Nghiên cứu tính dị hướng độ bền của than thông qua thí nghiệm nén một trục

Chia sẻ: Tony Tony | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:10

0
2
lượt xem
0
download

Nghiên cứu tính dị hướng độ bền của than thông qua thí nghiệm nén một trục

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu thí nghiệm nén một trục đối với hai tổ hợp mẫu than bùn có góc dị hướng α = 00 và α = 900 . Kết quả cho thấy, đường cong ứng suất - biến dạng trong cả hai trường hợp nói trên đều có thể phân thành bốn vùng: Nén ép, đàn hồi, dẻo và phá hủy.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu tính dị hướng độ bền của than thông qua thí nghiệm nén một trục

Trường Đại học Vinh<br /> <br /> Tạp chí khoa học, Tập 46, Số 4A (2017), tr. 71-80<br /> <br /> NGHIÊN CỨU TÍNH DỊ HƯỚNG ĐỘ BỀN CỦA THAN<br /> THÔNG QUA THÍ NGHIỆM NÉN MỘT TRỤC<br /> Chu Việt Thức<br /> Trường Đại học Điện lực<br /> Ngày nhận bài 06/12/2017, ngày nhận đăng 15/3/2018<br /> Tóm tắt: Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu thí nghiệm nén một trục đối với hai<br /> tổ hợp mẫu than bùn có góc dị hướng α = 00 và α = 900. Kết quả cho thấy, đường cong<br /> ứng suất - biến dạng trong cả hai trường hợp nói trên đều có thể phân thành bốn vùng:<br /> Nén ép, đàn hồi, dẻo và phá hủy. Tính dị hướng thể hiện tương đối rõ rệt, nhưng tổ hợp<br /> mẫu có góc dị hướng α = 00 tính dị hướng thể hiện rõ rệt hơn. Biến dạng đặc trưng đều<br /> thuộc trạng thái phá hủy dòn, mặt vỡ các mẫu có góc dị hướng α = 900 chủ yếu thuộc<br /> loại phá hủy cắt, còn mặt vỡ các mẫu có góc dị hướng α = 00 chủ yếu thuộc loại phá<br /> hủy tách.<br /> <br /> 1. Đặt vấn đề<br /> Khối đá là một không gian địa chất có kích thước đủ lớn có thể chứa đựng, đặt<br /> nền móng của các công trình xây dựng… tuy nhiên, do kích thước không gian lớn và do<br /> đặc điểm của quá trình thành tạo nên tính không đồng nhất về cấu trúc là không thể tránh<br /> khỏi, đặc biệt là đá trầm tích.<br /> Thực tế quá trình thi công các công trình ngầm ở độ sâu lớn thường gặp phải đá<br /> trầm tích có các hệ mặt yếu đặc trưng như mặt phân lớp, mặt phân phiến hoặc các vết nứt<br /> vĩ mô, các đới phá hủy hoặc các phay phá đứt gãy [1, 2]. Than chính là đá trầm tích được<br /> hình thành do sự lắng đọng từ mảnh vụn hoặc các chất hữu cơ do đó than có tính phân<br /> lớp rất rõ rệt, các mặt phân lớp trong than là ranh giới phân chia các lớp đá trầm tích có<br /> thành phần sinh - hóa hoặc tuổi hình thành khác nhau. Đến nay, việc nghiên cứu tính chất<br /> cơ học của than thông qua thí nghiệm nén một trục đã được một số nhà khoa học tiến<br /> hành nghiên cứu: A. M. Hirt và A. Shakoor thông qua thí nghiệm nén một trục đối với<br /> các mẫu than cho rằng cường độ kháng nén bình quân tại các vỉa và các mỏ khác nhau<br /> đều có sự khác nhau, hoặc trong cùng một vỉa nhưng tính dị hướng cũng rất khác nhau<br /> [3]; Liu Baochen, B. Huang và cộng sự nghiên cứu về hiệu ứng của kích thước, cường<br /> độ kháng nén đối với các mẫu than và đá [4, 5]; Zhao Yangfeng nghiên cứu về quy luật<br /> tác động của điện tích trong than [6]; Yin Guangzhi nghiên cứu về quy luật sóng âm, mô<br /> tả diễn biến quá trình tổn thất của than đá [7]; C. Wang nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt<br /> độ đến tính chất cơ học của than nguyên khối có chứa gas [8]…<br /> Các nghiên cứu đối với than đến nay là tương đối phong phú, tuy vậy chủ yếu<br /> được thực hiện trên các mẫu đúc sẵn từ bột than mà ít có các nghiên cứu trên than<br /> nguyên khối; vẫn còn một số phương diện chưa được nghiên cứu một cách đầy đủ, đặc<br /> biệt là ảnh hưởng của tính dị hướng đến các tính chất cơ học của than. Trong bài báo này,<br /> tác giả thông qua thí nghiệm nén một trục để nghiên cứu và đánh giá sự dị hướng độ bền<br /> của than nhằm bổ sung thêm về lý luận cơ học đá nói chung, tính chất cơ học của than,<br /> đặc biệt than bị phân lớp ở độ sâu lớn nói riêng.<br /> Email: thucviet@yahoo.com<br /> <br /> 71<br /> <br /> C. V. Thức / Nghiên cứu tính dị hướng độ bền của than thông qua thí nghiệm nén một trục<br /> <br /> 2. Điều kiện thí nghiệm<br /> 2.1. Lựa chọn và gia công mẫu<br /> Than dùng trong thí nghiệm được lấy từ vỉa có độ sâu -880 m thuộc mỏ Hoài<br /> Nam, tỉnh An Huy, Trung Quốc, sau đó được bảo quản ở nhiệt độ phòng, đảm bảo khô<br /> ráo rồi mới được gia công để tạo thành mẫu. Quá trình gia công mẫu phải được làm hết<br /> sức tỉ mỉ, tuân thủ quy trình gia công, chế tạo mẫu thí nghiệm [9]. Đầu tiên, dùng cưa tạo<br /> các mặt song song và vuông góc với mặt phân lớp, tiếp đó mài nhẵn, đánh bóng, sau đó<br /> dùng khoan ZS-100 khoan vuông góc và song song (00 và 900) với mặt phân lớp để lấy<br /> lõi khoan. Kiểm tra lại góc tạo bởi trụ mẫu và mặt phân lớp, sau đó tiến hành cắt và mài<br /> nhẵn lại toàn bộ các mẫu một lần nữa để đảm bảo mẫu có kích thước đồng đều theo tiêu<br /> chuẩn: ϕ50mm x 100mm. Số lượng mẫu cần gia công cho mỗi loại (một tổ hợp) là 5<br /> mẫu, sau gia công xong được đánh dấu quy ước cho mỗi nhóm mẫu để tránh nhầm lẫn<br /> (hình 1.(a)).<br /> <br /> (a)<br /> (b)<br /> Hình 1: (a) - Mẫu thí nghiệm và phần thừa sau gia công, (b) - Máy RMT-150C<br /> 2.2. Thiết bị thí nghiệm<br /> Các thí nghiệm đều được thực hiện trên máy RMT - 150C tại Phòng thí nghiệm<br /> trọng điểm quốc gia thuộc Viện Cơ học đất đá, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc,<br /> Phân viện Vũ Hán (hình 1.(b)).<br /> 3. Thí nghiệm nén một trục với than có góc dị hướng khác nhau<br /> 3.1. Phương pháp thí nghiệm<br /> Trong quá trình thí nghiệm, luôn để máy ở chế độ vận hành khống chế chuyển vị<br /> dọc trục, tốc độ gia tải là 0,01 mm/s. Thí nghiệm được thực hiện theo tuần tự theo nhóm,<br /> nhóm 5 mẫu có góc dị hướng α = 900 (mặt phân lớp vuông góc với hướng gia tải) được<br /> thực hiện trước và 5 mẫu có góc dị hướng α = 00 (mặt phân lớp song song với hướng gia<br /> tải) được thực hiện sau.