Метод статического вдавливания штампа

При вдавливании под индентором имеет место сложное напряженное состояние, при котором все компоненты главных напряжений не равны нулю.

Л.А. Шрейнер, анализируя методы, предложенные для измерения сопротивления горных пород вдавливанию, и методы измерения твердости вдавливанием, пришел к выводу о необходимости принци­пиально изменить способ измерения: следует задать площадь контакта и измерять наг­рузку на индентор, под действием которой происходят деформиро­вание и разрушение породы.

Наиболее удобной геометрической формой индентора является цилиндрический штамп с плоским основанием (рис. 1.2). В настоящее время используются штампы диаметром d от 1,5 до 5 мм.

Метод вдавливания штампа позволяет не только определять твердость горных пород, но и оценивать их упругие и пластические характеристики на небольших образцах и на кернах, извлекаемых в процессе бурения скважин с различных глубин залегания. Для определения механических свойств горных пород методом вдавливания штампа необходимы образцы пород высотой 30…50 мм и диаметром 40…60мм. Эти образцы должны иметь две плоско- параллельные шлифованные поверхности.

а б

Рис. 1.2. Схемы деформирования и разрушения горной породы

при вдавливании штампа: а - упругое вдавливание;

б- хрупкое разрушение горной породы в конце вдавливания;

1 – штамп; 2 – горная порода; 3 – обломок породы; 4 - лунка

Испытания ведутся при весьма малой скорости нагружения штампа, поэтому в литературе широко используется другое название метода - метод статического вдавливания штампа.

Штамп в образец породы вдавливается до тех пор, пока при неко­торой нагрузке не произойдет хрупкое разрушение породы под штампом или не будет достигнута предельная величина внедрения.

Обработка результатов испытаний. Горные породы по характеру зависимости нагрузки Р на штамп от глубины h его внедрения делятся на три класса: I - хрупкие, II - пластично-хрупкие, III - высокопластичные и сильнопористые.

На рис. 2.3, а приведена характерная зависимость Р от h для хрупких горных пород. Из рис.2.3, а видно, что при деформировании вплоть до момента хрупкого разрушения соблюдается закон Гука. По наибольшей нагрузке Р_max определяется твердость породы по штампу р_ш:

p_ш = , (1.4 )

где F - площадь штампа (F= 0,785d²); d - диаметр штампа.

а б в

Рис. 1.3. Типовые зависимости Р от h для горных пород различных классов:

а - хрупких; б - пластично-хрупких; в – высокопластичных

Для пластично-хрупких пород (рис. 2.3,б), помимо твердости, определяется предел текучести породы по штампу p₀:

р₀ = Р₀ /F.(1.5)

Важной характеристикой механических свойств горных пород является удельная объемная работа разрушения А_V, которая определяется делением общей работы А, затраченной на разрушение, на объем лунки V, образовавшейся при разрушении, т.е.

А_V = А /V.

Кроме названных показателей, по зависимостям P от h можно определить коэффициент пластичности и модуль упругости горной породы при вдавливании.