8.7. Определение показателей твердости, крепости, выветрелости и истираемости грунтов

Твердостью грунта называется параметр, характеризующий сопротивляемость его поверхностного слоя разрушению при внедрении индентора в необработанную поверхность. Наиболее распространенным методом испытания на твердость является метод вдавливания в материал стального шарика, алмазного или стального конуса или алмазной пирамиды. Кроме вдавливания, могут применяться и другие методы определения твердости – метод царапания (склерометрический), упругого отскока шарика (склероскопический) и т.д. [84].

Склерометрический метод основан на измерении ширины черты, получаемой в результате царапания породы или минерала алмазным острием. Этот метод пригоден для мономинеральных или афанитовых пород (мраморы, сланцы). Для полиминеральных пород этот метод непригоден и поэтому почти не применяется.

Склероскопический метод основан на измерении высоты отскока алмазного шарика при падении его на гладкую поверхность камня. Наиболее удобным представляется склероскоп Шора, где отсчет высоты отскока производится прямо по шкале. Разная твердость минералов полиминеральных пород осредняется большим числом испытаний, что делается возможным благодаря быстроте отсчета на приборе Шора. За стандарт, равный 100, принимается твердость определенной марки стали.

Существует, но не имеет широкого применения ввиду громоздкости аппарата, пескоструйный метод, основанный на измерении глубины лунки, получаемой под действием сильной струи песка, направленной с определенного расстояния и под определенным давлением на плитку камня. Метод вдавливания стального конуса в породу разработан в институте горючих ископаемых Академии Наук СССР под руководством Л.А. Шрейнера. По методике Л.А. Шрейнера сконструирована специальная установка – УМГП (установка для определения механических свойств горных пород), принцип действия которой заключается в том, что стальной конус под определенным давлением вдавливают в породу до образования лунки разрушения с одновременной автоматической записью графика деформации, по которому рассчитывают значения модуля Юнга, твердости, числа пластичности.

Метод определения микротвердости, разработанный в институте минералогии, геохимии и кристаллохимии редких элементов Академии Наук СССР, основан на измерении величины отпечатка от вдавливания алмазной пирамиды в поверхность испытуемого образца при определенной нагрузке.

Микротвердость Н_b, кг/мм², вычисляется по формуле:

H_b=1854F/α²,

где F – нагрузка, при которой производится измерение, г; α – диагональ отпечатка, мкм.

Микротвердость или твердость минералов – сложное интегральное свойство, зависящее от физико-химических и механических факторов. Для измерения микротвердости применяют специальный прибор – микротвердомер (ПМТ–3) с четырехгранной алмазной пирамидой с квадратным основанием и углом при вершине между противоположными гранями, равным 136°. Для изучения микротвердости горных пород изготавливают специальные полированные аншлифы из кусочков породы размером не более 3x4x5 см. Для каждого образца измеряют микротвердость в 30–40 точках, которые могут быть расположены: вразброс (отдельные зерна); вдоль заранее проведенной линии (маршрута) через определенное расстояние друг от друга, но не менее 2–х диаметров отпечатка.

Математическая обработка результатов заключается в построении вариационных кривых микротвердости с нахождением наиболее вероятного, характерного для данного образца значения микротвердости и процента частоты встречаемости.

Крепостью горных пород называется их способность сопротивляться различным механическим воздействиям: бурению, взрыванию или разработке механическими средствами.

Метод определения коэффициента крепости по Протодьяконову. Сущность метода заключается в определении коэффициента крепости, который пропорционален отношению работы, затраченной на дробление горной породы, к вновь образованной при дроблении поверхности, оцениваемой суммарным объемом частиц размером менее 0,5 мм.

Для определения крепости горных пород применяют: прибор определения крепости ПОК, состоящий из стакана 1, вставленного в него трубчатого копра 2, внутри которого свободно помещается гиря 3 массой 2,4±0,01 кг с ручкой 4, привязанной к гире жгутом. Трубчатый копер имеет в верхней части отверстия, в которые вставляются штифты 5, ограничивающие подъем гири. В комплект прибора входит объемомер, состоящий из стакана 6 и плунжера 7 со шкалой измерений с диапазоном показаний от 0 до 150 мм вдоль его продольной оси; сито с сеткой N 05 для просеивания породы после дробления.

