8.5.2. Определение показателей прочности и деформируемости скальных грунтов

Для установления прочности на одноосное сжатие для пород с пределом прочности при одноосном сжатии не менее 5 МПа применяют одноосное сжатие образцов правильной формы плоскими плитами; для пород с пределом прочности при одноосном сжатии от 10 до 150 МПа проводят разрушение образцов-плиток плоскими соосными пуансонами [22]. Определения характеристик прочности и деформируемости скальных грунтов проводятся применительно к расчетам и проектированию подземных сооружений, свай-стоек, горных работ и оборудования, изысканиях при разработке месторождений полезных ископаемых, при проведения исследовательских испытаний.

Скальные породы разрушаются различным образом в зависимости от температуры и давления. При низкой температуре и высокой скорости деформирования скальные породы показывают хрупко-упругое поведение. Они деформируются упруго до напряжений около 70 % предела прочности, затем трещины распространяются в большом объеме и скальная порода разрушается с образованием магистральной трещины или поверхности скола. При небольшом всестороннем давлении, соответствующей малой глубине залегания грунтов или вблизи свободной поверхности, разрушение сопровождается образование вертикальной раскалывающей трещины (схема 1, на рис. 8.55, а)). При большом всестороннем давлении на глубине наблюдается образование одной плоскости сдвига (схема 2, на рис. 8.55, а) в нагружаемом образце породы. При очень большом всестороннем давлении разрушение сопровождается образованием сети наклонных полос сдвига (схема 3, на рис. 8.55, а).

При низких скоростях деформирования, повышенных температурах и очень высоком всестороннем давлении на графике зависимости напряжение – деформация невозможно обнаружить максимум напряжений, показывающий состояние разрушения. Образцы показывают непрерывное деформирование с упрочнением характерное для вязкопластичных материалов. Вязкопластичное деформирование сопровождается образованием бочкообразной формы деформации образца. Переход от хрупко-упругого поведения к вязкопластичному возникает при увеличении давления, температуры или порового давления. Для большинства скальных пород это переход происходит при давлениях и температурах не характерных для реальных конструкций и условий. Однако, для некоторых глинистых сланцев, известняков (мел) и каменной соли, поташа, гипса и др., залегающих вблизи поверхности также характерно вязкопластичное поведение даже при обычной температуре [5].

В

Рис. 8.55. Прочность на одноосное сжатие скальных грунтов: а) зависимость деформации от напряжения для скальных грунтов, б) упругие деформации и деформации ползучести: А, Б, С – Упругое деформирование, Д – пик прочности, Е – длительная прочность, в) стадии деформации ползучести [5]

стандартных испытаниях на прочность образцов скального грунта осевые напряжения постепенно возрастают до его разрушения. Скальные грунты также могут деформироваться при постоянном уровне напряжений, это процесс деформации называется ползучестью. Ползучесть зависит от времени при постоянном напряжении и в скальных грунтах связана с распространением трещин (рис. 8.55, б). Стандартные испытания показывают возрастание деформации пропорционально приложенному напряжению до пиковой прочности, при которой образец скальной породы разрушается. В испытаниях на ползучесть напряжения быстро увеличиваются и сохраняются постоянными до разрушения. Деформация соответствующая пиковой прочности обычно меньше деформации при ползучести.

Кривая зависимости деформации от времени для испытаний на ползучесть скальных грунтов имеет характерные участки (рис. 8.55, в): упругая деформация возникает в начале, когда приложена мгновенная нагрузка, первичная ползучесть идет когда снижается скорость деформации, вторичная ползучесть характеризуется медленнными деформации. В конце этой стадии деформации резко возрастают и материал разрушается – проходит стадия прогрессирующей ползучести. В течение первой фазы ползучести материал приспосабливается к приложенному напряжению и трещины распространяются медленно к устойчивому состоянию, почти при постоянной скорости. В течение установившейся вторичной стадии ползучести материал разрушается все больше и больше с ростом новых трещин и раскрытием старых, в третьей стадии неконтролируемый рост трещин приводит к разрушению образца [5].

При испытании скальных грунтов устанавливаются следующие показатели:

• предел прочности на одноосное сжатие R_с, МПа,

• модуль упругости Е, МПа,

• коэффициент Пуассона ν.

