4.5.1 Метод определения механических свойств глинистых пород при одноосном сжатии

Для определения механических свойств глинистых пород при инженерно-геологических работах применяется испытание при одноосном сжатии. При испытании определяются предел прочности пород, модуль упругой и общей деформации, тип деформационного поведения и построение диаграммы сжатия.

Испытания проводят с помощью прибора одноосного сжатия ИГП-10 или П-12М или пресса.

Образцы цилиндрической формы выбирают из монолита или керна режущим кольцом с помощью винтового пресса. Образец должен иметь однородную структуру.

Образец помещают между плитами пресса и нагружают сжимающей силой. При испытании по сокращенной программе определяют величину разгружающей силы, при испытании по полной программе для определения модуля упругости образец нагружают до напряжения σ_Е, равного примерно половине разрушающего напряжения, с последующей разгрузкой до 0, после чего образец нагружают до разрушения.

Предел прочности определяют по формулам:

(при );

(при ),

где Р_R – сила, при которой происходит разрушение, Н;

S₀ – первоначальная площадь поперечного сечения, м²;

S – площадь поперечного сечения при испытании, м²;

– продольная деформация в момент разрушения.

Образцы до и после испытания представлены на рисунке 4.44.

Рисунок 4.44 – Образцы до испытания и после испытания

Площадь образца S определяют при измерении диаметра штангенциркулем, либо по продольной деформации ε в предположении о несжимаемости породы по формулам:

в случае сохранения цилиндрической формы образца

;

в случае, когда образец после испытания приобретает бочкообразную форму

Модуль упругой деформации Е в МПа определяют по формуле

,

где – напряжение, с которого начинается разгрузка образца, МПа;

– продольная деформация в начале и конце разгрузки (рисунок 4.45).

Рисунок 4.45 – Определение модуля упругости (а) и модуля общей деформации (б)

Модуль общей деформации Е_о определяют по формуле

, (4.57)

где и – напряжения в конце и в начале выбранного участка кривой;

– продольные деформации в конце и в начале того же участка кривой.

Образец может по разному деформироваться и тип деформирования устанавливают по виду диаграммы сжатия: хрупкий (рисунок 4.46, а), хрупко-пластический (рисунок 4.46, б), пластический (рисунок 4.46, в).

Рисунок 4.46 – Типы деформационного поведения глинистых пород при одноосном сжатии

При исследовании свойств глинистых пород проводят и другие виды испытания при одноосном сжатии. Определяют коэффициент структурной прочности, испытывая стандартные образцы и образцы с нарушенной структурой заданной влажности и прочности; проводится испытание по определению длительной прочности. За величину предела длительной прочности принимается такое напряжение, при котором в течение суток продольная деформация увеличится менее чем на 0,1%.

4.5.2 Испытание глинистых пород при растяжении

На результат испытания на растяжение кроме петрографических особенностей пород большое влияние оказывает форма образцов. Наиболее рациональная форма – в виде трапецеидальной восьмерки или усеченных конусов, сложенных вершинами. Изготовление таких образцов связано с большими трудностями. Часто используют образцы цилиндрической формы (керн) или призматической формы; иногда для мягких глинистых пород изготавливают фасонные образцы, но и для этих пород допустимо применение образцов цилиндрической и кубической форм.

Одним из простейших приборов для определения сопротивления глинистых пород разрыву является прибор Н.А. Цытовича (рисунок 4.47). Испытание проводится для образцов, имеющих форму трапециевидной восьмерки. Образец должен иметь длину 76 мм, ширину 20 мм, высоту 25 мм. Длина разрывной части 25…30 мм, площадь сечения 5 см².

Рисунок 4.47 – Прибор Н.А. Цытовича для определения прочности глинистых пород на растяжение

Разрыв образца производится с помощью специального привода, имеющего двухступенчатый шкив с отношением диаметров шкивов 1:10. В качестве груза при испытаниях может быть использована вода или дробь.

Предел прочности при одноосном растяжении равен

,

где – разрушающая нагрузка, Н;

S_о – первоначальная площадь поперечного сечения образца, м².