способ определения физико-механических свойств материалов

Формула изобретения

Способ определения физико-механических свойств материалов, включающий прозвучивание образцов материала ультразвуковыми продольными колебаниями в воздушно-сухом и водонасыщенном состояниях, расчет скоростей продольных волн в этих состояниях и расчет относительного изменения величины скорости продольной волны при водонасыщении, отличающийся тем, что величину коэффициента размягчаемости K_saf определяют по выражению





где V_вс скорость продольной волны в воздушно-сухом состоянии;

V_вн скорость продольной волны в водонасыщенном состоянии;

V_т скорость продольной волны в скелете материала;

а коэффициент зависимости



а по коэффициенту размягчаемости K_saf судят о водоустойчивости материалов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области инженерной геологии и геофизики. Данная техническая задача имеет важное значение при проектировании и строительстве промышленных и гидротехнических сооружений.

Одним из важнейших показателей свойств материалов, в частности горных пород, является их водоустойчивость. К показателю, характеризующему водоустойчивость скальных и полускальных пород относится их размягчаемость, приводящая при насыщении породы водой к снижению ее прочности.

Размягчаемость характеризуется коэффициентом размягчаемости К_saf, численно равным отношению временного сопротивления сжатию образца породы, насыщенного водой R_сж.в., к временному сопротивлению сжатию образца породы в воздушно-сухом состоянии R_сж.с.:

Водонеустойчивыми породами (ГОСТ 25100-82. Грунты. Классификация) считаются породы с К_saf меньшим 0,75. Этот метод требует разрушения серии образцов (статистический метод), части в воздушно-сухом и части образцов в водонасыщенном состояниях и определения в соответствующем состоянии временных прочностей на сжатие.

Известен способ определения физико-механических свойств материалов [1] заключающийся в том, что прозвучивают исследуемый материал импульсами ультразвуковых колебаний, измеряют время их распространения, рассчитывают скорость распространения колебаний и по ее величине судят о свойствах грунтов, отличающийся тем, что с целью обеспечения возможности измерения суммарного набухания и усадки грунтов, осуществляют прозвучивание в образце грунта до водонасыщения в одном воздушно-сухом состоянии, дополнительно производят аналогичные измерения на том же образце после водонасыщения в другом воздушно-сухом состоянии, величину суммарного набухания и усадки определяют по формуле:



где _v относительное суммарное набухание и усадка в долях единицы;

скорость продольной волны в воздушно-сухом состоянии до водонасыщения;

скорость продольной волны в воздушно-сухом состоянии после водонасыщения.

Недостатками вышеизложенного технического решения при выявлении водонеустойчивых скальных и полускальных пород является невозможность оценки коэффициента размягчения пород (общепринятого параметра для оценки водоустойчивости).

Цель изобретения определение водоустойчивости скальных и полускальных пород по величине коэффициента размягчаемости, полученному при помощи неразрушающих методов. Согласно изобретению способ определения физико-механических свойств материалов, включающий прозвучивание образцов материала ультразвуковыми продольными колебаниями в воздушно-сухом и водонасыщенном состояниях, расчет скоростей продольных волн в этих состояниях и расчет относительного изменения величины скорости продольной волны при водонасыщении отличающийся тем, что величину коэффициента размягчаемости К_saf определяют по выражению:



или по выражению:



где: V_вн скорость продольной волны в водонасыщенном состоянии;

V_вс скорость продольной волны в воздушно-сухом состоянии;

V_т скорость продольной волны в скелете;

а коэффициент зависимости , а по коэффициенту К_saf судят о водоустойчивости материала.

На фиг. 1 представлены зависимости обратных величин скорости продольной волны в воздушно-сухом и водонасыщенном состояниях от величины общей пористости; на фиг. 2 зависимость относительного изменения скорости продольной волны при водонасыщении от скорости продольной волны в воздушно-сухом состоянии.

Техническая сущность изобретения заключается в следующем.

Коэффициент размягчаемости стандартным способом определяется при помощи выражения , где K_saf коэффициент размягчаемости, R_сж.в. - временное сопротивление сжатию породы после насыщения, R_сж.с. - временное сопротивление сжатию породы до насыщения водой.

Поскольку нагрузка прямо пропорциональна площади нагружения, для одной и той же нагрузки на сухой и водонасыщенный образец можно записать:

R_сж.с.S_сух. R_сж.с.S_нас.



S_сух и S_нас площади противодействия приложенной нагрузке соответственно в воздушно-сухом и водонасыщенном состояниях.

В воздушно-сухом состоянии противодействие внешним силам возникает в области контакта минеральных зерен и сопротивления воды, находящейся в образце (Чепмен Р. Е. Геология и вода. Л. Недра, 1983, с. 17 20). Площадь противодействия приложенной нагрузке водонасыщенного образца будет складываться из площади минеральных зерен и площади, занятой водой, так как поровый флюид вода держит часть нагрузки.

