Механические свойства горных пород

Под механическими свойствами горных пород понимают их способность сопротивляться внешним механическим воздействиям. От механических свойств пород зависят степень их деформации и прочность под действием внешних нагрузок, а следовательно, поведение в основании сооружений, в откосах выемок, карьеров, котлованов, в подземных выработках и пр. Механические свойства грунтов обусловлены совокупностью их физических свойств и действующих физико-геологических процессов.

Механические свойства рыхлых горных пород в строительной практике они имеют наибольшее значение, так как эти породы распространены почти повсеместно. Для них определяют главным образом сжимаемость (сопротивление сжатию) и сопротивление сдвигу.

Сопротивление грунтов сжатию. Степень сжимаемости и уплотнения грунтов, зависят от их гранулометрического состава, строения, влажности, минерального состава, фильтрационных свойств, распределения и типа действующей нагрузки, нарушения естественного сложения и других факторов. Степень сжимаемости песчаных и глинистых грунтов неодинакова. Сжимаемость песчаных пород определяется взаимным перемещением отдельных зерен относительно друг друга, компактностью их укладки, а при больших нагрузках – и степенью раздробления отдельных зерен. Она обычно невелика по размерам, происходит быстро и не зависит от влажности.

Сжимаемость глинистых грунтов больше, чем песчаных. Для них характерны пластические деформации даже под небольшими нагрузками, особенно при увлажнении грунтов. В сухом состоянии и при очень низкой влажности глинистые грунты обладают почти такой же механической прочностью, как скальные породы. Влажные глинистые грунты деформируются при сжатии без видимого нарушения их структуры. Этому способствуют гидратные оболочки вокруг минеральных, глинистых частичек и поровые растворы, частично принимающие на себя нагрузку от сооружений. Процесс сжатия таких грунтов растянут во времени и зависит от их фильтрационных свойств, определяющих условия отжатия поровых растворов, температуры и других факторов.

Сопротивление взаимному перемещению минеральных частичек в раздельно зернистых грунтах (песок, гравий, щебенка и пр.) оказывают преимущественно силы трения, проявляющиеся по поверхности скольжения. При воздействии на такие грунты динамических знакопеременных нагрузок уплотнение их может быть более значительным и протекать медленнее.

Показатели сжимаемости грунтов определяют как в лабораторных условиях на образцах с ненарушенной или нарушенной структурой, так и в естественных условиях залегания пород путем штамповой нагрузки в шурфах и скважинах, а также другими методами. Сжимаемость рыхлых пород в лабораторных условиях определяют в компрессионных приборах с жесткими стенками – одометрах, что исключает возможность бокового расширения образца грунта, либо в стабилометрах, обеспечивающих трехосное сжатие испытуемого образца. Второй способ определения сжимаемости грунтов более правильно моделирует их поведение в основании сооружений. В одометре можно определить коэффициент уплотнения, модуль общей деформации и коэффициент фильтрации грунта. Испытание грунтов в стабилометре позволяет комплексно определять показатели механических свойств несвязных и связных грунтов: коэффициент уплотнения, модуль общей деформации, коэффициент внутреннего трения, сцепление, фильтрационные свойства и др.

Важнейшим показателем механических свойств грунтов, получаемым при компрессионных испытаниях, является коэффициент уплотнения или коэффициент компрессии, характеризующий изменение пористости, а тем самым и объема породы, при изменении нагрузки. Для обычно встречающихся в строительной практике давлений 9,8-10⁴ — 4,9-10⁵ Па коэффициент уплотнения аопределяют ориентировочно по формуле:

а = e₁ - e₂/ P₂-P_1,

где P_1, P₂ и e_1, e₂ - нагрузки и соответствующие им коэффициенты приведенной пористости, снимаемые с графика либо принимаемые по результатам опыта.

Грунты являются сильно сжимаемыми при a>1,02•10^-6 1/Па, средне сжимаемыми при а>1,02•10^-7≤а≤1,02•10^-6 и слабо сжимаемыми при а<1,02•10^-7 1/Па.

По результатам компрессионных испытаний устанавливают также модуль общей деформации Ео, величину которого определяют ориентировочно по соотношению Еo=l/a либо более точно по формуле, учитывающий коэффициенты уплотнения, бокового сжатия и приведенной пористости. Коэффициент уплотнения и особенно модуль общей деформации являются важнейшими расчетными показателями, входящими в формулы для расчета посадки проектируемых сооружений.

Сопротивление грунтов сдвигулежит в основе определения несущей способности грунтов оснований, оценки устойчивости откосов, расчета давления горных пород на крепь подземных выработок и на подпорные сооружения и для других инженерных расчетов. Сопротивление сдвигу раздельно зернистых грунтов определяется сопротивлением трению твердых минеральных частиц по поверхности скольжения. Связным грунтам присущи преимущественно структурные внутренние связи между минеральными частицами, коагуляционное, конденсационное и отчасти кристаллизационное сцепление, обусловливающие их прочность. Принято считать, что сопротивление всех разновидностей рыхлых грунтов сдвигу обусловливается и трением, и сцеплением, но в зависимости от состава грунтов и их физических свойств может преобладать то или другое.

Наиболее часто применяемыми способами определения показателей сопротивления грунта сдвигу являются:

· определение сопротивления сдвигу по одной или двум заранее фиксированным в сдвиговых приборах плоскостям;

· определение сопротивления сдвигу путем раздавливания образцов при одноосном и трехосном сжатии;

· определение сопротивления сдвигу по углу естественного откоса.

В практике лабораторных исследований чаще всего используют первый способ.

