Способ определения физико-механических свойств материалов

 

Изобретение относится к области инженерной геологии и геофизики. Сущность изобретения: исследуемую породу прозвучивают в воздушно-сухом и водонасыщенном состояниях импульсами ультразвуковых колебаний, измеряют время их распространения, определяют скорости распространения продольной волны и величину относительного изменения скоростей продольной волны при водонасыщении, после чего оценку осуществляют по относительному изменению скорости продольной волны скелета породы, при этом величины скоростей продольной волны в скелетах породы определяют по выявленным заявителем зависимостям. Обеспечивается возможность оценки степени изменчивости породы в результате ее взаимодействия с водой. 1 табл., 3 ил.

Изобретение относится к области инженерной геологии и геофизики. Данная техническая задача имеет важное значение при проектировании, строительстве промышленных и гидротехнических сооружений, количественной и качественной оценке состояния сооружений при капитальном строительстве, оценке износа материалов и др.

Показателями, характеризующими водные свойства материалов, например горных пород, являются скорость и характер размокания, величина и влажность набухания, содержание водорастворимых соединений и их состав и другие.

Вышеперечисленные свойства горных пород являются характеристикой взаимодействия материала с водой.

В качестве аналога можно рассмотреть способ определения скорости и характера размокания глинистых пород [1] Обычно скорость и характер размокания реализуются, например, на образцах естественного сложения следующим образом.

Из монолита горной породы извлекают образец кубической формы размером 5х5х5 или 7х7х7 см. Одновременно из монолита отбирают пробу для определения влажности породы.

Образец породы устанавливают на сетку с отверстиями 1 см² и помещают вместе с сеткой в сосуд с водой, записывают время и дату начала испытаний.

Помещенные в воду образцы начинают размокать. Все изменения в процессе размокания регистрируются визуально и фиксируются в журнале через интервалы 5 10 мин, затем через 30 мин, через 1 час и т.д. до одного раза в сутки. Общая продолжительность наблюдений может достигать 10 15 суток.

Опыт считают законченным, когда образец породы размокнет и провалится через сетку на дно сосуда или когда процесс размокания приостановится.

Результаты опыта выражают в виде времени, требующегося для полного размокания образца породы (скорость размокания), кроме того, дают описание характера размокания.

Основными недостатками аналога являются его пригодность для оценки только глинистых пород, а также отсутствие возможности оценки различных видов физико-химического взаимодействия скелета породы с водой; визуальность и субъективность оценки параметра; оценка единичного цикла взаимодействия скелета породы с водой.

В качестве прототипа выбран способ определения физико-механических свойств материала [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) определяют по формуле где δ_v относительное суммарное набухание и усадка в долях единицы, V_BC1 cкорость продольной волны в воздушно-сухом состоянии до насыщения, V_BC2 скорость продольной волны в воздушно-сухом состоянии после водонасыщения.

Недостатками прототипа, не позволяющими достичь поставленной нами цели, являются следующие. В прототипе осуществляется оценка одного из видов физико-химического взаимодействия материала с водой. Оценка пригодна только для определенного типа пород, а именно пород, содержащих смектиты. Осуществляемая в прототипе оценка основана на воздействии только единичного цикла обводнения и не охватывает те нарушения, которые произошли с материалом в результате предшествующих воздействий воды.

Указанные недостатки существенно ограничивают функциональные возможности известного способа определения физико-механических свойств материалов и сужают область его использования.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей путем обеспечения оценки степени изменчивости материалов в результате перенесенных ею деструктивных нарушений результат предшествующих циклов обводнения.

Согласно изобретению способ определения физико-механических свойств материалов, заключающийся в прозвучивании исследуемого материала в воздушно-сухом и водонасыщенном состояниях импульсами ультразвуковых колебаний, измерении времен их распространения, расчете скоростей продольных волн ивеличины относительного изменения скорости продольной волны при водонасыщении, отличается тем, что величину η физико-химического взаимодействия материала с водой определяют по формуле , где V_т скорость продольной волны в скелете материала, в котором отсутствует процесс взаимодействия с водой; V_{т дестр} скорость продольной волны в скелете исследуемого материала после взаимодействия с водой, ,
а,b,m и k параметры уравнений регрессии функций

для исследуемого материала (2) и материала, в котором отсутствует процесс взаимодействия с водой (1),
V_ВС cкорость продольной волны в воздушно-сухом состоянии,
V_ВН скорость продольной волны в водонасыщенном состоянии.

Заявленное техническое решение характеризуется новой совокупностью существенных признаков, отсутствующей во всех известных нам объектах техники аналогичного назначения, что доказывает его новизну.

Реализация всех без исключения существенных признаков, включенных в формулу изобретения, обеспечивает появление у объекта изобретения в целом ряде новых полезных свойств, заключающихся в возможности оценки степени изменчивости материала в результате предшествующих циклов обводнения для любого типа материала, простом и оперативном определении искомой величины, используя имеющиеся данные, полученные попутно с изучением упругих характеристик материалов.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен случай отсутствия физико-химического взаимодействия материала с водой при водонасыщении, на фиг.2 случай наличия физико-химического взаимодействия материала с водой при водонасыщении, на фиг.3 случай наличия физико-химического взаимодействия материала с водой при водонасыщении, степень физико-химического взаимодействия материала с водой больше, чем на фиг.2.

Сложностью в решении данной задачи является способ определения скорости продольной волны в материале после взаимодействия с водой (т.е. измененной скелетной скорости).

