Сопротивление сдвигу раздельнозернистых пород

Сопротивление сдвигу является основной прочностной характеристикой раздельнозернистых пород. Диаграмма сопротивления сдвигу представляет собой прямую, исходящую от начала координат и наклоненную к оси нормальных давлений под углом ф — углом внутреннего трения. Соответственно, сдвигающее усилие т равно

где f — коэффициент внутреннего трения.
Сопротивление сдвигу в общем случае складывается из сопротивления трению минеральных частиц друг о друга фт, статического сопротивления частиц изменению первоначального положения — зацепления ф3 и сопротивления минеральных частиц разрушению фс, т. е. ф = фт + фз + фс. Сопротивление фт возрастает с повышением шероховатости площадок микроконтактов частиц, укрупнением их размеров * и степени плотности упаковки. Заметное влияние на величину фт оказывает также минеральный состав пород. По величине коэффициента трения * различаются две группы минералов: 1) с высоким коэффициентом трения f = 0,4-0,8 и 2) с низким коэффициентом трения f = 0,1-0,3. Значения f получены для условии, когда поверхность трения минералов смочена водой. К первой группе относятся минералы каркасной (кварц, нолевые шпаты) и островной структур (кальцит, доломит), ко второй — исключительно слоистой структуры (мусковит, биотит, хлорит, тальк и др.). Для минералов первой группы характерно также то, что адсорбированная пленка воды не оказывает смазочное воздействие, а для минералов второй группы, наоборот, характерно это воздействие. Поэтому отношение коэффициентов трения по поверхностям, покрытым водой и сухим fм/fc, у минералов первой группы более единицы (3,5-7), а у второй группы менее единицы (0,4-0,6).
При трении по соприкасающимся поверхностям минералов, принадлежащих к различным кристаллохимическим типам, величина коэффициента трения f данной пары минералов ближе к наименьшему коэффициенту трения. Иными словами, разноименные минералы являются антифрикционными, что, по-видимому, обусловлено адгезионным сцеплением (табл. 24).

При трении кварца по слоистому минералу — слюде, коэффициент трения равен коэффициенту трения слюды: fc = 0,13 по сухой поверхности и fм = 0,44 по поверхности, покрытой водой. По исследованиям В.В. Охотина уже при 10%-ном содержании слюды сопротивление песка сдвигу практически полностью определяется слюдой. Понижение сопротивления сдвигу оказывают также органические вещества и коллоиды, часто образующие пленки поверхности зерен песка.
Зацепление частиц фз в основном зависит от степени уплотненности породы и гранулометрического состава. С учетом сил зацепления влияние плотности на угол внутреннего трения, на величину сопротивления сдвигу ф может быть оценено по следующим эмпирическим формулам:
а) крупнообломочных пород

где D — степень плотности породи;
а и m — параметры зависимости, соответственно равные 5—12 и 0,4—1;
ф0 — угод внутреннего трения породи в рыхлом состоянии;
б) песчаных пород

где е — коэффициент пористости породы;
k — параметр, зависящий от дисперсности породы и возрастающий с укрупнением зерен песка от 0,33 до 0,55. Следует заметить, что при переходах песков от рыхлого до плотного сложения угол внутреннего трения может возрастать на 7—15°, при колебаниях предельных значений ф от 19 до 37°.
Разрушение минеральных зерен при сдвиговых деформациях не наблюдается даже при высоких нормальных напряжениях. Поэтому третьей составляющей сопротивления сдвигу — сопротивлением разрушению минеральных зерен фс можно пренебречь. Лишь при сверхвысоких напряжениях роль этого слагаемого становится заметной.
Угол внутреннего трения ф сыпучих пород, как правило, более так называемого угла естественного откоса а, образованного поверхностью откоса свободно насыпанной породы с горизонтальной плоскостью. Отношение угла естественного откоса к углу внутреннего трения (а/ф) закономерно снижается по мере повышения плотности породы, содержания минералов слоистой структуры и величины нормального напряжения on. О влиянии минерального состава и размеров минеральных зерен на значения ct, ф и а/ф можно судить по данным табл. 25.

На значение а оказывает влияние влажность породы. Для песков, лишенных минералов слоистой структуры, повышение влажности до 5—15° (в зависимости от дисперсности) приводит к увеличению а на 10—15%. Это, очевидно, обусловлено отмеченным выше антисмазочным действием адсорбированных пленок воды. При полном затоплении откоса или при влажности, равной полной влагоемкости, угол естественного откоса уменьшается на 10—40% в зависимости от содержания минералов слоистой структуры, степени окатанности и размеров зерен.
Откосы из тонкозернистых пылеватых и слюдистых песков под водой обладают углами откосов, не превышающими 15°. Обращает внимание резкое снижение угла откоса песков под водой (на 70%) при наличии пылеватой фракции кварца.
Как можно заключить из изложенного, сопротивление сдвигу сыпучих пород складывается из двух частей: угла трения минеральных зерен друг о друга фт и зацепления ф3. С явлением зацепления связаны изменения сопротивления сдвигу в процессе деформации сдвига (рис. 37). У плотных песков оно вначале возрастает, и достигнув максимума (тmax), снижается до минимального значения (тjcn). У рыхлых песков, наоборот, сопротивление сдвигу возрастает о самого начала до значения (тост). При этом пористость плотного песка в зоне сдвига снижается, а рыхлого повышается. Разность тmax—тост зависит от величины зацепления тз и нормального давления on. Формирование зоны сдвига происходит при напряжении сдвига, равном тост.

Очевидно, при некотором промежуточном состоянии плотности породы в зоне сдвига следует ожидать, что пористость породы остается без изменения. Такое состояние пористости называется критической пористостью. Для крупнозернистых песков она близка к пористости в наиболее рыхлом состоянии, а для средне- и мелкозернистых — примерно средней величине пористости между плотным и рыхлым состоянием. Критическая пористость тонкозернистых илистых песков близка к пористости их в наиболее плотном состоянии. С критической пористостью обычно связывают способность водонасыщенных песков оплывать под воздействием динамических нагрузок. Оплывание в данном случае связано с действием двух факторов: 1) снижения внутреннего трения при вибрационной нагрузке и 2) повышения гидродинамического давления под действием той же нагрузки. В результате частицы песка переходят во взвешенное состояние и увлекаются фильтрующим потоком. Полагают, что непременным условием перехода водонасыщенных песков в плывунное состояние под действием вибрации является соблюдение следующего неравенства

где бвзв — взвешенная объемная масса породы;
h — глубина, на которой проверяется возможность оплывания породы;
є — коэффициент бокового давления;
р — постоянная нагрузка на глубине h, равная р = hбвзв;
р0 — вибрационная нагрузка.
Рассматриваемый случай соответствует условиям фильтрационно-динамического оплывания пород.
Оплывание песков возможно и без воздействия динамических нагрузок, но при градиентах фильтрации, превышающих некоторое критическое значение. Оплывание происходит под действием фильтрационного давления, и поэтому его следует называть фильтрационным. Сила сопротивления (внутреннего трения) в этом случае оказывается недостаточной для преодоления силы фильтрационного давления Pф и порода оплывает.
Тиксотропное оплывание наблюдается у тонкозернистых, существенно пылеватых водонасыщенных песков, содержащих в своем составе коллоидные частицы и органическое вещество.
Таким образом, оплывание раздельнозернистых пород может быть вызвано разными причинами, поэтому следует иметь в виду различные виды оплывания.