Menu

Визначення показників механічних властивостей гірських порід методом статичного втискування штампа

ВИЗНАЧЕННЯ ПОКАЗНИКІВ МЕХАНІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ГІРСЬКИХ ПОРІД МЕТОДОМ СТАТИЧНОГО ВТИСКУВАННЯ ШТАМПА

 

Вперше метод втискування для оцінки опору гірських порід руйнуванню при бурінні запропонував Є.Ф. Епштейн. За цією методикою в зразок породи втискувався різець формою двостороннього клина з кутом при вершині 60°. Однак, як показала практика, цей метод можна застосовувати лише для сильно пластичних порід. Запропоновані іншими дослідниками методики також не знайшли широкого застосування.

Шрейнер Л.А., аналізуючи методи, запропоновані для вимірювання опору гірських порі втискуванню, і методи визначення твердості втискуванням прийшов до висновку про необхідність принципово змінити спосіб вимірювання.

Суть висновків Шрейнера Л.А. зводиться до наступного. Якщо для визначення твердості пластичних тіл (зокрема металів) задається навантаження, а вимірюється площа або глибина відбитку під індентором, отриманого при втискуванні, то для гірських порід, які в тій чи іншій мірі є крихкими тілами, слід задаватися площею контакту, а вимірювати навантаження на індентор в момент руйнування. Найзручнішою геометричною формою індентора є циліндричний штамп з плоскою основою, оскільки площа контакту залишається постійною за увесь час втискування.

[image]

а ) б)

а) – для м’яких і середніх порід; б) – для твердих порід.

Рисунок 24 – Циліндричні штампи

Метод втискування штампа дає змогу не тільки визначати твердість гірських порід, але й оцінювати їх пружні і пластичні властивості. Цей метод став загальновизнаним і навіть затверджений стандартом ГОСТ 12288–66.

При визначенні механічних властивостей гірських порід використовують циліндричні штампи з плоскою основою (рис. 24). При випробовуванні дуже твердих порід доцільно використовувати штампи у вигляді конуса з кутом при вершині до 60°, площею 1 мм2 (рис. 24, б), які повністю виготовлені з твердого сплаву.

Для щільних і однорідно пористих порід слід використовувати циліндричні штампи площею 2 мм2 (рис. 24, а). Штампи площею 310 мм2 використовують для сильно пористих і неміцних гірських порід.

а) б) в)

а) – крихка порода (кварцит); б) – пластично-крихка порода (ангідрит); в) – сильно пластичні і дуже пористі породи ( глина).

Рисунок 25 – Характерні графіки навантаження – глибина втискування штампа

Всі гірські породи за характером поведінки при втискуванні штампу поділені на три класи: І – пружно-крихкі (рис.25, а), ІІ – пружно-пластичні (рис.25, б), ІІІ – сильно пластичні і дуже пористі (рис.25, в).

Визначати показники механічних властивостей порід методом втискування штампа можна на гідравлічних пресах з граничним навантаженням не менше 10000 Н, або на спеціальних установках УМГП-3 і УМГП-4. Випробування проводяться при дуже малій швидкості навантаження штампа, через що в літературі широко використовується друга назва методу – метод статичного втискування штампа. Штамп втискується в зразок породи до того моменту, поки при деякому граничному навантаженні не станеться крихкого руйнування породи або не буде вичерпана глибина занурення штампа.

За отриманими даними будують графіки деформацій в координатах: по осі ординат – навантаження (Р) в Н, по осі абсцис – деформація (e) в мкм.

Користуючись кривою, отриманою при випробовуванні породи, визначають її механічні властивості.

 

Твердість. Твердість за штампом (ршт) визначається як відношення навантаження в момент руйнування (Рр) до контактної площі штампу (fшт) (рис.25)

[image] ( 95 )

 

де dшт – діаметр штампа, м.

Для порід ІІІ класу твердість за штампом не визначають, оскільки при втискуванні індентора в породи цього класу немає крихкого руйнування.

Межа пружності. Межа пружності р0 визначається як відношення навантаження Ро в точці переходу від чисто пружних деформацій до змішаних (точка А) до контактної площі штампу ¦шт

 

[image] ( 96 )

 

Для порід І класу межу пружності не визначають, оскільки її значення дорівнює твердості за штампом.

Для порід ІІІ класу межа пружності є показником, за яким оцінюють твердість гірської породи.