Для установления порочности на одноосное сжатие применяют следующие методы [22]:

1. одноосное сжатие образцов правильной формы плоскими плитами (породы с пределом прочности при одноосном сжатии не менее 5 МПа);

2. разрушение образцов-плиток плоскими соосными пуансонами (породы с пределом прочности при одноосном сжатии от 10 до 150 МПа).

Метод одноосного сжатия образцов правильной формы плоскими плитами [22]. Сущность метода заключается в измерении максимального значения разрушающего давления, приложенного к плоским торцам правильного цилиндрического образца через плоские стальные плиты.

Для испытания применяют: станок обдирочно-шлифовальный с плоским чугунным диском, вращающимся вокруг вертикальной оси, или станок плоскошлифовальный; машины испытательные или прессы, максимальное усилие которых не менее чем на 20–30 % превышает предельную нагрузку на образец; плиты стальные толщиной не менее 0,3 диаметра d (стороны квадрата) образца и диаметром, на 3–5 мм превышающим диаметр (диагональ квадрата) образца, устройства установочные (рис. 8.56), оснащенные сферическим шарниром (применяют при отсутствии на испытательной машине верхней подвесной сферической плиты), шлифпорошок.

Условные обозначения 1 – накладная пята; 2 – подкладная пята; 3 – верхняя плита; 4 – обойма; 5 – образец; 6 – нижняя плита

Рис. 8.56. Схема установочного устройства для испытаний на сжатие образцов плоскими плитами

Размеры и объем проб должны обеспечивать изготовление образцов необходимой численности, размеров и ориентировки относительно направления слоистости; допускается производить консервацию проб негигроскопических пород с заменой марли, битуминированной бумагой, полиэтиленовой пленкой или другими водонепроницаемыми материалами, не взаимодействущими с горной породой.

При отборе проб гигроскопических пород (каменные соли, аргиллиты и т.п.) дополнительно отбирают несколько кусков размером не менее 30´30´10 мм и общей массой не менее 200 г для определения исходной влажности пробы. Куски дробят до частиц размером менее 10 мм и сразу же помещают в бюксы, которые для надежной герметизации обматывают клейкой лентой. Исходную влажность фиксируют в паспорте пробы.

Для испытания изготовляют цилиндрические или призматические (с квадратным поперечным сечением) образцы, которые изготовляют выбуриванием или выпиливанием на камнерезной машине из штуфов и кернов, их торцевые поверхности шлифуют на шлифовальном станке. Образцы из гигроскопических пород изготовляют без применения промывочной жидкости и до начала испытания хранят в эксикаторе. Из слоистых горных пород, или из пород с направленной трещиноватостью, изготовляют образцы, одинаково ориентированные относительно направления слоистости (трещиноватости). Размеры образцов должны соответствовать размерам, указанным в табл. 8.66.

Таблица 8.66

Размеры образцов при массовых и сравнительных испытаниях

Параметр образца	Размеры, мм, при испытаниях
	массовых		сравни-тельных
	предпочтительные	допускаемые
Диаметр (сторона квадрата)	42±2	От 30 до 80 включ.	42±2
Отношение высоты образца к его диаметру	От 1,0 до 2,0	От 0,7 до 2,0	2±0,05

Образцы одной выборки должны иметь одинаковые размеры. Допускаются отклонения расчетных значений диаметра d_i и высоты h_i каждого образца от их средних арифметических значений и по всем образцам выборки: по диаметру до 1 мм и по высоте до 2 мм. Количество образцов при массовых испытаниях должно быть не менее 6, при сравнительных испытаниях должно быть не менее 10.

Образец, в зависимости от наличия или отсутствия на испытательной машине подвесной сферической плиты, размещают соответственно либо только между стальными плитами, либо в установочном устройстве (рис. 8.56), совмещая ось образца с центром нижней опорной плиты испытательной машины, нагружают равномерно до разрушения со скоростью 1–5 МПа/с. Записывают максимальную величину разрушающей образец силы Р в килоньютонах, с указанием отношения m = h/d для образца.

При необходимости определяют влажность пробы непосредственно в момент испытания. Для этого дробят обломки образцов до частиц размером менее 10 мм, помещают в бюксы и взвешивают. Дробленую породу помещают в бюксы не позже чем через 10 мин, а взвешивают не позже чем через 30 мин после испытания.

