Механічні властивості гірських порід

Під механічними властивостями гірських порід розуміють їхню здатність чинити опір зовнішнім механічним впливам. Від механічних властивостей порід залежать ступінь їх деформації та міцність під дією зовнішніх навантажень, а отже, поведінка в основі споруд, у схилах виїмок, кар'єрів, котлованів, у підземних виробках та ін. процесів.

Механічні властивості пухких гірських поріду будівельній практиці вони мають найбільше значення, оскільки ці породи поширені майже повсюдно. Їх визначають головним чином стисливість (опір стиску) і опір зрушенню.

Опір ґрунтів стиску. Ступінь стисливості та ущільнення ґрунтів, залежать від їх гранулометричного складу, будови, вологості, мінерального складу, фільтраційних властивостей, розподілу та типу діючого навантаження, порушення природного складання та інших факторів . Ступінь стисливості піщаних та глинистих ґрунтів неоднакова. Стискання піщаних порід визначається взаємним переміщенням окремих зерен відносно один одного, компактністю їх укладання, а при великих навантаженнях - і ступенем роздробування окремих зерен. Вона зазвичай невелика за розмірами, відбувається швидко і залежить від вологості.

Стискання глинистих грунтів більше, ніж піщаних. Їх характерні пластичні деформації навіть під невеликими навантаженнями, особливо у зволоженні грунтів. У сухому стані і при дуже низькій вологості глинисті грунти мають майже таку ж механічну міцність, як скельні породи. Вологі глинисті ґрунти деформуються при стисканні без видимого порушення їхньої структури. Цьому сприяють гідратні оболонки навколомінеральних, глинистих частинок та порові розчини, що частково приймають на себе навантаження від споруд. Процес стиснення таких ґрунтів розтягнутий у часі та залежить від їх фільтраційних властивостей, що визначають умови відтискання порових розчинів, температури та інших факторів.

Опір взаємному переміщенню мінеральних частинок в окремо зернистих грунтах (пісок, гравій, щебеню та ін.) надають переважно сили тертя, що виявляються поверхнею ковзання. При вплив на такі ґрунти динамічних знакозмінних навантажень ущільнення їх може бути більш значним і протікати повільніше.

Показники стисливості ґрунтів визначають як у лабораторних умовах на зразках з непорушеною чи порушеною структурою, так і в природних умовах залягання порід шляхом штампового навантаження у шурфах та свердловинах, а також іншими методами. Стискання пухких порід у лабораторних умовах визначають у компресійних приладах з жорсткими стінками – одометрах, що виключає можливість бічного розширення зразка ґрунту, або у стабілометрах, що забезпечують тривісне стиснення випробуваного зразка. Другий спосіб визначення стисливості ґрунтів більш правильно моделює їх поведінку на підставі споруд. В одометрі можна визначити коефіцієнт ущільнення, модуль загальної деформації та коефіцієнт фільтрації ґрунту. Випробування ґрунтів у стабілометрі дозволяє комплексно визначати показники механічних властивостей незв'язних та зв'язкових ґрунтів: коефіцієнт ущільнення, модуль загальної деформації, коефіцієнт внутрішнього тертя, зчеплення, фільтраційні властивості та ін.

Найважливішим показником механічних властивостей грунтів, одержуваним при компресійних випробуваннях, єкоефіцієнт ущільненняабокоефіцієнт компресії, що характеризує змінупористості, а тим самим і обсягу породи при зміні навантаження. Для тисків, що зазвичай зустрічаються в будівельній практиці, 9,8-10 4 - 4,9-10 5 Па коефіцієнт ущільненняа визначають орієнтовно за формулою:

де P1, P2 і e1, e2 - навантаження та відповідні їм коефіцієнти наведеної пористості, що знімаються з графіка або прийняті за результатами досвіду.

Ґрунти є сильно стисливими при a>1,02•10 -6 1/Па, середньо стисливими при а>1,02•10 -7 ≤а≤1,02•10 -6 і слабо стискаються при а -7 1/Па .

За результатами компресійних випробувань встановлюють також модуль загальної деформації Ео , величину якого визначають орієнтовно за співвідношенням Еo=l/a або точніше за формулою, що враховує коефіцієнти ущільнення, бічного стиснення та наведеної пористості. Коефіцієнт ущільнення і особливо модуль загальної деформації є найважливішими розрахунковими показниками, що входять до формул для розрахунку посадки проектованих споруд.

