RU2071054C1 - Способ определения физико-механических свойств материалов - Google Patents
Способ определения физико-механических свойств материалов Download PDFInfo
- Publication number
- RU2071054C1 RU2071054C1 RU93040278A RU93040278A RU2071054C1 RU 2071054 C1 RU2071054 C1 RU 2071054C1 RU 93040278 A RU93040278 A RU 93040278A RU 93040278 A RU93040278 A RU 93040278A RU 2071054 C1 RU2071054 C1 RU 2071054C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- water
- longitudinal wave
- air
- coefficient
- dry
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
Abstract
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.
Description
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.
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.
где δv относительное суммарное набухание и усадка в долях единицы;
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.
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
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.
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.
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..
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.
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.
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.
Выражение для коэффициента:
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Claims (1)
- 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 Ks a f определяют по выражению
где Vв с скорость продольной волны в воздушно-сухом состоянии;
Vв н скорость продольной волны в водонасыщенном состоянии;
Vт скорость продольной волны в скелете материала;
а коэффициент зависимости
а по коэффициенту размягчаемости Ks a f судят о водоустойчивости материалов.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU93040278A RU2071054C1 (ru) | 1993-08-06 | 1993-08-06 | Способ определения физико-механических свойств материалов |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU93040278A RU2071054C1 (ru) | 1993-08-06 | 1993-08-06 | Способ определения физико-механических свойств материалов |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU93040278A RU93040278A (ru) | 1996-04-10 |
| RU2071054C1 true RU2071054C1 (ru) | 1996-12-27 |
Family
ID=20146298
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU93040278A RU2071054C1 (ru) | 1993-08-06 | 1993-08-06 | Способ определения физико-механических свойств материалов |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2071054C1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2792238C1 (ru) * | 2022-09-11 | 2023-03-21 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова" (МГУ) | Способ определения водопрочности почвенных агрегатов |
-
1993
- 1993-08-06 RU RU93040278A patent/RU2071054C1/ru active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ГОСТ 24143-80. Грунты. Методы лабораторного определения характеристик набухания от усадки. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2792238C1 (ru) * | 2022-09-11 | 2023-03-21 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова" (МГУ) | Способ определения водопрочности почвенных агрегатов |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Benavente et al. | Durability estimation of porous building stones from pore structure and strength | |
| Inci et al. | Experimental investigation of dynamic response of compacted clayey soils | |
| Yew et al. | Study of wave motions in fluid‐saturated porous rocks | |
| Uyanık et al. | Prediction of mechanical and physical properties of some sedimentary rocks from ultrasonic velocities | |
| Prick | Critical degree of saturation as a threshold moisture level in frost weathering of limestones | |
| Gajo et al. | Experimental analysis of the effects of fluid—solid coupling on the velocity of elastic waves in saturated porous media | |
| Vasanelli et al. | Ultrasonic pulse velocity test for non-destructive investigations of historical masonries: an experimental study of the effect of frequency and applied load on the response of a limestone | |
| Christaras | P-wave velocity and quality of building materials | |
| Augustinus | Rock resistance to erosion: some further considerations | |
| Sharo et al. | Prediction of engineering properties of basaltic rocks in Jordan | |
| RU2071054C1 (ru) | Способ определения физико-механических свойств материалов | |
| Allison | Non-destructive determination of Young’s modulus and its relationship with compressive strength, porosity and density | |
| Matthews et al. | The geotechnical value of ground stiffness determined using seismic methods | |
| Vipulanandan et al. | Cyclic and damping properties of silicate-grouted sand | |
| Long et al. | Measurement of acoustic properties of near-surface soils using an ultrasonic waveguide | |
| Ng et al. | The small strain stiffness of a carbonate stiff clay | |
| RU2071053C1 (ru) | Способ определения физико-механических свойств материалов | |
| Baeza et al. | Influence of moisture content on the mechanical properties of an ancient high-porosity building sandstone: San Cristóbal's stone (Andalusia, Spain) | |
| Nicholson | Quantification and description of rock breakdown for experimental weathering studies | |
| Al-Homadhi et al. | Determination of petrophysical and mechanical property interrelationships for simulated sandstone rocks | |
| Heidari et al. | Reliability assessment of Needle Penetration Index for estimating compressive strength of some sedimentary rocks from the Qom Formation, Central Iran | |
| RU2132560C1 (ru) | Способ оценки проницаемости горных пород | |
| Kim et al. | Physical and mechanical characteristics of frozen ground at various sub-zero temperatures | |
| Gordon | Mechanical relaxation spectrum of crystalline rock containing water | |
| Ojala et al. | The effective stress coefficient in porous sandstone |