Значение предела прочности при одноосном сжатии в МПа для каждого i^–го образца выборки вычисляют по формуле

,

где Р – разрушающая образец сила, кН; S – площадь поперечного сечения образца, см²; К_в – безразмерный коэффициент высоты образца, равный 1,00 при отношении высоты к диаметру m = 2 ± 0,05. Для других значений отношения m коэффициент К_в устанавливают по табл. 8.67.

Вычисления производят с точностью: площади поперечного сечения образца – до 0,01 см², округляют – до 0,10 см²; частных значений и среднего значения отношения m – до 0,10; частных значений и среднего арифметического значения, а также среднего квадратического отклонения предела прочности при одноосном сжатии – до 0,01 МПа, при этом значения менее 10 МПа оставляют без изменения, значение от 10 до 100 МПа округляют до 0,10 МПа, а значение более 100 МПа – до 0,50 МПа; значений коэффициента вариации – до 0,01.

Таблица 8.67

Значения коэффициентаּК_в

m	0,70	0,80	0,90	1,00	1,20	1,40	1,60	1,80	2,00
Кв	0,68	0,72	0,76	0,80	0,86	0,90	0,94	0,97	1,00

Метод разрушения образцов-плиток плоскими соосными пуансонами [22]. Сущность метода заключается в измерении максимальной разрушающей силы, приложенной к торцам образца через стальные плоские встречно и соосно направленные пуансоны. Метод предложен в 1960 г. Г.Н. Кузнецовым и Б.В. Матвееевым для массовых исследований.

Для проведения испытания применяют (кроме приборов перечисленных в первом способе): устройство нагрузочное (рис. 8.57) или любой другой конструкции, устанавливаемое на опорную плиту испытательной машины, обеспечивающее встречно-соосное приложение нагрузки к торцам образца через стальные пуансоны диаметром 11,27 мм (либо пуансоны диаметром 7,98 мм) с плоскопараллельными торцевыми поверхностями.

Для испытания изготовляют образцы-плитки в виде дисков. Допускается изготовлять образцы-плитки неправильного очертания в плане с необработанными боковыми поверхностями при условии, что контуры их торцов и боковых поверхностей позволяют вписать диск необходимого размера. Образцы должны иметь диаметр от 30 до 100 мм; высоту – от 10 до 12 мм (для пород с пределом прочности при одноосном сжатии не более 120 МПа) либо от 7,5 до 8,5 мм (для пород с пределом прочности при одноосном сжатии свыше 100 МПа). Количество образцов должно быть не менее 6.

Образец размещают между пуансонами нагрузочного устройства (рис. 8.57), установленного в центре опорной плиты испытательной машины (пресса), совмещая центр диска с осью нагружения. Образец нагружают через пуансоны равномерно до разрушения со скоростью 0,1 – 0,5 кН/с. Записывают максимальную величину разрушающей образец силы Р в килоньютонах, зафиксированную силоизмерителем испытательной машины, с указанием отношения m = h/d для образца. При необходимости определяют влажность пробы непосредственно в момент испытания.

Значение предела прочности при одноосном сжатии в МПа для каждого образца вычисляют по формуле 8.25, где S₀ – условная площадь поперечного сечения образца, см², выбираемая по табл. 8.68.

Таблица 8.68

Условная площадь поперечного сечения образца

Диаметр образца: (диска), мм	30	40	50	60	70	80	90	100
Условная площадь S0, см2:
при пуансоне диаметром 11,27 мм	1,52	1,79	2,03	2,26	2,50	2,72	2,94	3,16
при пуансоне диаметром 7,89 мм	0,90	1,06	1,23	1,39	1,56	1,72	1,89	2,05

Условные обозначения: 1 – верхний шток; 2 – образец; 3 – пуансон; 4 – вкладыш; 5 – нижний шток; 6 – корпус

Рис. 8.57. Схема нагрузочного устройства для разрушения образцов-плиток

Условная площадь поперечного сечения образца получена экспериментально и в неявной форме отражает зависимость между пределом прочности породы при одноосном сжатии и прочностью породы в условиях всестороннего сжатия в объеме, заключенном непосредственно между пуансонами и окружающей этот объем породной матрицей [22].

Крепость скальных пород оценивают коэффициентом крепости (f) – условной характеристикой сопротивляемости разрушению породы по формуле: f = R_c/100.

