2.1. Ознакомиться с механическими свойствами горных пород;

2.2. Вычислить угол внутреннего трения (tgφ) и удельное сцепление (С)

2.1 Изучение механических свойств грунтов

Механические свойства рыхлых обломочных пород. Механические свойства пород определяют их поведение в основании сооружений, в откосах выемок, карьеров, котлованов, в подземных сооружениях и т.п. Механические свойства пород зависят от совокупности их физических свойств и должны изучаться и оцениваться не изолировано, а в комплексе с учетом требований, предъявляемых к породам при проектировании и строительстве конкретных объектов. В строительной практике наибольшее значение имеют механические свойства рыхлых горных пород, которые распространены почти повсеместно. Строительство самых разнообразных объектов, в том числе и капитальных, приходится осуществлять преимущественно на глинах, суглинках, супесях и прочих рыхлых горных породах. Поэтому данные породы являются основным объектом изучения в строительных целях.

Следовательно, механические свойства песчаных и глинистых пород, как и любых других, характеризуются их деформируемостью и прочностью. Их выражают и оценивают деформационными и прочностными показателями: деформируемость — показателями сжимаемости (деформируемости), а прочность — сопротивлением сдвигу. Они позволяют прогнозировать осадки сооружений, определять устойчивость пород в их основании, а при конструировании фундаментов предельно использовать несущие способности пород.

Показатели, выражающие сопротивление пород сдвигу, дают возможность проектировать заложение откосов плотин, насыпей, дамб, выемок, бортов карьеров с минимальными земляными работами, определять устойчивость склонов и оползней, давление на ограждения и крепи подземных выработок, определять рациональное сечение и устойчивость подпорных стенок, бетонных плотин, подземных и многих других сооружений. Поэтому при проектировании сооружений изучению деформационных и прочностных свойств песчаных и глинистых пород необходимо уделять особенно большое внимание.

Сопротивление пород сжатию. Степень сжатия и уплотнения пород и явления, происходящие при этом в них, зависят от вида и структурных особенностей грунтов. Сжатие раздельнозернистых грунтов (песков, гравия, щебенки и т.п.) зависит от степени их плотности, гранулометрического состава и характера внешнего воздействия. При статическом давлении сжатие рассматриваемых грунтов незначительное. Поэтому как основания сооружений раздельнозернистые грунты вполне удовлетворительны. Взаимному перемещению минеральных частичек в раздельнозернистых грунтах оказывают сопротивление преимущественно силы трения, проявляющиеся по поверхности скольжения.

Если же на подобные грунты будут воздействовать динамические, знакопеременные нагрузки, то в зависимости от степени их плотности, а также от влажности, гранулометрического и минерального состава уплотнение их может быть значительным, что и необходимо заранее предугадывать.

Сопротивление сдвигу характеризует прочность песчаных и глинистых пород, т. е. их способность сопротивляться разрушению. Последнее проявляется в нарушении сплошности породы в результате смещения (сдвига) части породы по одной или нескольким поверхностям скольжения или вдоль зоны скольжения (ослабления). Разрушение породы наступает тогда, когда касательные напряжения превышают внутренние силы сопротивления.

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. Так как трение действует внутри породы, его принято называть внутренним трением. В связных (глинистых) породах внутренними силами кроме трения являются также силы сцепления, т. е. силы структурных связей. Сцепление служит количественным выражением прочности структурных связей, действующих в объеме породы, по поверхностям скольжения или в пределах зон скольжения.

Сжимаемость связных, или глинистых пород, преобладающих среди рыхлых грунтов, зависит от сочетания и взаимовлияния многих факторов: степени их дисперсности (гранулометрического состава), минерального состава, степени увлажнения, консистенции грунта, характера структурных связей (коагуляционные или конденсационные), характера и скорости приложения нагрузок и др.

Количественно влияние всех указанных факторов на степень сжатия глинистых пород точно еще не установлено, но качественно определенно точно, это и необходимо учитывать при инженерно-строительной оценке связных грунтов.

Сопротивление сжатию рыхлых пород в лабораториях определяется либо в приборах с жесткими стенками – одометрах, что исключает возможность бокового расширения образца грунта, либо в приборах в условиях трехосного сжатия – стабилометрах, в которых более правильно моделируется напряженное состояние грунтов и основания сооружений. В одометрах можно определить только коэффициент уплотнения, модуль общей деформации и коэффициент фильтрации. Испытания же в стабилометрах позволяют комплексно определять показатели механических свойств несвязных и связных грунтов: коэффициент уплотнения, модуль деформации, коэффициент бокового давления, коэффициент поперечного расширения (Пуассона), коэффициент внутреннего трения, сцепление и коэффициент фильтрации при заданном давлении.