Результаты испытаний сопротивления грунтов сдвигу выражают в виде графика, на оси абсцисс которого откладывают значения нагрузки, на оси ординат - соответствующие им сдвигающие усилия. Математически сопротивление грунтов сдвигу выражается уравнением К. Кулона:

r= sf + C,

где t - сопротивление сдвигу, Па;

s - нормальное давление, Па;

f - коэффициент внутреннего трения, равный tg j°,

j° - угол внутреннего трения

Это уравнение показывает, что суммарно сопротивление сдвигу равно нормальному давлению, умноженному на коэффициент внутреннего трения, плюс некоторая постоянная С, которая свидетельствует, что даже при отсутствии нормального давления необходимо приложить какое-то сдвигающее усилие т=С для достижения сдвига.

Силу С, сопротивляющуюся сдвигу при отсутствии внешней нагрузки, называютсцеплением. Коэффициент внутреннего трения f и сцепление С являются важнейшими показателями прочности грунтов в инженерно-геологических исследованиях.

В несвязных раздельно зернистых грунтах силы сцепления С ничтожны, их можно принимать равными нулю. Поэтому зависимость сопротивления таких грунтов сдвигу определяется лишь коэффициентом внутреннего трения. В чистых сыпучих породах угол внутреннего трения j° весьма близок углу естественного их откоса, т. е. углу, который образует свободно насыпанный песчаный грунт с горизонтальной поверхностью. Угол естественного откоса грунтов определяют при воздушно сухом их состоянии и под водой специальными приборами. Влажность несколько снижает сопротивление раздельно зернистых грунтов, особенно при наличии в них глинистой фракции. В связных глинистых породах сопротивление сдвигу зависит от сцепления и коэффициента внутреннего трения. Увлажнение глинистых грунтов существенно снижает внутреннее трение между частицами и уменьшает силы сцепления.

Механические свойства пород с жесткими связями. Процессыдеформации скальных и полускальных пород связаны с разрушением кристаллов минералов и разрывом структурных связей. В трещиноватых породах, которые подверглись выветриванию, процессы деформации происходят, в основном, по ослабленным зонам - трещинам, плоскостям, расслоения, пустотам и т. п. Под действием нагрузок от инженерных сооружений скальные и полускальные породы ведут себя как твердые, упругие, практически несжимаемые тела. Их высокая прочность обусловлена значительными по величине силами сцепления между слагающими породу отдельными минералами и минеральными агрегатами.

При изучении таких пород оценивают их деформационные свойства в виде прочности, модуля упругости Е и модуля общей деформации Е₇. Различают механическую прочность скальных и полускальных пород на сжатие, на сдвиг (скалывание), на растяжение (разрыв) и на изгиб. Наибольшее значение в инженерной практике имеет прочность пород на сжатие, характеризуемая временным сопротивлением породы на сжатие. Это сопротивление представляет собою предельную нагрузку, при которой образец породы разрушается. Прочность пород на сжатие определяют путем раздавливания образцов под прессом. Она зависит от минерального состава, текстуры, структуры, характера связи между зернами породы и степени ее выветривания. Обычно прочность скальных и полускальных пород на сжатие очень велика, поэтому они являются надежными основаниями для инженерных сооружений.

Прочность некоторых осадочных пород (мергелей, аргиллитов, песчаников с глинистым цементом и др.) уменьшается при их увлажнении. Степень уменьшения временного сопротивления пород сжатию при их увлажнении называют размягчаемостью; ее необходимо учитывать в строительной практике. При изучении скальных пород как облицовочного материала, кроме размягчаемости, следует определять и учитывать их морозоустойчивость и химическую устойчивость.

У скальных и полускальных пород прочность на сдвиг (скалывание), растяжение (разрыв) и изгиб значительно меньше их прочности на сжатие. В среднем прочность этих пород на сдвиг составляет 6-8%, а на растяжение 3-5% и на изгиб - 7—15% их прочности на сжатие. Прочность пород увеличивается при двустороннем и многостороннем их сжатии, что необходимо учитывать при проведении исследований.

При использовании горных пород как материалов для дорожных покрытий, тротуаров, пола, лестниц и т. п. оценивают их сопротивление истирающим усилиям, которое зависит от твердости пород.

Для оценки сопротивляемости пород при проходке горных выработок и разработке полезных ископаемых используют крепость пород. По методике М. М. Протодьяконова она определяется коэффициентом крепости, за единицу которого принимается временное сопротивление кубика горной породы раздавливанию, равное 9,8·10⁶ Па. Крепость пород изменяется от долей единицы для песчано-глинистых грунтов и почв до 10 -20 единиц для крепких скальных пород.

При проектировании и проведении буровых работ горные породы оценивают по буримости, т. е. по трудности их проходки буровым инструментом при том или ином способе бурения. В частности, для целей вращательного механического бурения скважин все горные породы подразделены по буримости на 12 категорий. Например, к первой категории относятся рыхлые глинистые и суглинистые отложения, к шестой - конгломераты, песчаники, алевролиты, глинистые сланцы, аргиллиты, дуниты и т.п., к двенадцатой - плотные джеспилиты, кремни, яшмы, роговики, кварциты.

В строительной и горной практике используют искусственное изменение инженерно-геологических свойств горных пород. При этом физические свойства пород могут быть принципиально изменены (цементация, силикатизация, смолизация, битумизация, глинизация, термическая обработка, внесение различных добавок для укрепления пород при дорожном строительстве). Либо свойства пород изменяются на короткое время строительства или временной экспулатации (замораживание, осушение, электродренаж).