實驗1 巖石硬度及塑性系數(shù)測定

實驗?zāi)康?/h2>

1．通過實驗了解巖石的物理機械性質(zhì)

2．通過實驗，學(xué)習(xí)掌握巖石硬度、塑性系數(shù)的測定方法

實驗原理

利用手搖泵加壓，壓力傳遞給壓模（硬質(zhì)合金壓頭），巖樣與壓頭和位移傳感器接觸之后，用手搖泵慢速均勻加載，壓頭吃入巖樣直至破碎，函數(shù)記錄儀記錄整個過程的載荷與位移值，通過載荷與位移的關(guān)系曲線計算巖石硬度和塑性系數(shù)。

實驗儀器設(shè)備

1．實驗儀器設(shè)備示意圖(如圖一)

2．壓模

圓柱體壓模用高強度鋼制成胚體后嵌入硬質(zhì)合金錐，將硬質(zhì)合金錐磨成柱體(尺寸如圖所示)d=1.2～2.5mm，使壓模與巖石的接觸面積始終不變，便于計算巖石的抗壓與極限強度-硬度值。要求壓模的兩端平行，硬質(zhì)合金應(yīng)垂直地鑲?cè)肱唧w中，經(jīng)研磨后的柱體，必須用讀數(shù)顯微鏡測出直徑的準確數(shù)據(jù)。

3．硬度計

由底座、液缸及活塞、支柱、橫梁組成，并可固定位移傳感器、壓力傳感器、壓模及巖樣。

4．加壓系統(tǒng)

用活塞式手搖液壓泵給液缸加壓力液， 使活塞上升并使壓模加壓力給巖樣，管路中裝有壓力表以觀察壓力的變化。

5．位移計

位移計固定在硬度儀的橫梁上，用它測量壓模壓入巖樣的深度，將機械位移量轉(zhuǎn)換成電量。

6．壓力傳感器

將所加壓力的物理量轉(zhuǎn)換成電量。

7．函數(shù)記錄儀

由位移計、壓力傳感器輸入的信號經(jīng)放大、相敏、檢波、濾波的電信號輸給函數(shù)記錄儀。

實驗步驟

1. 將巖石切磨成正方（圓柱）體，其高度不小于50mm ，被測量端面應(yīng)加以研磨，使巖樣平滑且相互平行（直徑50mm的巖樣兩端面不平行度不應(yīng)超過0.5mm ），巖樣制備后應(yīng)在低于100的烘箱中烘干2-2.5個時，然后放在干燥器內(nèi)備用。

2. 用讀數(shù)顯微鏡測出壓摸壓頭的直徑并記錄下來，

3. 打開紀錄儀開關(guān)，調(diào)整零點：按菜單，選捧輸入，按設(shè)置，輸入密碼, 選擇零點修正。

4.將巖樣至于硬度儀的巖心托盤上，搖動手搖泵，活塞慢慢上升，移動位移傳感器，使巖樣先與位移傳感器接觸，當紀錄儀顯示壓力有變化時，說明巖樣與壓頭已接觸上，停止搖動手搖泵，此時記錄下位移值和壓力值，作為零點。

5. 用手搖泵慢 直到巖樣破碎（有響聲），則該點測試完畢，

6. 按設(shè)置鍵兩次，出現(xiàn)報警界面，再按V 鍵，根據(jù)提示插入U 盤，導(dǎo)出數(shù)據(jù)（兩個數(shù)據(jù)文件存入U 盤，路數(shù)據(jù)是位移，第二路數(shù)據(jù)是載荷 ）按菜單鍵返回，拔除U 盤；

數(shù)據(jù)處理

1、在計算機上進行數(shù)據(jù)編輯。U 盤數(shù)據(jù)可通過專用軟件打開，具體操作如下：

①將U 盤上的數(shù)據(jù)分析軟件打開，選擇setup.exe安裝數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（按提示進行安裝），安裝完畢后，雙擊桌面上的JLFX100圖標。

②點擊“文件>打開”選擇所需要的文件即可進入“曲線分析”窗口，橫軸為時間，縱軸為位移傳感器（或載荷傳感器）數(shù)據(jù)。

③點擊“數(shù)據(jù)報表”彈出一窗體，輸入“開始時間”和結(jié)束時間；“取樣間隔”點擊“開始生成報表（按準確時間）”

④把生成的數(shù)據(jù)拷貝到Excel 里進行處理（如表一），在Excel文檔中進行編輯時，先逐個選中通道1數(shù)據(jù)中的序列號，在編輯欄中將序號和時間刪除，只留下數(shù)據(jù)，同樣將通道2中的數(shù)據(jù)進行處理，處理后的數(shù)據(jù)只剩下位移和載荷，通道1記錄的是位移數(shù)據(jù)，如果載荷開始變化時，相應(yīng)位移數(shù)據(jù)不在零點，需減去該值。

2、畫圖與計算

①用Excel 畫出位移——載荷的曲線，選中數(shù)據(jù)，點擊圖表向?qū)В趫D標想到圖框選XY散點圖，在子圖表類型中選平滑線散點圖，然后按提示做下去，出現(xiàn)如下曲線：

②經(jīng)分析此曲線與理論曲線存在較大的差距，分析實驗過程，在實驗室進行數(shù)據(jù)的初步篩選和計算階段，選擇有用數(shù)據(jù)前邊保留時多保留了一組，故重新對數(shù)據(jù)進行處理，使其減去組數(shù)據(jù)，可得如下表格：

重新畫出載荷與位移關(guān)系曲線可得如下圖

3、求塑性系數(shù)

k =AF 面積ABC = AE 面積A DE

經(jīng)過查方格可得面積ABC 有112格，而面積ADE 有84個格，故有 k =AF 面積ABC 112===1. 33 AE面積A DE 84

4

由圖2可得巖石在破碎時所加載荷為

P=571×9.8=5595.8N

1壓模面積為S =?πd 2=3. 14?10-6m 2 4

P 5595.8P y ===1.782*109Pa =1782Mpa 。 -6S 3.14?10

5、求屈服極限

由圖可讀出Po=395Kg

P o y =Po /S =395*9. 8/(3. 14*10-6) =1. 233*106Pa =1. 233MPa

思考題

1. 測量的巖石變形曲線不規(guī)則是什么原因，分析與操作的關(guān)系？

答：（1）手搖油泵加壓時搖動速度不均勻，時快時慢；

（2）巖樣內(nèi)部的非均質(zhì)性。

2. 測量過程中巖石可能發(fā)生大塊破碎，此時計算的結(jié)果是否準確？

答：準確，大塊破碎發(fā)生在測量的后期，之前的實驗數(shù)據(jù)已采集好，結(jié)果分析用的是破碎那一刻之前的那部分數(shù)據(jù)，所以不影響。

3. 調(diào)研并簡要介紹巖石硬度、塑性系數(shù)、可鉆性和研磨性等性質(zhì)是如何應(yīng)用于工程實踐？思考這些性質(zhì)的其它應(yīng)用？

（1）利用巖石力學(xué)參數(shù)結(jié)合鉆頭廠家的使用說明進行鉆頭選型

（2）可用于鉆井地層工程特性研究、地層評價

（3）分層段預(yù)測隨鉆地層的巖性, 試圖挖掘巖石可鉆性和巖石礦物成分之間的關(guān)系規(guī)律, 建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)關(guān)系模型,并實時優(yōu)選鉆井液性能和流變參數(shù), 為保持井壁的化學(xué)穩(wěn)定提供科學(xué)的指導(dǎo)。