Обозначим

S_пор.кр. площадь пор в момент разрушения;

S_o площадь поперечного сечения образца.

Площадь минеральных зерен образца в воздушно-сухом состоянии можно записать:

S_сух S_o-S_пор.кр..

Площадь противодействия приложенной нагрузке водонасыщенного образца:

S_нас. S_o S_{пор.кур.} + S_воды

Коэффициент размягчаемости и его обратную величину



Выразим величину площади поперечного сечения через объем образца (представленный в виде куба) и пористость:

S_воды (Vn_вод)^2/3 площадь сечения, занятая водой;

S_o S_пор.кр. [V(1-n_кр)]^2/3 площадь минеральной части;

V объем образца;

n_вод пористость, занятая водой;

n_кр максимальная пористость.

Выражение

, тогда





На фиг. 1 представлены зависимости обратной величины скоростей продольной волны в воздушно-сухом и водонасыщенном состояниях от величины общей пористости.

При водонасыщении происходит изменение скорости продольной волны в результате заполнения открытой пористости водой в закрытой и защемленной пористости не происходит замена флюида, т.е. закрытая и защемленная пористость не изменяет скорости продольной волны при водонасыщении, следовательно отрезок АО характеризует величину закрытой и заземленной пористости, а отрезок СД величину пористости, заполненную водой.

Произведем дополнительные построения, продлим графики зависимости функций за величину критической пористости до величины n_общ 1. Величина отрезка BN равна 1 n_кр.

На фиг. 2 зависимость относительного изменения скорости продольной волны при водонасыщении от скорости в воздушно-сухом состоянии, коэффициент а данной зависимости равен , его можно выразить через а_c и a_н выражением, где а_c тангенс угла наклона зависимости ; a_н - тангенс угла наклона зависимости ; если рассмотреть выражение (1) для случая n_общ 1 (помня, что



Выражение для коэффициента: , a const.

Рассмотрим на фиг. 1 треугольник МВN, из этого треугольника тангенс угла наклона зависимости



С другой стороны, из треугольника АДС





Следовательно,

a_cn_вод a_nn_кр







и по величинам скоростей продольной волны для двух состояний и скорости продольной волны в скелете породы V_т можно записать:



где V_вн и V_вс скорости продольной волны в водонасыщенном и воздушно-сухом состояниях.

Так как зависимость

,

рекомендуется применять для образцов, керна и для массива (по результатам сейсмических исследований), следовательно и формула, предложенная авторами пригодна для расчетов как по ультразвуковым, так и по сейсмическим исследованиям.

Изобретение позволяет достаточно просто и достоверно определить коэффициент размягчаемости породы и по его величине судить о водоустойчивости.

Способ реализуется следующим образом.

1. Прозвучивается серия образцов (или один образец, при известном значении скелетной скорости) в воздушно-сухом и водонасыщенном состояниях.

2. Рассчитываются соответствующие значения скорости для воздушно-сухого и водонасыщенного состояний.

3. Рассчитывается значение коэффициента размягчаемости:

a) если известно значение скелетной скорости V_т для данной породы, по выражению:



б) если значение скелетной скорости неизвестно, и имеется какое-то количество измерений значений скорости в двух состояниях для данной серии, необходимо рассчитать значения относительного приращения скорости продольной волны при водонасыщении и построить зависимость его от скорости продольной волны в воздушно-сухом состоянии, найти уравнение регрессии значение коэффициента а. Рассчитать коэффициент размягчаемости по выражению:



4. По величине К_saf судят о водоустойчивости породы. При К_saf>0,75 порода водоустойчивая.

Пример расчета коэффициента размягчаемости и определения водоустойчивости.

a) V_т 7,062 км/с

V_вс 6,062 км/c

V_вн 6,833 км/с

Коэффициент размягчаемости данного образца K_saf 0,876, а по прочности для данной серии образцов коэффициент размягчаемости равен 0,88. Порода водоустойчивая.

б) Зависимость относительного изменения скорости при водонасыщении от скорости в воздушно-сухом состоянии для породы имеет вид:





Коэффициент размягчаемости для данной серии равен 0,929. Порода водоустойчивая.

Использование заявляемого технического решения обеспечит следующие технико-экономические преимущества:

1. Расширение функциональных возможностей ультразвуковых методов исследования.

2. Обеспечение возможности оценки водоустойчивости пород определения коэффициента размягчаемости без дополнительных затрат по имеющемуся материалу, используемому для определения упругих характеристик.

3. Возможность определения коэффициента размягчаемости для отдельно взятого образца, а не серии образцов.