Сопротивление породы сжатию зависит от минералогического состава, текстуры, структуры, характера цемента и степени выветрелости. Структурно-текстурные особенности грунтов являются самым важным внутренним фактором, определяющим величину временного сопротивления сжатию. При испытаниях на одноосное сжатие наибольшие значения R_c (при прочих одинаковых условиях) будут характерны для скальных грунтов с проч­ими фазовыми (цементационными и кристаллизационными) контактами, а наименьшие – для грунтов со смешанными или переходными (точечными) контактами. При этом характер диаграммы «нагрузка-деформация», а также тип деформирования будет различным для хрупких, хрупко-пластичных и пластичных грунтов.

У различных типов скальных грунтов прочность на одноосное сжатие меняется в широких преде­лах: наибольшая у магматических и метаморфических грунтов, а наименьшая у осадочных скальных грунтов и выветрелых разностей (табл. 8.69).

Таблица 8.69

Временное сопротивление сжатию основных типов скальных грунтов [50]

Группы скальных грунтов	Подгруппы и типы грунтов		Временное сопротивление сжатию Rс МПа
Магматические	Интрузивные:	граниты диориты сиениты габбро	80–380 140–310 100–220 190–320
	Эффузивные:	порфириты андезиты базальты	130–260 80–260 90–460
Метаморфические	Кварциты железистые Скарны Сланцы песчанистые Сланцы глинистые		220–380 180–270 12–89 7–87
Осадочные	Доломиты		12–150
	Известняки:	кремнистые хемогенные глинистые	140–240 5–95 24–35
	Песчаники Алевролиты Аргиллиты		5–150 12–40 16–51

Дисперсность грунтов также оказывает сильное влияние на параметры прочности. С ростом дисперсности (уменьшением размера частиц, зерен, кристаллов и др.) в еди­нице объема грунта увеличивается число контактов между структурными эле­ментами, вследствие этого увеличивается и прочность структуры в целом. По­этому, мелкозернистые и мелкокристаллические скальные грунты всегда имеют большие значения прочности на сжатие, чем их крупнозернис­тые или крупнокристаллические разности при прочих одинаковых условиях. Наибольшей прочностью характеризуются равнозернистые и мелкозернистые кристаллические породы – базальты, кварциты и др.

Большое влияние на прочность оказывают однородность структуры. Наличие в структуре грунта неоднородностей различного порядка, представленных дефектами кристаллов, микротрещинами, пустотами, порами и другими фор­мами, приводит к снижению прочности на сжатие, так как любая неодно­родность может стать «зародышем» магистральной трещины или поверхности разрушения. Поэтому наибольшей прочностью на сжатие при прочих одинаковых условиях обладают скальные грунты с наиболее однородной, «бездефектной» структурой. Такая структура характерна для многих равномерно зернистых разностей магматических (например, гранитов) и метаморфических грунтов (мраморов, кварцитов и др.), а также многих типов осадочных скальных грунтов (хемогенных известняков, доломитов, песчаников, алевролитов аргиллитов). Все эти грунты с однородной структурой, как правило, отличаются более высокими прочностными характеристиками по сравнению с их неоднородными разностями.

Состав и количество жидкости влияет на удельную поверхностную энергию скального грунта и тем самым влияет на величину работы, совершаемой по разрыву структурных связей, поэтому контакт твердой фазы грунта с поверхностно-активной средой (жидкостью или газом) приводит к снижению прочности (эффект Ребиндера). В грунтах такой поверхностно-активной средой чаще всего является вода и водные растворы. Вода, внедряясь по порам и микротрещинам в глубь грунта, ослабляет струк­турные связи и увеличивает дефектность структуры грунта в целом и в результа­те этого любой водонасыщенный грунт всегда имеет более низкую прочность. чем тот же грунт в сухом состоянии.

Пористость и трещиноватость грунтов, являясь элементами их неоднород­ностей, влияют на значения параметров прочности однозначно: чем больше пористость и трещиноватость грунта, тем ниже значения его временного со­противления сжатию. Поскольку с увеличением степени выветрелости грун­тов обычно увеличивается их и трещиноватость, то при этом снижаются и их прочностные показатели. Выветрелые разности любых грун­тов всегда имеют более низкую прочность на одноосное сжатие [50].

