способ определения физико-механических свойств материалов

Формула изобретения

Способ определения физико-механических свойств материалов, заключающийся в возбуждении ультразвуковых колебаний в образце материала в воздушно-сухом и водонасыщенном состоянии, регистрации времен прохождения продольных волн для этих двух состояний, расчете скоростей прохождения продольной волны в воздушно-сухом и водонасыщенном состоянии и относительного изменения скорости при водонасыщении, отличающийся тем, что устанавливают зависимость относительного изменения скорости (прохождения продольной волны при водонасыщении от скорости) продольной волны в водонасыщенном состоянии, анализируют эту зависимость и по линейному характеру этой зависимости судят о наличии физико-химического взаимодействия материалов с водой, а по величине угла наклона этой зависимости относительно оси абсцисс судят о значении скорости взаимодействия материала с водой.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области инженерной геологии и геофизики и может быть использовано для количественной оценки взаимодействия материала, например, горной породы с водой при проектировании и строительстве промышленных и гидротехнических сооружений.

Одним из важнейших свойств материалов является их водоустойчивость.

Под действием воды некоторые типы пород теряют связность и изменяют консистенцию или размокают, распадаются на отдельные куски, обломки или бесформенную массу.

Скорость и характер размокания распадаются на отдельные куски, обломки или бесформенную массу.

Скорость и характер размокания характеризуют их водоустойчивость. Породы водонеустойчивые размокают быстро, в течение минут или десятков минут, и превращаются в массу.

Породы мало- или средневодоустойчивые разрушаются в воде в течение нескольких часов или первых суток.

Породы водоустойчивые сохраняются в воде десятки суток и даже месяцы, не обнаруживая значительных разрушений.

В качестве аналога можно рассмотреть [1] способ определения скорости размокания глинистых пород на образцах естественного сложения, заключающийся в том, что образец исследуемой породы помещают на сетку с отверстиями в 1 cм², установленную в банке с водой и фиксируют все изменения образца, наблюдающиеся в процессе размокания через определенные интервалы времени: сначала через 5 10 мин, затем через 30 мин, через 1 ч и т.д.

По мере замедления изменений состояния образцов интервалы между наблюдением увеличиваются до 1 раза в сут. Общая продолжительность наблюдений 10 15 сут.

Опыт считают законченным, когда образец породы размокнет и провалится через сетку или когда процесс размокания приостановится и образец сохраняет свое состояние продолжительное время.

Результаты опыта выражают в виде времени, требующегося для полного размокания образца породы (скорости размокания).

Основными недостатками аналога являются:

1. Пригодность способа для оценки только глинистых пород.

2. Визуальность и субъективность оценки параметра.

3. Рассматриваемый метод является разрушающим.

В качестве прототипа предлагаемого технического решения выбран способ определения физико-механических свойств материалов [2] который осуществляют путем прозвучивания исследуемого материала импульсами ультразвуковых колебаний в двух воздушно-сухих состояниях: до и после водонасыщения. Измеряют время распространения колебаний, рассчитывают скорость распространения колебаний и величину суммарного набухания и усадки (для набухающих пород) по формуле:



где _v относительное суммарное набухание и усадка в долях единицы;

V_вс1 скорость продольной волны в воздушно-сухом состоянии до водонасыщения;

V_вс2 скорость продольной волны в воздушно-сухом состоянии после водонасыщения.

Недостатком прототипа является:

1. Невозможность оценки скорости процесса взаимодействия материала с водой.

2. Ограниченность возможного использования метода, он пригоден только для пород определенного типа пород содержащих смектиты.

Указанные недостатки ограничивают функциональные возможности прототипа и сужают область его использования.

Цель изобретения расширение функциональных возможностей путем оценки характеристики скорости взаимодействия материала породы с водой.

Согласно изобретению в способе определения физико-механических свойств материалов, заключающемся в возбуждении ультразвуковых колебаний в образце материала в воздушно-сухом и водонасыщенном состояниях, регистрации времени прохождения продольных волн для этих двух состояний, расчете скоростей прохождения продольной волны в воздушно-сухом и водонасыщенном состояниях; устанавливают зависимость относительного изменения скорости прохождения пpодольной волны при водонасыщении от скорости продольной волны в водонасыщенном состоянии, анализируют и эту зависимость и по линейному характеру этой зависимости судят о наличии физико-химического взаимодействия материала с водой, а по величине угла наклона этой зависимости относительно оси абсцисс судят о скорости взаимодействия материала с водой.

