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.

4.5.3 Метод испытания пород на срез

В песчаных и других рыхлых обломочных породах внутренними силами сопротивления сдвигу (разрушению) являются силы трения, возникающие при сдвиге части породы при взаимном перемещении слагающих ее частиц. Трение возникает внутри породы и называется внутренним трением. В связных (глинистых) породах внутренними силами являются еще и силы сцепления, т.е. силы структурных связей. Силы сцепления служат количественным выражением прочности структурных связей, действующих в объеме породы по поверхностям скольжения или в пределах зон скольжения.

Максимальное сопротивление пород сдвигу проявляется при гидростатическом равновесии, т.е. когда их влажность и плотность будут соответствовать действующей уплотняющей нагрузке и уплотнение достигнет стабилизации. Следовательно, прочность пород при сдвиге существенно зависит от режима испытания. Схемы испытания применяются следующие.

1. Испытание пород по схеме быстрого сдвига без предварительного уплотнения, при уплотняющих нагрузках, не превышающих структурной прочности пород, природной нагрузки или веса сооружений. Сдвигающее усилие передается равномерно и непрерывно до разрушения породы. Результаты испытания достаточно четко характеризуют природную прочность.

2. Испытания пород по схеме медленного сдвига после предварительного полного уплотнения - в условиях завершенной консолидации. Сдвигающая нагрузка передается ступенями в возрастающем порядке до разрушения. Новая ступень нагрузки прикладывается после завершения деформаций от предыдущей. Результаты испытаний характеризуют прочность пород при гидростатическом состоянии. Эта схема называется стандартной, она рекомендуется стандартом.

4. Испытание пород в условиях свободного оттока воды в течение опыта, или, как говорят, открытой системы. В этом случае обеспечивается полная консолидация породы от каждой ступени нагрузки. Эта схема выполнима только при медленном сдвиге.

5. Испытания пород в условиях невозможности оттока воды, т.е. в условиях закрытой системы. В этом случае не вся внешняя нагрузка является эффективной, так как часть ее воспринимается поровой водой. Эта схема выполнима при быстром сдвиге или при применении специальных приборов – стабилометров.

Выбор схемы испытаний пород на сдвиг определяется рядом конкретных условий. При исследованиях песков целесообразно применять главным образом срезные приборы, испытывать их при нагрузках, соответствующих природным или весу сооружений, без предварительного уплотнения, по схеме быстрого сдвига и, естественно, в условиях открытой системы. Испытания следует проводить на образцах естественного сложения либо при плотности, соответствующей естественным условиям залегания пород или определенно заданной.

Выбор схемы испытаний глинистых пород более труден. В этом случае надо учитывать их состав, особенно минеральный, физическое состояние, степень водонасыщенности, склонность к набуханию или к просадкам. Важно знать прочность структурных связей (эффективную нагрузку по компрессионным испытаниям), величину природной нагрузки, которую они испытывали, и предлагаемую нагрузку от сооружений.

Государственным стандартом при проектировании и строительстве всех видов зданий и сооружений рекомендуется схема 2, т.е. медленный сдвиг после плотного предварительного уплотнения. В этом случае целесообразно применять главным образом срезные пробы, испытания вести в условиях открытой системы под водой или при естественной влажности пород, при уплотняющих нагрузках, соизмеримых с величиной нагрузок, предполагаемых от веса сооружений, или природных. На стадиях предварительных исследований, когда важно иметь представление о природной прочности пород, целесообразно кроме схемы 2 использовать также схему 1. При проектировании сооружений на слабых глинистых водонасыщенных породах кроме основной схемы изучения сопротивления их сдвигу желательно такие породы исследовать в стабилометрах, в условиях закрытой системы при быстром и медленном темпе разрушения.

Таким образом, для определения прочности песчаных и глинистых пород по сопротивлению сдвигу одним из основных является метод испытаний в срезных приборах.

На рисунке 4.48 показана схема прибора Гидропроекта. Рабочая коробка прибора 4 состоит из двух частей: нижней неподвижной 4а и верхней подвижной 4б.

Рисунок 4.48 – Прибор Гидропроекта для испытания пород на сдвиг-срез: а – рабочая коробка; б – общий вид прибора

Для опыта обе части коробки скреплены шпильками 9. Смонтирована коробка в специальной ванне 5, установленной на металлической станине 2. Внутренняя плотность рабочей коробки имеет форму цилиндра. В этот цилиндр загружают образец испытуемой породы диаметром 50 или 70 мм и высотой 15-20 мм. В основании цилиндра находится пористый камень или металлическая пластина 12 с большим количеством отверстий диаметром 0,5 мм. Нормальное уплотняющее давление на породу передается дырчатым штампом 10, имеющим с верхней стороны углубление для стального шарика, на который опирается серьга 14. На серьгу через специальный рычаг с отношением плеч 1:5 подвешивают подвеску с грузом 1.

Для сдвига в плоскости наименьшего сопротивления обе части коробки 4 с помощью подъемных винтов 11 раздвигаются и создается зазор шириной 1-2 мм. Во избежание выдавливания породы зазор создается перед самым сдвигом. Уплотнение породы производится без зазора. Сдвигающее усилие передается с помощью тяги 6, двухступенчатого шкива 7 и загрузочного ведра 8. Регистрация деформаций породы при испытаниях (нормальных и сдвигающих) производится по индикаторам часового типа, закрепленным на кронштейнах 4. При испытаниях породы под водой в ванну 5 заливают воду.

Обработка результатов испытаний должна включать построение графиков зависимости деформации породы от сдвигающих усилий, построение диаграммы зависимости сопротивления породы сдвигу от нормальной нагрузки, установление параметров, характеризующих прочность пород (коэффициент внутреннего трения и сцепления), проверку правильности полученных результатов испытаний пород на сдвиг.

На рисунке 4.49 показан пример построения графиков развития деформаций под влиянием сдвигающих усилий. На этих графиках видно, что с увеличением нормальной уплотняющей нагрузки от σ₁до σ₂увеличивается и сопротивление пород сдвигу. Для каждой нормальной нагрузки σ₁, σ₂и σ₃на графиках отмечаются две характерные точки. Точка а отвечает сдвигающим усилиям, создающим первую значительную деформацию породы. Выше этой точки скорость развития деформации заметно увеличивается. Точка а на графиках не всегда отчетливо выделяется, но когда выделяется, то может служить контрольной для точки б, так как усилие, ей соответствующее, составляет 0,7 – 0,8 от усилия, соответствующего точке б. Точка б отвечает предельным максимальным сдвигающим усилиям, при которых наступает непрерывное смещение (деформация) породы по поверхности или вдоль зоны сдвига. Эта точка максимального сдвигающего усилия соответствует стадии разрушения породы. Сдвигающие усилия, отвечающие точкам б, принимаются как исходные при построении диаграмм зависимости сопротивления пород сдвигу от нормального уплотняющего давления.

Рисунок 4.49 – Графики развития деформаций под влиянием сдвигающих усилий: 1 – при приложении сдвигающих усилий ступенями; 2 – при непрерывном увеличении сдвигающих усилий с заданной скоростью; σ₁, σ₂, σ₃– нормальные уплотняющие нагрузки

Параметры: угол внутреннего трения , коэффициент внутреннего тренияи сцепление (зацепление)с– являются количественными показателями прочности пород. Они могут быть установлены по диаграммам и вычислены по результатам проведенных испытаний:

; (4.58)