Для предварительной оценки оснований, сложенных из элювиальных магматических пород и осадочных сцементированных пород допускается использовать значения предела прочности на одноосное сжатие в водонасыщенном состоянии R_c грунтов, приведенные в табл. 8.70–8.71.

Таблица 8.70

Средние значения физических характеристик и предела прочности на одноосное сжатие R_c элювиальных магматических пород

Разновидность элювиальных грунтов по степени выветрелости	Характеристики элювиальных скальных грунтов магматических пород
	Плотность , г/см3	Коэффициент пористости е	Rc, МПа	Степень размягчаемости в воде
Слабовыветрелые	Более 2,7	Менее 0,1	Более 15	Неразмягчаемые
Выветрелые	2,5 <   2,7	0,1 е 0,2	5  Rc  15	Практически неразмягчаемые
Сильновыветрелые	2,2 < r  2,5	Более 0,2	Менее 5	Размягчаемые

Определение деформационных показателей скальных грунтов [40]. Сущность метода заключается в измерении сжимающей силы, приложенной к торцам образца, продольных и поперечных деформаций его, вызванных этой силой. Метод предусматривает знание или определение предела прочности при одноосном сжатии испытываемой породы. Деформационные характеристики горных пород следует определять в диапазоне требуемых напряжений, при этом диапазон напряжений от 5 до 50 % от предела прочности при одноосном сжатии является обязательным.

Испытания образцов проводят для определения зависимостей «напряжение – деформация» и следующих деформационных характеристик горных пород с пределом прочности при одноосном сжатии не менее 5 МПа:

• модуля упругости Е, МПа;

• коэффициента Пуассона μ;

• модуля деформации Е₀ МПа;

• коэффициента поперечной деформации ν.

Таблица 8.71

Значения предела прочности на одноосное сжатие элювиальных осадочных сцементированных пород

Степень выветрелости Kwr	Значения Rc, МПа, для элювиальных осадочных скальных грунтов
	Аргиллиты и алевролиты	Песчаники с преобладанием цемента
		глинистого	карбонатного
1 > Kwr  0,95	12–20	30–50	50–95
0,95 > Kwr  0,9	8–12	15–30	30–50
0,9 > Kwr  0,85	5–8	7,5–15	10–30
0,85 > Kwr  0,8	2,5–5,0	5,0–7,5	5–10
Kwr менее 0,8	Менее 2,5	Менее 5	Менее 5

Для определения пределов прочности горных пород применяют: установку колонкового бурения или станок вертикально-сверлильный по или радиально-сверлильный для выбуривания образцов из проб горных пород; машину камнерезную, снабженную отрезными алмазными кругами диаметром не менее 250 мм; стойку с индикатором часового типа; пресс с гидравлическим приводом или универсальную испытательную машину мощностью на 20–30 % превышающей разрушающую силу; индикаторы многооборотные с ценой деления 0,001 мм или индикаторы часового типа с ценой деления 0,01; тензорезисторы – для измерения относительных деформаций; тензометры обеспечивающие измерение продольных и поперечных деформаций образцов с погрешностью не более 2 %; приборы и устройства, обеспечивающие точность измерения регистрации относительных деформаций и нагрузок не менее 2 %, клей для наклейки тензорезисторов.

Для испытания изготовляют цилиндрические или призматические (с квадратным сечением) образцы. Образцы вырезают на камнерезной машине из штуфов или кернов, их торцевые поверхности шлифуют; при необходимости шлифуют боковые поверхности. Образцы из гигроскопических пород изготовляют без применения промывочной жидкости и до начала испытания хранят в эксикаторе. Размеры образцов должны соответствовать следующим требованиям: диаметр d (сторона квадрата a) при массовых испытаниях от 30 до 90 мм (h:d= 2,0 ± 0,1), при сравнительных испытаниях 42±2 мм, (h:d=2,00±0,05). Диаметр (сторона квадрата) образцов должен быть не менее 10–кратного линейного размера зерен (неоднородностей), слагающих породу. Измерения производят штангенциркулем с погрешностью не более ± 0,1 мм. Количество образцов при сравнительных испытаниях должно быть не менее 5, при массовых испытаниях – не менее 3. Образцы должны иметь одинаковые размеры, допускается отклонение значений диаметра (сторон квадрата) каждого образца от среднего арифметического не более ± 1 мм и высоты не более ± 3 мм.

