title-icon Статьи о ремонте
title-icon
» » Механические свойства глинистых породах

Механические свойства глинистых породах

Основные параметры механических свойств глинистых пород получают путем испытаний на сжатие в условиях отсутствия бокового расширения (компрессия) и при наличии этих условий и испытаний на сдвиг.
Компрессионные испытания проводятся в специальных приборах — одометрах, принципиальная схема устройства которых показана на рис. 24. Образец породы помещают в металлическую обойму между двумя пористыми пластинками. При последовательном нагружении верхней пластинки порода сжимается, а поровая вода выжимается через пористые пластинки наружу. Во избежание набухания образца породы после впуска воды верхняя пластинка закрепляется арретирами. Деформацию сжатия породы определяют с помощью микрометра. Полученные данные о деформациях на различных ступенях нагружения наносят на график в координатах е—р (рис. 25) и получают кривую сжатия (компрессионную диаграмму).
Если глинистая порода полностью насыщена водой, т. е. находится в состоянии грунтовой массы, сжатие такой породы возможно только при условии оттока воды из породы. Поэтому скорость завершения процесса сжатия на любой ступени нагружения зависит от водопроницаемости породы и толщины ее слоя (или образца).


При разгрузке сжатый до этого образец породы начинает набухать. Однако восстановление первоначального объема происходит не в полной мере, а только частично. Как уже было показано, процесс набухания имеет осмотическую природу. Механическую схему осмотического втягивания можно представить в виде схемы (рис. 26). Предположим имеются две частицы 1 и 2, сближенные на такое расстояние, когда между ними начинают действовать молекулярные силы притяжения. Рыхлосвязанная вода между ними частично выдавлена силами р (внешней нагрузкой). В точке b молекулы воды испытывают притяжение как верхней, так и нижней частиц. Величины сил притяжения изображены векторами b—q и b—i. Равнодействующая их b—f ориентирована в направлении, противоположном направлению выдавливания воды внешней силой р. Поэтому равнодействующая сила b—f стремится вклинить слой молекулярно связанной воды и раздвинуть частицы. Расклинивающее действие тонких слоев воды лежит в основе набухания глинистых пород.
Очевидно, сжатие глинистой породы в состоянии грунтовой массы может происходить лишь в том случае, если внешнее давление р превзойдет давление набухания b—f или вызовет разрушение тонкой структуры породы.
Диаграмма сжатия (компрессионная кривая) для грунтовой массы с малой прочностью структурных связей либо пород с нарушенной структурой имеет вид правильной логарифмической кривой:

где А — постоянная кривой, численно равная

здесь е1 — коэффициент пористости при р = 10в5 Н/м2; ев — то же, при давлении р = ре = 2,718*10в5 Н/м2.
В небольшом интервале давлений (1—3)*10в5 Н/м2 уравнение (1.12) можно заменить уравнением прямой

где А — отрезок, отсекаемый на ординате (р = 0); а — угловой коэффициент прямой (пунктирная линия на рис. 26), равный

Угловой коэффициент прямой а называется коэффициентом сжимаемости.
Обратная ветвь компрессионной кривой (диаграмма набухания) внешне напоминает нелинейное упругое восстановление формы твердых тел. Ho, как уже отмечалось, восстановление формы здесь является в основном результатом работы осмотических сил, всасывающих воду при разгрузке и вызывающих эффект объемного расширения.
При повторном уплотнении нагрузкой, превышающей первоначальную, кривая набухания не совпадает с первоначальной кривой уплотнения (будет иметь место гистерезис), а кривая уплотнения, лишь начиная с точки а (рис. 27), будет продолжением кривой уплотнения Oa при предшествующей нагрузке. В результате получается экспериментальная кривая Оабв — главная ветвь компрессионной диаграммы. Отсюда следует, что кривая цикличного уплотнения грунтовой массы принципиально не отличается от кривой, построенной по данным непрерывного уплотнения.
Механические свойства глинистых породах

Коэффициент сжимаемости — величина непостоянная, и поэтому непригодна для оценки сжимаемости породы в большом интервале давлений. С этой целью следует спрямить компрессионную кривую в значительном диапазоне давлений, используя для этого компрессионную диаграмму в полулогарифмических координатах (е—lg р). Угловой коэффициент прямой, называемый коэффициентом компрессии (безразмерная величина), равен