Одометры иначе называются компрессионными приборами. В них образец грунта помещается в жесткую металлическую обойму. Сверху и снизу он покрыт пористыми пластинками, свободно пропускающими воду, отжимаемую из грунта при его сжатии. При испытании водонасыщенных грунтов одометр погружают в сосуд с водой, а если они не полностью водонасыщенные, то испытания проводят без погружения в воду. Давление на образец передается с помощью рычажного приспособления, на который устанавливается груз. Уплотнение фиксируется с помощью специального индикатора – мессуры, регистрирующего изменение высоты образца, что связано с уменьшением пористости грунта. Многочисленными опытами установлено, что каждому приданному на данную породу давлению соответствует определенная пористость, а при полном насыщении пор водой – и влажность. В настоящее время во всех лабораториях нашей страны принято деформацию образца в компрессорных приборах выражать в изменении их пористости при изменении давления, а не по изменению влажности. Связь между изменением пористости и давлением выражается логарифмической кривой (рис. 1), называемой компрессорной. Для графического построения компрессорной кривой на оси ординат откладывают значения коэффициента пористости ε , а на оси абсцисс – давление Р (кгс/см²).

Рис 1. Компрессионные кривые образцов.

1 – естественной структуры;

2 – нарушенной структуры

Важнейшими показателями механических свойств грунтов, получаемыми при компрессионных испытаниях, является коэффициент уплотнения или коэффициент компрессии, характеризующий изменение пористости, а тем самым и объема породы при изменении нагрузки. Для давлений, обычно встречающихся в строительной практике (1 – 5 кгс/см², редко больше), отрезок компрессионной кривой М – L (рис. 2) принимают за прямую и при этом допущении коэффициент уплотнения определяют по формуле:

,

Где Р₁, Р₂, ε₁ и ε₂ – нагрузки и соответствующие им коэффициенты пористости. Рис 2. Определение параметров

По значениям коэффициента уплотнения компрессионной кривой

грунты разделяются на несжимаемые (а < 0,01 см²/кгс),

слабосжимаемые (0,001 < а < 0,01 см²/кгс), среднесжимаемые (0,01 < а < 0,1 см²/кгс) и сильносжимаемые (а > 0,1 см²/кгс). Грунты несжимаемые и малосжимаемые являются надежным основанием для сооружений; при наличии в основании сооружений среднесжимаемых грунтов необходимо учитывать неравномерность осадок, что определяется расчетами. В соответствии с величиной неравномерных осадок принимают те или иные конструктивные решения. При использовании в качестве оснований сильносжимаемых грунтов в большинстве случаев требуется их искусственное укрепление.

По результатам компрессионных испытаний определяют модуль деформации (сжимаемости) по формуле:

,

Где ε₀ – коэффициент пористости грунта (рис. 2) в естественных условиях (начальный коэффициент пористости); μ – коэффициент Пуассона (поперечного расширения, берется обычно по табличным данным).

Коэффициент уплотнения и особенно модуль деформации являются важнейшими расчетными показателями, входя во все формулы, с помощью которых определяется осадка различных сооружений.

Сопротивление грунтов сдвигу. Изучение сопротивления грунтов сдвигающим усилиям имеет большое практическое значение для обоснованного определения несущей способности грунтов основания, оценки устойчивости откосов расчета давления горных пород на основание подземных выработок, расчета давления грунта на подпорные сооружения и других инженерных расчетов. Сопротивление сдвигу грунтов складывается из сопротивления трению твердых минеральных частиц по поверхности скольжения, что присуще преимущественно раздельно-зернистым (сыпучим) грунтам – пескам, отчасти супесям и сцепления, что присуще связным (глинистым) грунтам. Как уже указывалось, связные грунты имеют внутренние структурные связи между минеральными частицами - коагуляционные, конденсационные и отчасти кристаллизационное сцепление, что и обуславливает сопротивление этих пород сдвигу, величина которого в разных породах неодинаковая и зависит от гранулометрического и минерального состава, влажности грунтов, их физико-химических свойств и других факторов.

Трение в породах зависит от их гранулометрического состава, т. е. от размера слагающих частиц и обломков, степени однородности их состава, формы и окатанности частиц, плотности сложения и особенно действующего сжимающего давления. Чем порода более грубозерниста и неоднородна, сложена более угловатыми обломками и частицами и чем выше ее плотность, тем больше внутреннее трение. При прочих равных условиях внутреннее трение возрастает с увеличением уплотняющего давления.

Таким образом, внутреннее трение в породах зависит от ряда переменных факторов, по наиболее четко — от нормального уплотняющего (эффективного) давления. В механике горных пород эта зависимость кратко формулируется так: внутреннее трение в песчаных и глинистых породах есть функция нормального уплотняющего давления.