Количество чувствительных элементов датчиков деформаций, закрепляемых на образце, должно быть не менее двух для каждого вида деформаций (рис. 8.58). Их располагают равномерно по периметру в средней по высоте части боковой поверхности образца без наложения друг на друга. Для измерения поперечных деформаций должны применяться только фольговые тензорезисторы. Образец, оснащенный датчиками деформаций, устанавливают на испытательной машине (прессе), датчики деформаций подключают к регистрирующей аппаратуре.

Образец нагружают до начального напряжения σ₀ (напряжения пригрузки), составляющего 5 % от предела прочности при одноосном сжатии (σ₀ = 0,05R_с). Значения деформаций при напряжении σ₀ принимают за условный ноль отсчета деформаций. Индикаторы часового типа устанавливают в положение нулевого отсчета с натягом на 1–2 оборота большой стрелки.

Деформации образца регистрируют не менее чем при десяти значениях напряжения сжатия в процессе нагружения до максимального заданного значения и при последующей разгрузке до σ₀ регистрируют деформации также не менее чем при десяти значениях напряжения.

При дискретной записи отсчетов интервал времени между отсчетами не должен превышать 10 с при нагружении и разгрузке образца. Продолжительность остановки при переходе от нагружения к разгрузке не должна превышать 30 с.

Значения нагрузок Р, зафиксированные силоизмерителем испытательной машины (пресса), и соответствующие им показания приборов для деформаций (продольных ε₁ и поперечных ε₂) записывают в журнал испытаний. При необходимости определяют влажность испытанного образца.

Рис. 8.59. Зависимости напряжений σ –от деформаций ε

По результатам испытаний строят графики зависимостей «напряжение σ – деформация ε» (рис. 8.59), на которых каждому зафиксированному уровню напряжений σ₀, σ_н, σ_к, σ_т соответствуют относительные деформации образца: продольные при нагружении ε₁₀, ε_1н, ε_1к, ε_1т и при разгрузке – ε₁₀’, ε_1н’, ε_1к’, ε_1т’; поперечные нагружении ε₂₀, ε_2н, ε_2к, ε_2т и при разгрузке – ε₂₀’, ε_2н’, ε_2к’, ε_2т’ [40].

Модуль деформации Е и коэффициент поперечной деформации в заданном диапазоне напряжений (σ_н–σ_к) определяются по нагрузочным ветвям зависимостей σ–ε по формулам 8.4 и 8.5. Модуль упругости и коэффициент Пуассона определяются в этом же диапазоне напряжений по разгрузочным ветвям зависимостей σ–ε по этим же формулам.

При использовании тензометров, измеряющих абсолютные деформации, рассчитывают относительные деформации образца по формулам: ε₁=Δl/l, ε₂=Δd/d (Δа/а), где l – база измерения продольных деформаций образца, мм; Δl изменение базы при изменении нагрузки на образец, мм; d(a) – диаметр (сторона квадрата) образца, мм; Δd/Δа изменение диаметра (стороны квадрата) при изменении нагрузки на образец, мм.

Обработку результатов испытаний n образцов производят в следующем порядке. Вычисляют до второй значащей цифры средние арифметические значения по пробе для Е₀, ν, μ, Е, их средние квадратические отклонения и коэффициенты вариации, разделив средние квадратические отклонения на средние арифметические значения.

Упругость скальных грунтов. Скальные грунты сразу после приложения нагрузки в значительном диапазоне напряжений проявляют упругие свойства, поэтому для характеристики их деформационных свойств в основном используют модуль упругости (Е) и коэффициент Пуассона (ν). На величину значений показателей деформационных свойств скальных грунтов оказывает влияние не только способ испытаний грунтов, но и особенности их состава и строения. Диапазон изменения упругих констант у скальных грунтов основных типов приведен в табл. 8.72, из которой следует, что среди магматических интрузивных грунтов наибольшая упругость характерна для основных и ультраосновных разностей (оливинитов, перидотитов и пироксенитов): чем при больших давлениях образовалась порода, тем выше ее упругие характеристики.

Среди магматических эффузивных и метаморфических скальных грунтов при прочих одинаковых условиях наибольшая упругость отмечается у наиболее однородных и нетрещиноватых грунтов. Среди осадочных скальных грунтов наибольшей упругостью обладают песчаники с кварцевым и железистым цементом, содержащие магнетит и гематит, имеющие высокие упругие константы.

