Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Использование: изобретение относится к области инженерной геологии и геофизики. Сущность изобретения: возбуждают ультразвуковые колебания в образцах, регистрируют времена прохождения продольной волны в воздушно-сухом и водонасыщенном состояниях, определяют скорости прохождения продольной волны и относительное приращение скорости при водонасыщении, после чего оценку осуществляют путем анализа полученной зависимости, что дает возможность сделать вывод о наличии взаимодействия скелета породы с водой и о величине параметра, характеризующего скорость этого взаимодействия. Обеспечивается оценка нового параметра для определения водоустойчивости любого вида пород. 2 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2071054
Класс(ы) патента: G01N29/00
Номер заявки: 93040278/28
Дата подачи заявки: 06.08.1993
Дата публикации: 27.12.1996
Заявитель(и): Гуревич Алла Исааковна; Гуревич Юрий Маркович; Воропай Сергей Александрович
Автор(ы): Гуревич Алла Исааковна; Гуревич Юрий Маркович; Воропай Сергей Александрович
Патентообладатель(и): Гуревич Алла Исааковна; Гуревич Юрий Маркович; Воропай Сергей Александрович
Описание изобретения: 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 Кsaf, численно равным отношению временного сопротивления сжатию образца породы, насыщенного водой Rсж.в., к временному сопротивлению сжатию образца породы в воздушно-сухом состоянии Rсж.с.:
Водонеустойчивыми породами (ГОСТ 25100-82. Грунты. Классификация) считаются породы с Кsaf 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 δv 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 Кsaf определяют по выражению:

или по выражению:

где: Vвн скорость продольной волны в водонасыщенном состоянии;
Vвс скорость продольной волны в воздушно-сухом состоянии;
Vт скорость продольной волны в скелете;
а коэффициент зависимости , а по коэффициенту Кsaf 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 Ksaf коэффициент размягчаемости, Rсж.в. - временное сопротивление сжатию породы после насыщения, Rсж.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:
Rсж.с.·Sсух. Rсж.с.·Sнас.

Sсух и Sнас 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
Sпор.кр. площадь пор в момент разрушения;
So площадь поперечного сечения образца.
Площадь минеральных зерен образца в воздушно-сухом состоянии можно записать:
Sсух So-Sпор.кр..
Площадь противодействия приложенной нагрузке водонасыщенного образца:
Sнас. So Sпор.кур. + Sводы
Коэффициент размягчаемости и его обратную величину

Выразим величину площади поперечного сечения через объем образца (представленный в виде куба) и пористость:
Sводы (V·nвод)2/3 площадь сечения, занятая водой;
So Sпор.кр. [V(1-nкр)]2/3 площадь минеральной части;
V объем образца;
nвод пористость, занятая водой;
nкр 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 nобщ 1. Величина отрезка BN равна 1 nкр.
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 аc и aн выражением, где аc тангенс угла наклона зависимости ; aн - тангенс угла наклона зависимости ; если рассмотреть выражение (1) для случая nобщ 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,
ac·nвод an·nкр



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

где Vвн и Vвс 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 Vт 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 Кsaf судят о водоустойчивости породы. При Кsaf>0,75 порода водоустойчивая.
Пример расчета коэффициента размягчаемости и определения водоустойчивости.
a) Vт 7,062 км/с
Vвс 6,062 км/c
Vвн 6,833 км/с
Коэффициент размягчаемости данного образца Ksaf 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.
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 Ksaf определяют по выражению


где Vвс скорость продольной волны в воздушно-сухом состоянии;
Vвн скорость продольной волны в водонасыщенном состоянии;
Vт скорость продольной волны в скелете материала;
а коэффициент зависимости

а по коэффициенту размягчаемости Ksaf судят о водоустойчивости материалов.