Контрольні запитання

1. В чому різниця між загальною та відкритою пористістю порід ?

2. Від чого залежить пористість порід?

3. Пористість яких порід більша − осадових, магматичних чи метаморфічних ?

4. Як змінюється пористість з глибиною залягання порід ?

5. Які властивості порід можна визначити за допомогою приладу СПВ-2?

6. З яких основних вузлів складається прилад СПВ-2?

7. Як побудувати калібрувальну криву?

8. Зразки якого мінімального об’єму рекомендується використовувати для вимірювання пористості? Чому?

9. Як визначити загальний об’єм зразка неправильної геометричної форми?

10. В чому різниця між об'ємною та питомою масою гірських порід ?

11. Як визначити загальну пористість порід на приладі СПВ-2?

Література: [1], стор. 7 −12; [2] стор. 9 −16.

Лабораторна робота №2 визначення механічних властивостей гірських порід при простих видах навантаження

Мета роботи: Освоєння методики і набуття практичних навиків у визначенні міцності на стиск, розтяг, зсув, згин і встановлення співвідношення між цими характеристиками для одного і того ж матеріалу.

Теоретичні відомості

Міцність – це здатність твердого тіла чинити опір руйнуванню під дією прикладених механічних навантажень.

Вона характеризується межею міцності при стиску, розтягу, згині і зрізові. Межа міцності  – напруження, при якому зразок руйнується:

(2.1)

де P – руйнівне навантаження;

F – площа, на яку діє прикладене навантаження.

Міцнісні характеристики гірських порід значно різняться залежно від виду навантаження. Найбільшу міцність гірські породи мають на стиск, найменшу – на розтяг. Це пояснюється тим, що при стиску ” працює ” увесь об’єм зразка, а при розтягу – цемент між складовими мінеральними частинами породи в найбільш послаблених місцях. Міцність на зсув є другою після міцності на стиск, а міцність на поперечний згин близька до міцності на розтяг, бо при поперечному згині в зовнішніх шарах зразка, від точки прикладання згинаючих зусиль, виникають напруження розтягу, а у внутрішніх – напруження стиску. При зсуві значну роль відіграють сили внутрішнього тертя, які чинять опір руйнуванню.

Визначення міцності на стиск

Міцність на стиск s_ст визначається при одноосьовому розтискуванні циліндричного взірця . На рисунку 2.1 показано загальний вигляд преса при визначенні міцності на стиск взірця гірської породи, а на рисунку 2.2 – схема навантаження.

Міцність на стиск визначається, як відношення зусилля, при якому відбулося руйнування взірця, до площі поперечного перерізу взірця:

, (2.2)

де P – руйнівне навантаження, Н;

d − діаметр циліндричного взірця, м;

	1 – взірець; 2 – столик поршня
Рисунок 2.1 – Загальний вигляд установки при визначенні міцності на стиск	Рисунок 2.2 – Схема навантаження зразка при визначенні міцності на стиск ст

Визначення міцності на розтяг

Для випробовування гірських порід на розтяг застосовують метод розколювання стискуючим зосередженим навантаженням (“ бразильський ” метод). Суть його полягає в тому, що навантаження на зразок передається через співвісні клини. У цьому випадку, як відомо з теорії пружності, зразок руйнується від напружень розтягу, що виникають на поверхні, по якій відбувається руйнування. Достатнє наближення до цієї схеми дає навантаження циліндричного зразка по його твірних (рис. 2.3, 2.4).

При цьому руйнування відбувається по діаметральній площині. Тоді міцність на розтяг s_р визначається як

(2.3)

де d – діаметр циліндричного взірця, м;

h – висота взірця, м.

	1 – взірець; 2 – столик поршня
Рисунок 2.3 – Загальний вигляд установки при визначенні міцності на стиск	Рисунок 2.4 – Схема навантаження взірця при визначенні міцності на розтяг sр

Оскільки навантаження не є зосередженим і передається не по лінії, а по деякій прямокутній площині, значення міцності на розтяг, одержані таким чином, будуть трохи завищеними порівняно з істинними значеннями, одержаними шляхом безпосереднього розриву взірців.

Визначення міцності на зсув

Міцність гірських порід на зсув звичайно визначають при випробовуваннях на зріз (рис. 2.5, 2.6). При цьому використовують призматичні взірці.

Міцність на зсув визначається як відношення руйнівного зусилля P до площі поверхні руйнування F:

_зс = P/F. (2.4)

Для зразка прямокутного перерізу

F = 2bh, (2.5)

де b – ширина перерізу призматичного взірця, м;

h – висота перерізу, м.

Рисунок 2.5 – Загальний вигляд установки при визначенні міцності на зсув	Рисунок 2.6 – Схема навантаження взірця при визначенні напруження зсуву зс

Визначення міцності на згин

При випробовуванні на поперечний згин зразок призматичної форми встановлюють на дві опори і навантажують посередині зосередженим зусиллям (рис. 2.7, 2.8).