Коефіцієнт пластичності. Коефіцієнт пластичності kпл визначається співвідношенням загальної роботи, затраченої на руйнування Азаг до енергії пружних деформацій Апр. Оскільки площа під кривою «навантаження-деформація» пропорційна енергії, то коефіцієнт пластичності визначається співвідношенням площ SOABCO і SΔOЕG (рис.26) .

 

[image] ( 97 )

 

Модуль Юнга. Модуль Юнга можна розрахувати за формулою

 

Рисунок 26 – Розрахункова схема для визначення механічних властивостей породи ІІ класу

 

 

 

[image], ( 98 )

 

де Рдовільно вибране навантаження, Н;

eпр – пружна деформація, яка відповідає навантаженню Р’, м.

Оскільки відношення Р/eпр є тангенсом кута нахилу прямолінійної ділянки кривої до осі деформацій, можна брати будь-які співвідношення Р і eпр. При цьому тільки слід дотримуватися їх відповідності. Наприклад, на графіку (рис.26) можна взяти навантаження Ро (ордината АD) і деформацію ОD, навантаження Рр (ордината MG або ВС) і деформацію OG (деформація ОС – це загальна деформація; пружна OG і залишкова GC).

Об’ємна енергоємність руйнування. Об’ємна енергоємність руйнування Аv є питомою витратою енергії на одиницю об’єму зруйнованої породи і визначається як відношення загальної роботи Азаг до об’єму лунки Vл

 

[image] (99)

 

де Vл – об’єм лунки руйнування.

Визначення об’єму зруйнованої під індентором породи утруднене, оскільки зробити це розрахунковим шляхом неможливо – розміри лунки залежать не лише від механічних властивостей, але і від структурних особливостей порід.

Об’єм лунки можна визначити так: заповнити її пластиліном або парафіном, потім вийняти матеріал зліпка і зважити його. Потім розраховується об’єм лунки:

[image], (100)

 

де Q – маса матеріалу зліпка лунки;

r – густина матеріалу зліпка лунки.

Для порід ІІІ класу загальна робота до руйнування розраховується умовно. В цьому випадку графік навантаження – переміщення продовжують до глибини втискування, яка дорівнює діаметру штампа. Таке припущення прийнято за результатами вивчення глибини руйнування найбільш пластичних порід.

Последние материалы

Заключение (Грунты)

При построении курса учитывалась необходимость его использования для различных гидротехнических специальностей и специализаций. В качестве основной части для студентов всех гидротехнических специальностей следует считать обязательным прочтение гл. 1—7. В гл. 8...

25-08-2013 Просмотров:5379 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Представления о решении задач нелинейной механики грунтов

На современном этапе развития нелинейного направления механики грунтов оформились два основных подхода к решению практических задач расчета грунтовых оснований и сооружений: нелинейно-упругий и упругопластический (А. К. Бугров, С. С. Вялов...

25-08-2013 Просмотров:8485 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Прочность грунтов при сложном напряженном состоянии

Для сред и материалов, обладающих сплошностью, предложено много различных условий прочности. Для оценки прочности грунтов наиболее широкое распространение получило условие Мора—Кулона (2.38), не содержащее промежуточного главного напряжения а2 и тем...

25-08-2013 Просмотров:5231 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Еще материалы

Другие аналитические методы.

Существуют и другие инструментальные аналитические методы, которые с успехом используются в некоторых минералогических лабораториях. Среди них следует отметить ионный микрозон-довый анализ масс и вторичную ионную масс-спектрометрию. Подробно об этих и...

13-08-2010 Просмотров:4370 Генетическая минералогия

Расчет на прочность коленчатого вала

В процессе работы коленчатый зал нагружается переменными по величине силами от давления газов и инерционными силами от вращающихся и возвратно-поступательно движущихся масс. Переменные силы от действия газов и инерционные вызывают...

25-08-2013 Просмотров:11045 Основы конструирования автотракторных двигателей

Геологическое картирование метаморфическ…

Метаморфизм и метаморфические породы Термин «метаморфизм» был введён Чарлзом Лайелем в 1-ой половине XIX века. Метаморфизм – это преобразование горных пород в твёрдом состоянии под влиянием эндогенных факторов, в основном, повышающихся...

14-10-2010 Просмотров:4862 Геологическое картирование, структурная геология