Компрессионная диаграмма в полулогарифмическом построении позволяет определить также величину структурной прочности породы рстр по перелому кривой компрессии (рис.28), численно равной абсциссе точки перелома последней. По достижении р = рстр происходит нарушение структурных связей, а вместе с этим изменяются параметры и конфигурация компрессионной кривой. В частности, возрастает коэффициент уплотнения и доля необратимой деформации сжатия в суммарной деформации породы.
Как показали исследования А.С. Храмушева, впоследствии подтвержденные Казагранде, в диаграммах компрессии глинистых пород средней и высокой степени уплотнения обнаруживается две и более переломных точек, очевидно, соответствующих нарушениям структурных связей различных генераций, сформировавшихся в породе на разных этапах катагенеза.
По данным компрессионных исследований могут быть получены значения модуля нормальной упругости Eн = (1—А)/а и модуля полной деформации E = 1/а.
Явление консолидации. Как уже отмечалось, процесс уплотнения (разуплотнения) глинистой породы протекает длительное время после приложения (снятия) нагрузки, в течение которого происходит отжатие (или впитывание) воды. Это является важной особенностью деформационного поведения глинистых пород.
Процесс уплотнения глинистых пород при постоянной нагрузке (р — const) называется консолидацией. Данный процесс характеризуется графиком зависимости деформаций от логарифмов времени (рис. 29).

График консолидации глинистой породы в типичном виде состоит из начальной кривой АБ и двух прямолинейных отрезков БВ и ВГ, соединенных плавной кривой и характеризующих так называемую «вековую» консолидацию. Отрезок АБ характеризует обычную осадку.
Первый прямолинейный отрезок вековой консолидации БВ выражает так называемую первичную консолидацию. Консолидация на этом отрезке уплотнения обусловливается в основном водопроницаемостью породы и оттоком воды из нее.
Второй прямолинейный отрезок BГ соответствует вторичной консолидации, когда сжатие происходит не только за счет отжатия воды, в том числе рыхлосвязанной оболочки, но также в результате объемного сжатия минерального скелета породы, уплотнения адсорбированных гелеобразных оболочек минеральных частиц, передвижек частиц в более устойчивое положение и др.
Сжатие глинистых пород при наличии условии бокового расширения. Сжатие при компрессионных испытаниях является одномерным. В условиях возможности бокового расширения сжатие сопровождается явлениями сдвига и пластического деформирования и поэтому носит не только более сложный характер, но приобретает многостадийность. Так, при непрерывно возрастающем напряжении, передаваемом посредством жесткого штампа, наблюдается три фазы деформирования, последовательно сменяющие ДРУГ друга. Первая стадия характерна плавным затуханием деформации сжатия с течением времени при р = const. На данной стадии наблюдается уплотнение породы за счет снижения пористости (рис. 30, а).

Вторая стадия характерна плавным ростом деформаций во времени (явление крипа), причем скорость деформации после достижения определенной величины при данной нагрузке приобретает постоянное значение (рис. 30, б). Данное состояние деформирования является следствием появления площадок микросдвигов, характерных для предельного равновесия. Последнее является таким состоянием напряжений, когда в любой точке деформируемой породы сдвигающее напряжение достигает некоторой предельной величины, соответствующей полному сопротивлению сдвигу в данной точке.
На третьей стадии наблюдается непрерывный рост деформаций во времени (рис. 30, в). Данная фаза наступает как бы внезапно и сопровождается выпиранием породы из-под штампа.
В соответствии с описанным характером процесса деформации глинистой породы под штампом различают две критические точки напряжения: первая из них соответствует наступанию фазы микросдвигов и называется пределом пропорциональности Pр; вторая точка характеризует момент вступления деформации в фазу разрушения (критическая нагрузка Ркр). С точки зрения условий прочности фазу сдвигов (предел пропорциональности Pр) следует считать критическим состоянием породы.
Величины осадок штампа при нагрузках, не превышающих предел пропорциональности Pр, зависят не только от свойств породы, но также от размеров штампа (F), его жесткости и геометрии. В пределах допустимых нагрузок осадка нагруженного штампа прямо пропорциональна удельной нагрузке р и корню квадратному из площади F, т. е.

где k — коэффициент пропорциональности, постоянный для данной породы.
Сопротивление сдвигу изучается в условиях предельного напряженного состояния, когда возникает незатухающее во времени скольжение (сдвиг) одной части образца по другой (рис. 31). Образцы породы, идущие на срез, предварительно уплотняют различной по величине нагрузкой o в жестких цилиндрах. После этого каждый образец помещают в сдвиговый прибор и определяют сопротивление сдвигу т. Оно соответствует тому минимальному сдвигающему напряжению s, при котором возникает незатухающее скольжение (сдвиг) одной части образца породы по другой. По полученным значениям o и т строят диаграмму сдвига т = f(о). Диаграмма сдвига глинистых пород криволинейна (рис. 32), причем максимальная кривизна ее отмечается в интервале начальных нормальных напряжений о = 0,5—1,5*10в5 Н/ма (до точки 1). При возрастании нормальных напряжений криво-линейность диаграммы сдвига становится незначительной (отрезок 1—2—3) и с достаточной для практики точностью описывается уравнением прямой (I.1).