Сопоставительный анализ существенных признаков прототипа и предлагаемого технического решения показывает наличие в последнем совокупности отличительных признаков, что доказывает соответствие предлагаемого технического решения критерию "новизна".

Реализация предлагаемого решения дает возможность оценки величины, характеризующей скорость изменчивости материала в результате ее взаимодействия с водой, т. е. сообщает объекту изобретения новое полезное свойство, проявляющееся при реализации всей предлагаемой совокупности признаков и отсутствующее у всех аналогов.

На фиг. 1 представлена зависимость относительного изменения скорости продольной волны при водонасыщении от скорости продольной волны в воздушно-сухом состоянии; на фиг. 2 5 зависимость относительного изменения скорости продольной волны при водонасыщении от скорости продольной волны в водонасыщенном состоянии для случая отсутствия взаимодействия материала с водой (фиг. 2) и для случаев с различной скоростью протекания процесса взаимодействия материала с водой (фиг. 3 5); на фиг. 6 изменение относительного приращения скорости продольной волны при водонасыщении от скорости продольной волны в водонасыщенном состоянии образца для двух текущих значений.

Техническая сущность изобретения заключается в следующем:

Если есть взаимодействие материала, например, с водой при обводнении породы (размокание, набухание, выщелачивание, суффозия и др.), то качественно наличие данного процесса можно оценить по виду зависимости . На фиг. 1 отсутствие линейной зависимости говорит о том, что помимо заполнения порового пространства водой присутствуют деструктивные процессы взаимодействия материала с водой и как следствие нарушение жестких связей, появление дополнительной открытой пористости (значения, обозначенные +).

Если нет взаимодействия материала с водой, то процесс заполнения открытой пористости водой можно представить

(значения, обозначенные).

Если есть взаимодействие материала с водой, то после водонасыщения в результате взаимодействия материала с водой имеют место деструктивные процессы. Количественная оценка процесса взаимодействия материала с водой возможна по величине характеризующей скорость процесса взаимодействия - суммарное действие деструктивного фактора.

Из анализа большого числа экспериментальных данных зависимость относительного изменения скорости продольной волны при водонасыщении от скорости продольной волны в водонасыщенном состоянии линейна уравнение регрессии данной зависимости имеет вид:



Коэффициент n-тангенс угла наклона данной зависимости говорит о скорости изменения величины относительного изменения скорости продольной волны при водонасыщении или о величине, характеризующей скорость процесса взаимодействия материала с водой.

Расчет параметра n возможен не только по серии исследуемых образцов с последующим нахождением уравнения регрессии зависимости , но и с меньшей степенью точности для пары текущих значений, например, для точек 1 и 2 исследуемой зависимости фиг. 6, т.е. для пары образцов.

Пусть соответственно полученные значения скорости продольных волн для образцов 1 и 2 в воздушно-сухом состоянии.

соответственно значения скорости в водонасыщенном состоянии.

Угол наклона зависимости n:



Способ реализуется следующим образом:

1. Производится ультразвуковое прозвучивание образцов (керна) в воздушно-сухом и водонасыщенном состояниях с регистрацией времен прохождения продольной волны.

2. Рассчитываются соответствующие значения скорости продольной волны для исследуемых состояний и относительного изменения скорости продольной волны при водонасыщении.

3. Анализируется зависимость относительного изменения скорости при водонасыщении от скорости продольной волны в водонасыщенном состоянии.

4. Находим уравнение регрессии исследуемой зависимости

5. По величине коэффициента n судят о величине, характеризующей скорость процесса взаимодействия материала с водой.

6. Величина, характеризующая скорость взаимодействия материала с водой, может быть рассчитана по формуле для пары образцов:



В таблице приведен пример определения параметра n.

В таблице помимо предлагаемого параметра приводится стандартный параметр оценки водоустойчивости скальных и полускальных пород коэффициент размягчаемости для данной серии, полученный по данным прочности на сжатие в воздушно-сухом и водонасыщенном состоянии.

Таким образом, имея параметры можем оценить величину, характеризующую скорость взаимодействия материала с водой.

Реализация предлагаемого технического решения обеспечивает выявление нового параметра для оценки водоустойчивости любого материала, в котором возможен процесс физико-химического его взаимодействия с водой.