Водоустойчивость, влагоем­кость, капиллярность и водопроницаемость.

Водоустойчивость глинистых пород может быть охарактеризо­вана скоростью и характером размокания в воде, силой и влажно­стью набухания, величиной и влажностью усадки. Породы водонеустойчивые размокают быстро и превращаются в песчанно-глинистую массу в течение минут или десятков минут. К таким породам прежде всего относятся лессы. Породы мало- и средневодоустойчивые разрушаются в воде в течение нескольких часов или первых суток. Породы водоустойчивые сохраняются в воде без значительных разрушений десятки суток и даже месяцы.

Некоторые разновидности глинистых пород отличаются повы­шенной гидрофильностью и при увлажнении сильно набухают. При этом объем их увеличивается на 25-30 %, а сдерживающая набухание нагрузка (сила набухания) может достигать 11 кГ/см2.

Влагоемкость - способность породы вмещать и удерживать воду. Различают породы влагоемкие (глины, суглинки), средневла­гоемкие (супеси) и невлагоемкие (пески и галечники). Примени­тельно к породам невлагоемким следует говорить об их водоемкости (способность вмещать определенное количество воды).

При полной влагоемко­сти все поры породы заполнены водой. При капиллярной влагоем­кости водой заполнены только капиллярные поры. При наименьшей влагоемкости порода содержит только физически связанную воду.

При оценке характера и степени уплотнения глинистых пород важно определить их полную и наименьшую влагоемкости. Сопоставление этих значений с естественной влажностью породы позволит рассчитать степень ее уплотнения (за счет дренирования или выжимания воды) под влиянием проектируемых инженерных сооружений. При оценке инженерно-геологических и особенно гидрогеоло­гических свойств песчаных, галечных и других обломочных пород следует учитывать их водоотдачу - способность отдавать воду пу­тем свободного стекания при их дренировании. Численно водоотда­ча равна разности между полной и наименьшей влагоемкостями об­ломочных пород.

Капиллярность - способность воды подниматься по капиллярным порам в мелко- и тонкозернистых песках и глинистых поро­дах за счет сил поверхностного натяжения воды. Высота капилляр­ного поднятия (мощность капиллярной зоны) тем больше, чем меньше радиус капилляра и плотность воды.

Высота капиллярного поднятия воды в тонко- и мелкозернистых песках обычно 1,5- 2 м, а в глинистых породах иногда дости­гает 12 м. Скорость капиллярного поднятия постепенно снижается с течением времени и в тонкодисперсных грунтах актив­но формируется именно в первые дни, что необходимо учитывать при хозяйственном освоении территории.

Водопроницаемость - способность горных пород пропускать воду - зависит прежде всего от их скважности или пористости, а также от градиента гидродинамического напора. В связи с этим в обычных условиях к наиболее проницаемым относятся галечники и грубозернистые пески, водопроницаемыми являются также различные по зернистости пески, а слабопроницаемыми - суглинки и глины. Водопроницаемость галечников и других грубообломочных пород существенно снижается по мере увеличения содер­жания песчаного и особенно глинистого заполнителя. Так, добавка к чистым пескам всего 10 % глинистых частиц снижает водопрони­цаемость почти в 2 раза, а если этот глинистый заполнитель будет состоять исключительно из бентонита - в 10 000 раз.

Мерой водопроницаемости сухих (безводных) пород, слагающих обычно зону аэрации, служит удельное водопоглощение (), которое для ориентировочных расчетов можно определить из соот­ношения = 0,53 К.

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА Поведение ГП под воздействием внешних усилий (на­грузки) определяется их механич свойствами. При этом в пес­чаных и глинистых породах происходит сокращение их пористости, изменение внутреннего сложения и объема (уплотнение). Чем значи­тельнее эти изменения под воздействием определенной нагрузки, тем большей деформируемостью породы обладают. Породы начинают разрушаться и наступает потеря их прочности, когда воздействие внешних усилий превышает свойственные данной породе силы со­противления сдвигу. Следовательно, механические свойства песча­ных и глинистых пород могут быть охарактеризованы их деформи­руемостью и прочностью через соответствующие показатели. Эти по­казатели позволяют прогнозировать осадку сооружений, определять устойчивость пород в их основании, разрабатывать мероприятия по повышению прочности пород в различных условиях и др.

Компрессионные свойства. Компрессия - это уплотнение (деформация сжатия) под влиянием внешней нагрузки, приложенной к песчаной или глинистой породе. В результате компрессии уменьшается пористость пород, повышается их плотность и объем­ный вес. В глинистых и частично в песчаных породах увеличивается связность частиц и как следствие возрастает сопротивление сдвигу. Уплотнение насыщенных водой пород сопровождается выжиманием определенного количества поровой воды. При этом уплотнение обычно происходит до наступления так называемого гидростатиче­ского равновесия, при котором вся лишняя по отношению к дейст­вующей нагрузке вода будет отжата.