<br /> 3.2. Kết quả thí nghiệm<br /> 3.2.1. Trường hợp mặt phân lớp vuông góc với trục mẫu (α = 900)<br /> Tập các đường cong ứng suất - biến dạng điển hình của thí nghiệm nén một trục<br /> với góc dị hướng α = 900 được thể hiện trong hình 3. Trong hình  1 ,  3  v theo thứ tự lần<br /> <br /> 72<br /> <br /> Trường Đại học Vinh<br /> <br /> Tạp chí khoa học, Tập 46, Số 4A (2017), tr. 71-80<br /> <br /> lượt là các biến dạng dọc trục, nở hông và thể tích. Hình ảnh mẫu bị phá hủy được thể<br /> hiện trong hình 4. Kết quả thí nghiệm cho các tham số cơ học của mẫu được thống kê<br /> trong bảng 1. Trong đó: D - đường kính mẫu; H - Chiều cao mẫu;  - Mật độ mẫu than;<br /> <br />  m - Độ bền đỉnh; E - Mô đun đàn hồi;  - Hệ số Poisson; 1m - Giá trị biến dạng hướng<br /> trục lớn nhất;  3m - Giá trị biến dạng ngang lớn nhất; E50 - Mô đun biến dạng.<br /> 30<br /> <br /> 25<br /> <br /> ε3<br /> <br /> ε1<br /> <br /> εv<br /> <br /> ε3 25<br /> <br /> εv ε1<br /> 20<br /> <br /> σ1 / (MPa)<br /> <br /> σ1 / (MPa)<br /> <br /> 20<br /> <br /> 15<br /> <br /> 15<br /> <br /> 10<br /> <br /> 10<br /> <br /> 5<br /> <br /> 5<br /> <br /> -0.025<br /> <br /> -0.020<br /> <br /> -0.015<br /> <br /> -0.010<br /> <br /> -0.005<br /> <br /> 0<br /> 0.000<br /> <br /> 0.005<br /> <br /> 0.010<br /> <br /> -0.03<br /> <br /> -0.02<br /> <br /> ε / (mm/mm)<br /> <br /> 0<br /> 0.00<br /> <br /> -0.01<br /> <br /> ε / (mm/mm)<br /> <br /> UC - 3<br /> <br /> 0.01<br /> <br /> UC - 5<br /> ε3<br /> <br /> 25<br /> <br /> εv<br /> <br /> ε1<br /> <br /> ε1<br /> <br /> 20<br /> 20<br /> <br /> εv<br /> <br /> ε3<br /> <br />  / (MPa)<br /> <br /> 1 / (MPa)<br /> <br /> 15<br /> 15<br /> <br /> 10<br /> <br /> 5<br /> <br /> 5<br /> <br /> -0.03<br /> <br /> -0.02<br /> <br /> -0.01<br /> <br /> ε / (mm/mm)<br /> <br /> SW - 5<br /> <br /> 0<br /> 0.00<br /> <br /> 10<br /> <br /> 0.01<br /> <br /> -0.05<br /> <br /> -0.04<br /> <br /> -0.03<br /> <br /> -0.02<br /> <br /> -0.01<br /> <br /> 0<br /> 0.00<br /> <br /> ε / (mm/mm)<br /> <br /> SW - 21<br /> <br /> Hình 3: Đường cong ứng suất - biến dạng nén một trục<br /> khi mẫu có góc dị hướng α = 900<br /> <br /> 73<br /> <br /> 0.01<br /> <br /> C. V. Thức / Nghiên cứu tính dị hướng độ bền của than thông qua thí nghiệm nén một trục<br /> <br /> Hình 4: Trạng thái phá hủy khi nén một trục đối với mẫu có góc dị hướng α = 900<br /> <br /> <br /> m<br /> H<br /> -3<br /> (mm) (g.cm ) (Mpa)<br /> <br /> Mẫu<br /> <br /> D<br /> (mm)<br /> <br /> UC-3<br /> <br /> 49,760 94,680<br /> <br /> 1,415<br /> <br /> 27,536<br /> <br /> UC-4<br /> <br /> 49,660 96,960<br /> <br /> 1,427<br /> <br /> UC-5<br /> <br /> 49,610 99,300<br /> <br /> SW-5<br /> SW-21<br /> <br /> <br /> <br /> 1m<br /> <br />  3m<br /> (10 )<br /> <br /> E50<br /> (GPa)<br /> <br /> 4,418 0,338 8,258<br /> <br /> -11,369<br /> <br /> 2,695<br /> <br /> 23,827<br /> <br /> 4,034 0,425 7,860<br /> <br /> -5,640<br /> <br /> 2,863<br /> <br /> 