego ściskania przy ciśnieniu okólnym spełniającym powyższy warunek, z ciągłym pomiarem i automatyczną rejestracją siły obciążającej, deformacji podłużnej i deformacji poprzecznej próbki. Istnieje możliwość prowadzenia eksperymentu, gdy próbka jest wypełniona płynem (gazem lub cieczą) pod ciśnieniem porowym q = p,
• wyznaczenie dla badanej próbki zależności pomiędzy naprężeniem różnicowym (s₁ – s₃) w próbce a jej odkształceniami: podłużnym, poprzecznym i objętościowym,
• na podstawie zależności wyznaczonych w pkt. 2 wyznaczenie dla próbki wartości następujących stałych materiałowych: różnicowej granicy wytrzymałości na ściskanie (R₁ – R₃), odkształcenia na granicy wytrzymałości, modułu Younga i liczby Poissona,
• na podstawie danych uzyskanych dla wszystkich zbadanych próbek wyznaczenie zależności między wymienionymi w pkt. 3 stałymi materiałowymi a ciśnieniem okólnym,
• wykreślenie dla badanej skały kół Mohr’a i sporządzenie ich obwiedni,
• wyznaczenie, na podstawie obwiedni kół Mohr’a oraz wyników testu rozciągania (patrz pkt. 4), spójności skały (c) i jej kąta tarcia wewnętrznego (j).

4. Wyznaczanie modułu ściśliwości objętościowej skały:

• wykonanie testu ściśliwości skały z ciągłym pomiarem i rejestracją ciśnienia hydrostatycznego i deformacji,
• wyznaczenie zależności między zmianą objętości skały a ciśnieniem hydrostatycznym, modułu ściśliwości objętościowej na podstawie krzywej.

5. Wyznaczanie wytrzymałości skały na rozciąganie:

• wykonanie ściskania próbki walcowej w sposób opisany w normie, z ciągłą i automatyczną rejestracją siły obciążającej,
• wyznaczenie, według wzorów normowych, wytrzymałości próbki na rozciąganie (s_T).

6. Wyznaczanie wytrzymałości skały na ścinanie:

• wykonanie testu w sposób opisany w normie z ciągłą, automatyczną rejestracją siły obciążającej próbkę,
• wyznaczenie, w sposób opisany w normie, granicy wytrzymałości próbki na ścinanie.

7. Wyznaczanie ścieralności i rozmakalności skały:

• przygotowanie materiału do testu ścieralności (rozmakalności),
• wykonanie testu ścieralności (rozmakalności) w sposób opisany w normie,
• sporządzenie klasyfikacji skały ze względu na ścieralność (rozmakalność).

8. Wyznaczanie urabialności skały:

• przygotowanie materiału do testu urabialności poprzez odpowiednie jego rozdrobnienie,
• wykonanie oznaczania urabialności w sposób opisany w normie,
• obliczenie wskaźnika urabialności (f_u) w sposób opisany w normie.

9. Wyznaczanie kohezji i kąta tarcia wewnętrznego dla nieciągłości w skale:

• wycięcie próbek walcowych w sposób umożliwiający wykonanie testu ścinania,
• wykonanie serii testów ścinania w taki sposób, aby próbka ścinana była pod różnymi kątami do nieciągłości,
• obliczenie wartości kohezji i kąta tarcia wewnętrznego.

Wszystkie badania prowadzone są w zgodności z Polską Normą i zaleceniami ISRM — International Society for Rock Mechanics (Międzynarodowego Towarzystwa Mechaniki Skał).

INFORMACJA: dr inż. Andrzej Nowakowski