Влияние минерального состава на упругие свойства грунтов наиболее сильно проявляется при сравнении мономинеральных грунтов или при сравнении низкопористых скальных грунтов. Наличие в грунте слюдистых минералов, также гипса, серпентина понижает упругие характеристики грунта, тогда как примесь темноцветных минералов, жадеита и корунда повышает их.

Другим важным фактором, влияющим на деформационные свойства скальных грунтов, являются их структурно-текстурные особенности. Для пористых трещиноватых скальных грунтов определяющим фактором их упругости является величина пористости и трещинной пустотности Увеличение пористости и трещинной пустотности (например, при выветривании) во всех типах скальных грунтов приводит к снижению величины их упругих характеристик.

Величина коэффициента Пуассона для всех скальных грунтов увеличи­вается с водонасыщением грунта (при статических и динамических определе­ниях). Из табл. 8.72 также следует различие величин модулей упругости и коэффициентов Пуассона скальных грунтов.

Магматические и особенно метаморфические скальные грунты проявля­ют анизотропию упругих свойств – зависимость величины упругих парамет­ров от направления деформирования, а точнее от степени ориентации струк­турных элементов (текстуры). Наименьшей анизотропией характеризуются изверженные грун­ты с массивной текстурой, а наибольшей – метаморфические грунты с ориен­тированной текстурой – гнейсы, сланцы, а также осадочные грунты со слои­стой текстурой. Модуль деформации в направлении, параллельном слоистости, всегда выше, чем в направлении перпендикулярном слоистости.

Существенное влияние на упругие характеристики скальных грунтов ока­зывает характер заполнителя пор и трещин. Воздушно-сухие грунты имеют более низкие значения динамических упругих констант чем водонасыщенные, так как воздух не обладает упругостью по сравнению с водой, по этой же причине трещиноватые скальные грунты с минераль­ным заполнителем обладают большей упругостью, чем без заполнителя. Ста­тические же модули упругости Е грунтов, наоборот, снижаются при водонасыщении образцов, так как вода обусловливает некоторое проявление грунтами пластических свойств. Причем влияние водонасыщения на упругие константы тем больше, чем выше пористость и трещиноватость грунта.

Таблица 8.72

Деформационные свойства скальных грунтов [50]

Грунт	Модуль упругости Е, ГПа	Модуль сдвига G, ГПа		Коэффициент Пуассона ν
Магматические интрузивные грунты
Граниты Сиениты Габбро Диабазы Перидотиты	39–78,0 60–65 86–105 21–120 152–160	12–29,2 24–26 40–46 11–48 60–62		0,12–0,29 0,22 0,24 0,26–0,32 0,23–0,260
Магматические эффузивные грунты
Андезитовые порфириты Базальты Туфобрекчии Туфы пепловые	47–73 3–69 23–63 5–30	20–30 1,9–33 11–28 1–17		0,17–0,24 0,10–0,25 0,15 0,14–0,19
Метаморфические грунты
Гнейсы Скарны Кварциты Сланцы песчано-глинистые	39–105 67–130 75–95 5–75	18–47 32–49 37–45 2–31	0,11–0,28 0,16–0,24 0,14 0,1–0,39
Осадочные сцементированные грунты
Известняки глинистые Доломиты Мергели	0,3–12 3–43 1,1–6,0	0,14–5,9 4,1–19 0,9–2,8	0,26–0,30 0,25–0,31 0,28–0,31
Песчаники: кварцитовые карбонатные глинистые Алевролиты	18–68 0,4–29 0,6–28 7–30	22–46 0,19–0,45 0,3–12,8 3,3–14,5	0,09–0,19 0,23–0,24 0,18–0,30 0,20–0,30

Величина упругих констант зависит также и от масштабного фактора, т. е. от объема испытываемого грунта. Чем больше объем, тем больше в нем веро­ятность нахождения различных дефектов (пор, трещин и др.) и выше их плот­ность, с ростом объема испытываемого грунта снижаются величины упругих констант.

Из внешних факторов, влияющих на упругие константы, основное значе­ние имеет температура грунта. Установлено, что для всех типов скальных грунтов с ростом температуры растет проявление пластических и уменьшается проявление упругих свойств, поэтому при нагревании скальных грунтов величины упругих констант закономерно снижаются [50].