Міцність на поперечний згин визначається як відношення максимального згинаючого моменту М до моменту опору згину W.

s_зг = М/W, (2.6)

М = PL/4, (2.7)

W = bh²/6, (2.8)

де b – ширина перерізу призматичного взірця, м;

h – висота перерізу, м;

L − відстань між опорами.

Рисунок 2.7 – Загальний вигляд установки при визначенні міцності на згин	Рисунок 2.8 – Схема навантаження взірця при визначенні напруження згину зг

Прилади і матеріали для проведення роботи

Ручний прес, форма з плунжером для випробування на зріз, опора з клином для випробування на згин, штангенциркуль, взірці.

Для визначення міцності на стиск і розтяг потрібні циліндричні взірці діаметром 40–45 мм з відношенням довжини зразка l до його діаметра d_зр . Для випробування на згин і зріз використовують зразки призматичної форми з такими геометричними розмірами bhL = 226 см.

Опис приладів

Гідравлічний прес (рис. 2.9), що складається з корпусу 1, в якому розміщені великий 2 та малий 3 циліндри. У великому циліндрі 2 встановлений поршень 4, в малому – плунжер 5.

Плунжер 5 приводиться в дію важелем 6, який шарнірно встановлено на опорі 7, прикріпленій до корпусу 1. При русі плунжера 5 вгору робоча рідина перетікає з бачка для оливи 8 через всмоктувальний клапан 9 в малий циліндр 3. В той же час, олива, що знаходиться над нагнітальним клапаном 10, перетікає по прямому каналу 11 у великий циліндр 2, тиск в якому фіксується манометром 12. Із збільшенням об’єму рідини у великому циліндрі 2, поршень 4 піднімається.

На столику поршня 13 встановлюють досліджуваний взірець 14, який при підійманні поршня 4 упирається в опорну плиту 15, приєднану до корпуса 1 двома штангами 16 і руйнується. Тиск після руйнування взірця різко спадає.

П

1 – корпус; 2 – великий циліндр; 3 – малий циліндр; 4 – поршень; 5 – плунжер; 6 – важіль; 7 – опора; 8 – бачок; 9 – всмоктувальний клапан; 10 – нагнітальний клапан: 11 – канал; 12 – манометр; 13 – столик плунжера; 14 – взірець; 15 – опорна плита; 16 – штанги; 17 – кран

Рисунок 2.9 – Схема гідравлічного преса

оршень 4 встановлюють в початкове положення вручну: попередньо відкривши кран 17, слід натиснути на столик плунжера 13, тим самим перемістити робочу рідину з великого циліндра 2 в бачок для оливи 8, після чого кран 17 закрити. Якщо не закрити кран 17, то створити тиск у великому циліндрі 2 буде неможливо, оскільки робоча рідина буде циркулювати по колу з бачка для оливи 8 через малий циліндр 3, великий циліндр 2 і знову в бачок для оливи 8.

З

усилля P, яке створює поршень, визначається добутком тиску p в циліндрі на площу поперечного перерізу поршня:

, (2.9)

де d_пл – діаметр поршня, м.

Порядок виконання роботи

1. Підбирають взірці для досліджень (по 3 – 4 взірці на кожний вид випробування), слідкуючи за тим, щоб вони не мали тріщин, каверн чи інших дефектів, нумерують. У взірців, які готують для визначення s_ст , особливо ретельно контролюють паралельність торців циліндра і перпендикулярність їх до поздовжньої осі, бо від цього залежить точність експериментів.

2. Результати вимірювань взірців заносять до журналу (табл. 2.1).

3. Взірці встановлюють у пресі за схемами навантаження, як показано на рис. 2.1 –2.7 і руйнують їх. В момент руйнування фіксують покази манометра і заносячи їх значення до журналу.

4. За формулою (2.1), розраховують величину руйнуючого навантаження і визначають значення s_ст , s_р , _зс , s_зг згідно формул 2.2 – 2.8.

5. Отримані результати заносять у таблицю 2.1.

Вид навантаження	№ досліду	Розміри зразка				Тиск на манометрі	Площа поршня	Руйнівне навантаження	Площа руйнування	Напруження
		d, м	L, м	b, м	h, м	p, Па	Sп, м2	P, Н	F, м2	s , Па

Таблиця 2.1 – Результати визначення межі міцності при простих видах навантаження

Вказівки з техніки безпеки

Виконуючи лабораторну роботу, слід дотримуватися таких правил техніки безпеки:

1. Починати стискування дозволяється тільки при повній впевненості, що люди знаходяться на безпечній відстані від преса .

2. При стискуванні зразка забороняється притримувати його руками, а також наближати обличчя до преса на відстань меншу за 0,7м.