Отобранную пробу горной породы раскалывают молотком на твердом основании до получения кусков размером 20–40 мм. Из измельченного материала пробы отбирают двадцать навесок массой 40–60 г каждая. Каждую навеску отдельно дробят в стакане гирей, падающей с высоты 60 см. Число сбрасываний гири принимают в зависимости от ожидаемой крепости породы, обычно от 5 до 15 сбрасываний на каждую навеску. При очень мягких породах число сбрасываний может быть сокращено до 1, а при очень крепких – увеличено до 30.

При дроблении стакан с вставленным в него трубчатым копром обязательно устанавливают на жесткое массивное основание: железобетонный или асфальтированный пол, стальную плиту (массой не менее 20 кг, толщиной около 10 см).

Правильность выбранного режима испытания контролируют после просеивания первых пяти раздробленных навесок на сите до прекращения выделения подрешетного продукта и замера его объема в объемомере. При получении столбика мелочи высотой 20–100 мм по шкале плунжера число сбрасываний на каждую навеску сохраняют для оставшихся пятнадцати навесок. При меньшей или большей высоте столбика мелочи в объемомере число сбрасываний корректируют соответственно в большую или меньшую сторону.

Оставшиеся пятнадцать навесок дробят в приборе последовательно в установленном режиме испытания: при постоянном числе сбрасываний гири n и высоте подъема гири 60 см. После дробления каждых пяти навесок их просеивают на сите, подрешетный продукт сита ссыпают в объемомер, замеряют плунжером высоту столбика мелочи и записывают ее.

Коэффициент крепости горной породы f вычисляют по формуле:

,

где 20 – эмпирический числовой коэффициент, обеспечивающий получение общепринятых значений коэффициента крепости и учитывающий затраченную на дробление работу; n – число сбрасываний гири при испытании одной навески; h – высота столбика мелкой фракции в объемомере после испытания пяти навесок, мм.

Для более детальной классификации скальных грунтов, а также грунтов крупнообломочных (табл. 2.3) определяется их степень выветрелости, которая характеризуется коэффициентом выветрелости K_wr, равным отношению плотности выветрелого грунта к плотности монолитного грунта и который определяется по формуле [34]:

где K₁ – отношение массы частиц размером менее 2 мм к массе частиц размером более 2 мм после испытания на истирание в полочном барабане (рис. 8.68); K₀ – то же в природном состоянии.

Коэффициент выветрелости определяют для крупнообломочного элювия магматических и метаморфических грунтов, содержащих не менее 10 % по массе заполнителя частиц размером менее 2 мм, для крупнообломочного элювия осадочных грунтов содержание заполнителя не регламентируется.

Разделение образца грунта на фракции и определение массы частиц размером менее и более 2 мм проводят по ГОСТ 12536-79. Отбирают среднюю пробу массой 2–2,5 кг, избегая «круглых» значений 2 или 2,5 кг. Разделение на мелкозем и обломки проводят просеиванием грунта через сито № 2, устанавливают массу мелкозема m₁ и обломков m₂. Затем образец загружают в полочный барабан, испытания проводят циклами вращения барабана по 2 мин, устанавливая каждый раз просеиванием массу мелкозема m₁’ и обломков m₂’.

Испытания проводят до тех пор пока выход мелкозема после очередного цикла по массе станет равным 1 % или менее от начальной массы пробы. Установленные для этого момента значения m₁’ и m₂’ используют для определения максимальной степени разрушения обломков и расчета K₁. Взвешивания производят с точностью 1 г, результаты вычисления должны иметь погрешность не более 0,01.

Рис. 8.68. Оборудование для определения коэффициента истираемости крупнообломочных грунтов [136]

В случае увеличения выхода мелкозема за первые 2 цикла менее 10 % от m₁ обломки следует относить к прочным, грунт оценивать как невыветрелый и испытание прекратить. В случае увеличения выхода мелкозема в пределах 10–25 % от m₁ за природную степень разрушения принимают отношение m₁ к m₂ после четырехминутного испытания в барабане. В случае увеличения выхода мелкозема более 25 % за K₀ принимают значение, установленное до начала испытания.

Коэффициент истираемости K_fr, д. ед., крупнообломочных грунтов следует также определять испытанием во вращающемся полочном барабане (рис. 8.68):

где q₁ – масса частиц размером менее 2 мм после испытания крупнообломочных фракций грунта (частиц размером более 2 мм) на истирание в полочном барабане; q₀ – начальная масса пробы крупнообломочных фракций (до испытания).