Способ реализуется совместным решением уравнений.

Первое характеризует функцию в случае взаимодействия материала с водой.

Второе функцию в случае отсутствия взаимодействия материала с водой (О.К. Воронков, Т.В. Итунина "О влиянии водного заполнителя пор и трещин на скорости упругих волн в образцах и массиве скальных пород". Геология и геофизика, 1971 г. с. СО АН СССР, c. 97 109).

Точка пересечения зависимостей на оси абсцисс даст значение скорости продольной волны в материале в данной точке (точке пересечения зависимостей)
Например, уравнение для материала, в котором отсутствует процесс взаимодействия с водой, имеет вид

где V_ВС скорость продольной волны в воздушно-сухом состоянии,
V_ВН скорость продольной волны в водонасыщенном состоянии,
,
V_т скорость продольной волны в материале в случае отсутствия взаимодействия материала с водой.

Например:
Уравнение имеет вид
Решим совместно эти два уравнения:

В точке пересечения общее для уравнений значение и V_ВС V_ВН V_{т дестр} а b V_ВС m + kV_ВН

Если порода водоустойчива (фиг.1), то функция параллельна оси ординат, т.е. V_ВН V_т, это значит, что не зависит от V_ВН или что не происходит физического или физико-химического взаимодействия материала с водой при обводнении.

Точка пересечения зависимостей лежит на оси абсцисс.

Решим совместно эти два уравнения два случая отсутствия взаимодействия материала с водой:


V_т V_ВС a V_т b V_ВС · V_т
V_т (1 а) V_ВС · (1 b V_т)
Из уравнения видно, что а b V_т, cледовательно, V_ВС V_ВН V_т при .

Если есть взаимодействие материала с водой (фиг.2 и 3), то функция подчиняется зависимости, соответствующей данной серии образцов: .

При совместном решении уравнений проекция точки пересечения данных зависимостей на ось абсцисс дает значение скорости продольной волны в материале, претерпевшем взаимодействие с водой:
V_ВС V_ВН V_{т дестр}.

Относительное изменение скорости продольной волны при водонасыщении отлично от нуля из-за изменения скорости продольной волны в материале: .

Относительное изменение скорости продольной волны в материале (результат обводнений физико-химического взаимодействия породы с водой) будет характеризовать деструктивные изменения, которые претерпел материал в результате взаимодействия с водой.

V_т cкелетная скорость продольной волны в материале, не претерпевшем деструктивных изменений,
V_{т дестр} скелетная скорость продольной волны результат деструктивных изменений материала,
η величина, характеризующая деструктивные изменения, которые претерпел материал.

Способ реализуется следующим образом.

Производится ультразвуковое прозвучивание серий образцов исследуемых материалов в воздушно-сухом и водонасыщенном состояниях.

Производится расчет скоростей продольной волны в соответствующих состояниях и относительного приращения скорости продольной волны при водонасыщении:
.

Находятся уравнения регрессии зависимости и уравнение зависимости для данного материала для случая отсутствия "причины взаимодействия материала с водой".

Производится расчет величины деструктивной скорости в материале по формуле
,
где а,b,m,k параметры уравнений .

Производится расчет величины, характеризующей деструктивные изменения в материале в результате предшествующих обводнений η по формуле
.

Пример расчета величины, характеризующей деструктивные изменения в материале-породе.

Исходные и расчетные данные приведены в таблице.

Уравнение регрессии для данной серии образцов имеет вид коэффициент корреляции 0,98.

Уравнение для данных пород, где нет взаимодействия породы с водой, имеет вид ,

Таким образом, имея параметр η, мы можем оценить степень изменения исследуемого материала в результате его физико-химического взаимодействия с водой.

Если нет физико-химического взаимодействия материала с водой, то не происходит изменения скорости продольной волны в нем, а значит, предлагаемая величина равна нулю.

Максимальная величина предлагаемого параметра в относительно-предельном случае равна 1 (V_{т дестр} будет составлять какую-то малую величину).

По величине параметра можно говорить о величине изменчивости материала в результате ее взаимодействия с водой. Эту величину можно выражать как в долях единицы, так и в процентах.

Реализация заявленного технического решения обеспечит следующие технико-экономические преимущества: выявление нового параметра для оценки водоустойчивости материалов; широкие функциональные возможности за счет возможности исследования материалов любого типа, где возможен процесс физико-химического взаимодействия с водой; обеспечение возможности оценки степени изменчивости материала в результате перенесенных деструктивных изменений.

Формула изобретения

Способ определения физико-механических свойств материалов, заключающийся в прозвучивании исследуемого материала в воздушно-сухом и водонасыщенном состояниях импульсами ультразвуковых колебаний, измерении времен их распространения, расчете скоростей продольных волн и величины относительного изменения скорости продольной волны при водонасыщении, отличающийся тем, что величину η физико-химического взаимодействия материала с водой определяют по формуле

где V_т скорость продольной волны в скелете материала, в котором отсутствует процесс взаимодействия с водой,
V_{т дестр} скорость продольной волны в скелете исследуемого материала после взаимодействия с водой,
V_t a/b;
V_{т дестр} (a m) / (k + b);
a, b, m и k параметры уравнений регрессии функций
(V_вн V_вс) / V_вн f(V_вс)
и
(V_вн V_вс) / V_вн f(V_вн),
где V_вс скорость продольных волн в воздушно-сухом состоянии;
V_вн скорость продольных волн в водонасыщенном состоянии.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4