Закон уплотнения аналогичен закону уп­ругости в теории сопротивления материалов, согласно которому от­носительная деформация пропорциональна напряжению (закон Гука). Установлено, что между деформациями и напряжениями суще­ствует зависимость λ = f (). В определенном интервале нагрузок (обычно до 6 кГ/см2) с достаточной для практических целей точно­стью можно считать эту зависимость линейной, а породы - линей­но-деформируемыми телами. Эта зависимость справедлива для са­мых различных песчаных и глинистых пород и выражает второй основной закон механики грунтов - закон деформируемости: относительная общая деформация песчаных и глинистых пород прямо пропорциональна действующим напряжениям.

Основными количеств характеристиками способности ГП деформироваться под нагрузкой явл-ся модуль общей деформации Ео и коэфф поперечной деформации µ. Модуль общей деформации - это коэфф пропорциональности между напряжением и соответствующей ему относительной дефор­мацией породы. Он равен отношению сжимающего напряжения  к вызываемой им относительной деформации породы λ при сжатии в условиях без возможности бокового расширения породы: Ео = / λ

Коэффициент поперечной деформации µ (коэффициент Пуас­сонa) явл коэфф пропорциональности между поперечными и продольными относительными деформациями. Он равен от­ношению относител поперечного расширения λy к относительному продольному (вертикальному) сжатию λz: µ = λy / λz. Для песчаных и глинистых пород µ= 0,2-0,5. Среднее его зна­чение для различных типов пород: крупнообломочные породы ­0,27; пески и супеси - 0,30; суглинки - 0,35; глины - 0,42.

Полная деформация породы под внешней нагрузкой складывается из обратимой и необратимой деформаций. Обратимые деформации в песчаных и глини­стых породах в целом незначительны. Они возникают за счет сил уп­ругости как самих минеральных частиц породы, так и гидратных обо­лочек вокруг этих частиц. При этом толщина гидратных оболочек может уменьшаться, если уплотняющая нагрузка превышает сорбци­онные силы взаимодействия частиц породы с водой. Такие обратимые деформации, обусловленные изменением толщины гидратных оболо­чек, развиваются медленно, и их принято называть структурно-­адсорбционными. Медленные структурно-адсорбционные деформа­ции, развивающиеся под действием постоянных внешних нагрузок, называются ползучестью.

Необратимые (остаточные) деформации возникают в результате перемещения частиц породы друг относительно друга и нарушения структурных связей между ними, что сопровождается уменьшением пористости и увеличением плотности сложения породы. Такие де­формации принято называть структурными.

Процесс уплотнения глинистых пород под постоянной нагруз­кой называют консолидацией. Она зависит от ряда фак­торов: 1) Прочность структурных связей в породах, без нарушения ко­т деформация имеет упругий характер и протекает быстро. Консолидация начинается при нагрузке выше эффективной. 2) Водопроницаемость пород, влияющая на скорость их уплот­нения за счет выжимания воды из водонасыщенных пород. 3) Вязкость пород, от которой зависит скорость развития струк­турных и структурно-адсорбционных деформаций.

Скорость развития и затухания консо­лидации глинистых пород зависит от их фильтрационных свойств, поэтому первую фазу их уплотнения часто называют фильтрационной консолидацией. При этом основная часть консолидации любых глинистых пород (0,80-0,95 % полной деформации) связана именно с фильтрационной консолидацией, а остальная часть (вто­ричная консолидация) - с развитием ползучести, т. е. медленного уплотнения пород под постоянной нагрузкой. Сопротивление сдвигу характеризует способность песчаных и глинистых пород сопротивляться разрушению, т. е. их прочность. Разрушение породы наступает тогда, когда касательные напряжения под действием внешних сил превышают внутренние силы сопротив­ления. Прочность глинистых пород помимо внутренних сил трения определяется также силами сцепления частиц, или струк­турными связями. Последние в, свою очередь зависят от дисперсно­сти породы и ее влажности, минерального состава глинистой фрак­ции, плотности сложения, характера цементации и состава цемента. Таким образом, сопротивление сдвигу песчаных пород главным об­разом зависит от внутреннего трения, а глинистых - от трения и сцепления частиц.

Реологические свойства - это такие механические свойства глинистых пород, которые проявляются при изменении их напря­женного состояния во времени. Реологические свойства в глинистых породах проявляются в их способности медленно пластически де­формироваться при неизменном напряженном состоянии (ползу­честь), в уменьшении напряжения, необходимого для поддержания постоянной деформации породы (релаксация), и в способности снижать прочность при увеличении времени воздействия нагрузки (длительная прочность).

Для глинистых пород следует разли­чать обычную, стандартную и длительную прочности. Условно-мгновенная прочность характеризуется напря­жением, вызывающим разрушение при сравнительно быстром росте внешней нагрузки. Стандартная прочность соответствует напряже­нию при сравнительно медленном росте нагрузки. Длительная проч­ность характеризуется напряжением, которое вызывает разрушение через какой-то промежуток времени в процессе развития деформа­ции ползучести или когда деформация достигнет предельного значения.