1,483<br /> <br /> 23,678<br /> <br /> 3,860 0,310 7,331<br /> <br /> -4,168<br /> <br /> 2,532<br /> <br /> 49,760 98,980<br /> <br /> 1,414<br /> <br /> 22,992<br /> <br /> 4,671 0,330 6,598<br /> <br /> -1,715<br /> <br /> 2,697<br /> <br /> 49,720 92,450<br /> <br /> 1,429<br /> <br /> 20,797<br /> <br /> 4,723 0,388 6,312<br /> <br /> -7,813<br /> <br /> 3,021<br /> <br /> Bình quân 49,700 96,470<br /> <br /> 1,433<br /> <br /> 23,766<br /> <br /> 4,341 0,358 0,358<br /> <br /> -6,141<br /> <br /> 2,762<br /> <br /> 0,020<br /> <br /> 0,102<br /> <br /> 0,088 0,132 0,113<br /> <br /> 0,598<br /> <br /> 0,067<br /> <br /> Độ lệch<br /> chuẩn<br /> <br /> 0,001<br /> <br /> 0,030<br /> <br /> E<br /> (GPa)<br /> <br /> -3<br /> <br /> (10 )<br /> <br /> -3<br /> <br /> Bảng 1: Kết quả thí nghiệm nén một trục đối với mẫu có góc dị hướng α = 900<br /> 3.2.2. Trường hợp mặt phân lớp song song với trục mẫu (α = 00)<br /> Tập các đường cong ứng suất - biến dạng điển hình của thí nghiệm nén một trục<br /> với góc dị hướng α = 00 được thể hiện trong hình 5. Hình ảnh mẫu bị phá hủy được thể<br /> hiện trong hình 6. Kết quả thí nghiệm cho các tham số cơ học của mẫu được thống kê<br /> trong bảng 2.<br /> <br /> 74<br /> <br /> Trường Đại học Vinh<br /> <br /> Tạp chí khoa học, Tập 46, Số 4A (2017), tr. 71-80<br /> 18<br /> <br /> 10<br /> <br /> ε3<br /> <br /> εv<br /> <br /> ε1<br /> <br /> 8<br /> <br /> ε1<br /> <br /> εv<br /> <br /> 16<br /> <br /> ε3<br /> <br /> 14<br /> <br /> σ1 / (MPa)<br /> <br /> σ1/(MRa)<br /> <br /> 12<br /> <br /> 6<br /> <br /> 4<br /> <br /> 10<br /> 8<br /> 6<br /> 4<br /> <br /> 2<br /> <br /> 2<br /> <br /> -0.04<br /> <br /> -0.03<br /> <br /> -0.02<br /> <br /> 0<br /> 0.00<br /> <br /> -0.01<br /> <br /> 0.01<br /> <br /> -0.025<br /> <br /> -0.020<br /> <br /> -0.015<br /> <br /> ε / (mm/mm)<br /> <br /> -0.010<br /> <br /> -0.005<br /> <br /> 0<br /> 0.000<br /> <br /> 0.005<br /> <br /> ε / (mm/mm)<br /> <br /> UC - 1<br /> <br /> UC - 2<br /> 10<br /> <br /> ε3<br /> <br /> εv<br /> <br /> ε3<br /> <br /> ε1<br /> <br /> εv<br /> <br /> ε1<br /> <br /> 10<br /> <br /> 8<br /> <br /> 6<br /> <br /> σ1 / (MPa)<br /> <br /> 1 / (MPa)<br /> <br /> 8<br /> <br /> 12<br /> <br /> 4<br /> <br /> 6<br /> <br /> 4<br /> 2<br /> <br /> -0.05<br /> <br /> -0.04<br /> <br /> -0.03<br /> <br /> -0.02<br /> <br /> ε / (mm/mm)<br /> <br /> UCT - 1<br /> <br /> -0.01<br /> <br /> 0<br /> 0.00<br /> <br /> 2<br /> <br /> 0.01<br /> <br /> -0.05<br /> <br /> -0.04<br /> <br /> -0.03<br /> <br /> -0.02<br /> <br /> -0.01<br /> <br /> 0<br /> 0.00<br /> <br /> 0.01<br /> <br /> ε / (mm/mm)<br /> <br /> UCT - 2<br /> <br /> Hình 5: Đường cong ứng suất - biến dạng nén một trục<br /> khi mẫu có góc dị hướng α = 00<br /> <br /> Hình 6: Trạng thái phá hủy khi nén một trục đối với mẫu có góc dị hướng α = 00<br /> 75<br /> <br />

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

Đồng bộ tài khoản