При инженерных расчетах нередко приходится пользоваться не углом внутреннего трения ф и величиной сцепления с, а одним показателем — коэффициентом сдвига f0 или соответствующим значением угла сдвига w. Коэффициент сдвига

Как видно из ряс. 32, величины f0 и w непостоянны для данной породы и уменьшаются с возрастанием нормальных напряжений ст.
Сцепление и угол внутреннего трения глинистых пород при прочих равных условиях прежде всего зависят от их гранулометрического состава. C увеличением содержания песчаных и особенно грубообломочных фракций внутреннее трение возрастает, а сцепление снижается. Сцепление и угол внутреннего трения зависят также от состояния влажности — плотности глинистой породы. Для глинистых пород, находящихся в мягко-пластичном состоянии, коэффициент внутреннего трения обычно равен 0,1—0,2, и соответствующие им значения углов внутреннего трения не превышают 5—10°. Твердопластичные глины характеризуются коэффициентом внутреннего трения от 0,4 до 0,5 и соответственно углами внутреннего трения от 14 до 35°. Величина сцепления глинистых пород в большинстве случаев выдерживается в пределах 0,05—1,5*10в5 Н/м2.

В зависимости от скорости приложения сдвигающего усилия в процессе опыта различают медленный и быстрый сдвиги. В первом случае сдвигающую силу увеличивают только после прекращения деформации, вызванной предыдущей ступенью сдвигающей силы. При быстром сдвиге увеличение сдвигающей силы производят, не дожидаясь прекращения деформаций.
Значения ф и с во всех перечисленных случаях получаются разными. Когда срез производится до стабилизации осадки под сжимающим давлением, получаются неустойчивые и заниженные значения коэффициента трения, по величина сцепления при этом завышена. Это происходит потому, что часть нормального давления о в этом случае будет восприниматься не скелетом породы, а водой, заполняющей поры. Наиболее устойчивы значения ф при медленном сдвиге нормально уплотненных пород.
Режим испытаний выбирается в зависимости от реальных механических условий деформирования исследуемых пород в проектируемом откосе или основании сооружения.

Плоскостный сдвиг — наиболее распространенный в настоящее время способ определения показателей сопротивления сдвигу. Однако в последнее время все чаще стали прибегать к определению сопротивления сдвигу путем испытаний образцов породы в условиях как одноосного, так и трехосного сжатия. Эти методы основаны на теории прочности Мора.
Определение сопротивления сдвигу в условиях одноосного сжатия. Данный метод применим для глинистых пород, находящихся в полутвердом состоянии, когда деформация образца носит характер скола уже при малой деформации сжатия, не превышающей 10% от первоначальной высоты образца. Измеряя угол а, образуемый плоскостями скола с вертикальной осью (рис. 33), вычисляют угол внутреннего трения

Силу сцепления с в данном случае можно определить по формуле

где осж — разрушающее осевое напряжение.
Исследования механических свойств глинистых пород в условиях трехосного сжатия позволяют получить прочностные и деформационные характеристики пород в условиях, максимально приближающихся к условиям их деформирования в массиве (in situ). Они производятся в стабилометрах различных моделей. По принципу построения различают стабилометры гидростатического и компрессионного типов (рис. 34). В стабилометрах гидростатического типа образец испытываемой породы постоянно находится под действием всестороннего сжатия, равного боковому, а осевое давление не может быть менее бокового. При сжатии объем образца породы изменяется в результате бокового расширения и под воздействием вхождения в камеру части штока. В стабилометрах компрессионного типа осевое давление может подаваться независимо от бокового и, в частности, быть менее последнего или равно нулю. Осевое давление передается с помощью штока без входящего в камеру штока меньшего диаметра. Вследствие этого при сжатии образца породы боковое ее расширение возможно лишь при удалении части воды от камеры.

Метод трехосных испытаний в современных стабилометрах отличается простотой изменения условий испытания образца породы. Испытание может вестись, например, без оттока воды, либо образец вначале может быть уплотнен нагрузкой, соответствующей боковой (природной), а затем испытания продолжаются без оттока воды.
Современные стабилометры снабжены специальными устройствами для измерения порового давления. Эти устройства работают по принципу противодавления. Учет влияния динамики порового давления имеет большое значение, например, при определении сопротивления сдвигу. Стабилометры новейшего типа позволяют определить: модуль деформации в условиях свободного бокового расширения; ограничения и отсутствия бокового расширения; коэффициент бокового распора є коэффициент фильтрации в зависимости от заданного напряженного состояния; зависимости напряженно-деформированного состояния от продолжительности действия нагрузки; сопротивление раздавливанию образца при ограниченном и свободном боковом расширении; пределы структурной прочности; показатели сопротивления сдвигу при трехосном напряженном состоянии; показатели деформации набухания; поровое давление и некоторые другие.
Наиболее полно решениям задач в горностроительной и горноэкспериментальной практике отвечает стабилометр ВИОГЕМ конструкции Н.П. Верещагина.

title-icon Подобные новости