Силы трения действуют в любых обломочных и глинистых породах вследствие трения, возникающего между слагающими их частицами. Они тем больше, чем больше сжимающее давление. Максимальное внутреннее трение в таких породах проявляется при гидростатическом их состоянии. В песчаных породах гидростатическое равновесие при приложении давления наступает быстро, поэтому максимальное сопротивление сдвигу этих пород проявляется быстро в полной мере. В глинистых породах гидростатическое равновесие наступает замедленно. Внешнее давление вначале частично передается на воду, заполняющую поры породы, поэтому их сопротивление трению в этот момент меньше, а затем по мере отжатия излишней воды и рассасывания порового давления постепенно возрастает и при наступлении гидростатического равновесия достигает максимума. Следовательно, максимальное сопротивление разрушению таких пород, т. е. их прочность, проявляется не сразу, а по истечении некоторого времени.

Показатели сопротивления грунта сдвигу определяются по одной или двум заранее фиксированным в приборах плоскостям; путем раздавливания образцов при одноосном и трехосном сжатии; по углу естественного откоса. В практике лабораторных исследований нашей страны сопротивление грунтов сдвигу определяется преимущественно по одной плоскости сдвига, для чего существуют различные приборы различающиеся только конструктивно (ДОРНИИ, Маслова – Лурье и др.).

Рис 3. График зависимости сопротивления

грунтов сдвигу от вертикальной нагрузки:

1 – для связных грунтов; 2 – для несвязных грунтов

Результаты испытаний сопротивления грунтов сдвигу выражают в виде графика (рис. 3); на оси абсцисс откладывают нагрузки, а на оси ординат - соответствующие им сдвигающие усилия. Математически сопротивление грунтов сдвигу выражается уравнением К. Кулона:

Где τ – сопротивление сдвигу, кгс/см²; σ – нормальная нагрузка, кгс/см²; f – коэффициент внутреннего трения (f = tgφ, где φ – угол внутреннего трения);С – постоянная величина.

Уравнение показывает, что суммарное 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 τ = С для достижения сдвига. Силу С, сопротивляющуюся сдвигу при отсутствии внешней нагрузки, называют сцеплением. Коэффициент внутреннего трения f и сцепление С являются важнейшими прочностными показателями и точное определение их – одна из основных задач при инженерно-геологических исследованиях.

В несвязных, бесструктурных, раздельнозернистых грунтах силы сцепления ничтожны и применяемыми в практике приборами не улавливаются, а поэтому приравниваются нулю. Для подобных грунтов зависимость между сдвигающими и нормальными напряжениями при сдвиге выражается более простым уравнением:

Графически эта зависимость изображается прямой, проходящей через начало координат (рис. 3). В чистых песках приближенно величина угла внутреннего трения соответствует углу естественного откоса, т.е. углу, при котором неукрепленный откос песчаного грунта устойчив, или углу, образуемому свободно насыпаемым песком. Угол естественного откоса определяется в воздушносухом состоянии и под водой в приборах, конструкция которых излагается в специальных руководствах.

Сцепление присуще главным образом связным глинистым породам. Оно обусловлено действием структурных связей (молекулярных, ионных, ковалентных, водородных, магнитных) между частицами и агрегатами, слагающими породу. Эти связи могут быть тиксотропно-коагуляционными и кристаллизационно-конденсационными (цементационными), непрочными (пластичными) или прочными (жесткими), упругими, водоустойчивыми или водонеустойчивыми. В зависимости от природы и характера структурных связей глинистые породы обладают той или иной прочностью. Факторами, существенно влияющими на прочность структурных связей пород, являются их дисперсность, минеральный состав тонкодисперсной части, плотность сложения, влажность, состав цементирующего вещества и характер цементации, степень нарушенное™ естественного сложения.

Из изложенного следует, что сопротивление сдвигу песчаных пород зависит главным образом от трения, а глинистых — от трения и сцепления. Важно заметить, что сопротивление сдвигу различно не только у разных пород, но также и у одной и той же породы оно может значительно изменяться с изменением ее физического состояния или других факторов. Например, хорошо известен факт наиболее частого нарушения устойчивости горных пород на склонах и в откосах и образование оползней в периоды интенсивного их увлажнения атмосферными, поверхностными и подземными водами. В эти периоды горные породы становятся тяжелее, изменяется их физическое состояние (консистенция) и соответственно резко снижается сопротивление сдвигу. В засушливые периоды года те же породы находятся в устойчивом состоянии. Это показывает, что изучать и оценивать сопротивление пород сдвигу надо применительно к определенным условиям, выявляя при этом причины, которые могут оказать влияние на его снижение.

Основные уравнения и параметры, характеризующие сопротивление пород сдвигу. Как отмечено выше, сопротивление сдвигу песчаных и глинистых пород зависит от ряда факторов, но главным образом от нормального уплотняющего давления. В этом проявляется одна из характернейших закономерностей механических свойств песчаных и глинистых пород