Response of rocks to impact loading by bars with pointed ends

Summary

Response of Rocks to Impact Loading by Bars with Pointed Ends

An experimental investigation was undertaken to study the response of three rocks — shale, limestone and diorite — to dynamic loading modelling hammer drilling. A long transmission rod subjected to pendulum impact at its distal end transmitted stress waves to six different heads whose tips consisted of 60°, 90°, and 120° cones or wedges in initial contact with the rock surface. Force and linear penetration histories monitored near the interface were found to be in good agreement with predicted values based on strain measurements at the center and distal end of the transmission bar and use of a one-dimensional theory of elastic wave propagation. The dynamic indentation measurements were also found to be in good agreement witha posteriori determination of the crater depth.

Effects of multiple wave reflections and repeated impact on the contact force and rock deformation were determined as a function of the input energy. It was found that an optimum value of this energy exists for most efficient penetration for each of the heads utilized. Dynamic force-penetration curves were compared with corresponding static values obtained from an Instron testing machine. The force history resulting from the impact of a commercial pick-ax suspended in a pendulum arrangement was measured for both the conical and wedge-shaped tips of the device.

Zusammenfassung

Das Verhalten von Gesteinen unter stoβartiger Belastung mittels gespitzter Stäbe

Es wurde eine experimentelle Untersuchung des Verhaltens dreier Gesteine, nämlich grüner Tonschiefer, Kalkstein und Diorit, unter stoßartiger Belastung, die als Modell der Wirkung eines Bohrhammers dienen soll, durchgeführt. Ein langer Stab war vorne mit einer Spitze in Keil- oder Kegelform mit einem Öffnungswinkel von 60°, 90° oder 120° versehen, welche bei Versuchsbeginn gerade die Probe berührte. Am anderen Ende wurde der Stab von einem fallenden Pendel getroffen. Der zeitliche Verlauf der Kraft und der Eindringung, die in der Nähe der Spitze des Stabes gemessen wurde, stimmte gut mit jenen Werten überein, die auf Grund von Dehnungsmessungen in der Mitte und am Stoßpunkt mittels einer eindimensionalen Theorie der Wellenfortpflanzung errechnet wurden. Die dynamischen Tiefenmessungen des Kraters ergaben auch eine gute Übereinstimmung mit den Werten, die nach dem Experiment bestimmt wurden.

Die Wirkung von mehreren Wellenreflexionen und wiederholtem Stoß auf die Kontaktkraft und die Gesteinsdeformation wurde als Funktion der Anfangsenergie bestimmt. Es zeigte sich, daß es für jede verwendete Spitzenform einen optimalen Energiebetrag gibt, bei dem die günstigste Eindringung erfolgt. Dynamische Kraft-Eindringungskurven werden verglichen mit den entsprechenden statischen Werten, die mittels einer Instron-Testapparatur gemessen wurden. Überdies wurde der Kraftverlauf an Keil- und Kegelende einer Spitzhacke, die als Pendel auf eine Steinprobe aufschlug, gemessen.

Résumé

Reponses de certaines roches aux chocs exercés par des barres à extremités pointues

Des expériences ont èté entreprises pour étudier la reponse de trois roches — schiste vert, calcaire, diorite — aux percussions exercées par un modèle de marteau perforateur. Un pendule ballistique heurte l'extremité libre d'une longue barre, à travers laquelle des ondes de contrainte se propagent et atteignent à l'autre extrémité une tête constitutée suivant les cas par une cône ou un dièdre d'angle 60°, 90° ou 120°, en contact avec la roche à l'instant initial. Les résultats obtenus en ce qui concerne l'évolution de la rorce et l'évolution de la pénétration lineaire sont en bon accord avec les valeurs prédites par le théorie unidimensionelle de la propagation des ondes élastiques, à partir des constrainte mesurées au centre et à l'extremité libre de la barre. Les mesures de la pénétration pendant l'experiénce sont également en bon accord avec la détermination à postériori de la profondeur des cratères.

L'effet des réflexions multiples des ondes et l'effet de la répétition des impacts sur la force de contact et sur la déformation de la roche sont déterminés en fonction de l'énergie d'impact. Pour chacune des têtes utilisées on a trouvé qu'il existe une énergie optimale, c'est à dire une energie permettant d'obtenir la meilleure pénétration. Les courbes représentant la pénétration dynamique en fonction de la force sont comparées aux courbes correspondant en cas statique, obtenus par une machine d'Instron. L'évolution de la force résultant de l'impact d'une pioche ordinaire a èté mesurée pour des têtes constituées soit par des cônes soit par des dièdres.