Опір грунтів зсувулежить в основі визначення несучої здатності грунтів підстав, оцінки стійкості укосів, розрахунку тиску гірських порід на кріплення підземних виробок і на підпірні споруди та для інших інженерних розрахунків. Опір зсуву окремо зернистих грунтів визначається опором тертю твердих мінеральних частинок на поверхні ковзання. Зв'язковим ґрунтам притаманні переважно структурні внутрішні зв'язки між мінеральними частинками, коагуляційне, конденсаційне та частково кристалізаційне зчеплення, що зумовлюють їхню міцність. Вважають, що опір всіх різновидів пухких грунтів зсуву обумовлюється і тертям, і зчепленням, але залежно складу ґрунтів та його фізичних властивостей може переважати те чи інше.

Найбільш частозастосовуваними способами визначення показників опору ґрунту зсуву є:

визначення опору зсуву по одній або двох заздалегідь фіксованих у зсувних приладах площин;
визначення опору зсуву шляхом роздавлювання зразків при одновісному та тривісному стисканні;
визначення опору зсуву кутом природного укосу.

У практиці лабораторних досліджень найчастіше використовують перший спосіб.

Результати випробувань опору ґрунтів зсуву виражають у вигляді графіка, на осі абсцис якого відкладають значення навантаження, на осі ординат - відповідні зсувні зусилля, що їм зсувають. Математично опір ґрунтів зсуву виражається рівнянням К. Кулона:

де t – опір зрушенню, Па;

s – нормальний тиск, Па;

f - коефіцієнт внутрішнього тертя, що дорівнює tg j°,

j° - кут внутрішнього тертя

Це рівняння показує, що сумарно опір зсуву дорівнює нормальному тиску, помноженому на коефіцієнт внутрішнього тертя, плюс деяка постійна З, яка свідчить, що навіть за відсутності нормального тиску необхідно докласти якесь зусилля, що зсуває т = З для досягнення зсуву.

Силу С, що чинить опір зсуву за відсутності зовнішнього навантаження, називаютьзчепленням. Коефіцієнт внутрішнього тертя f і зчеплення є найважливішими показниками міцності грунтів в інженерно-геологічних дослідженнях.

У незв'язних окремо зернистих ґрунтах сили зчеплення З нікчемні, їх можна приймати рівними нулю. Тому залежність опору таких ґрунтів зсуву визначається лише коефіцієнтом внутрішнього тертя. У чистих сипких породах кут внутрішнього тертя j° дуже близький куту природного їх укосу, тобто куту, який утворюєвільно насипаний піщаний ґрунт із горизонтальною поверхнею. Кут природного укосу ґрунтів визначають при повітряно сухому їх стані та під водою спеціальними приладами. Вологість дещо знижує опір окремо зернистих ґрунтів, особливо за наявності в них глинистої фракції. У зв'язкових глинистих породах опір зсуву залежить від зчеплення та коефіцієнта внутрішнього тертя. Зволоження глинистих ґрунтів суттєво знижує внутрішнє тертя між частинками та зменшує сили зчеплення.

Механічні властивості порід з жорсткими зв'язками.Процеси деформації скельних та напівскельних порід пов'язані з руйнуванням кристалів мінералів та розривом структурних зв'язків. У тріщинуватих породах, які зазнали вивітрювання, процеси деформації відбуваються, в основному, по ослаблених зонах - тріщин, площин, розшарування, порожнеча і т. п. Під дією навантажень від інженерних споруд скельні та напівскельні породи поводяться як тверді, пружні, практично поводяться тіла. Їхня висока міцність обумовлена значними за величиною силами зчеплення між складовими породу окремими мінералами та мінеральними агрегатами.

При вивченні таких порід оцінюють їх деформаційні властивості у вигляді міцності, пружності модуля Е і модуля загальної деформації Е7. Розрізняють механічну міцність скельних та напівскельних порід на стиск, на зсув (скелювання), на розтяг (розрив) та на вигин. Найбільше значення в інженерній практиці має міцність порід на стиск, що характеризується тимчасовим опором породи на стиск. Цей опір є граничним навантаженням, при якому зразок породи руйнується. Міцність порід на стиск визначають шляхом роздавлювання зразків під пресом. Вона залежить від мінерального складу, текстури,структури, характеру зв'язку між зернами породи та ступенем її вивітрювання. Зазвичай міцність скельних та напівскельних порід на стиск дуже велика, тому вони є надійними основами для інженерних споруд.

Міцність деяких осадових порід (мергелів, аргілітів, пісковиків із глинистим цементом та ін.) зменшується при їх зволоженні. Ступінь зменшення тимчасового опору порід стиску при їх зволоженні називаютьрозм'якшуваністю; її необхідно враховувати у будівельній практиці. При вивченні скельних порід як облицювального матеріалу, крім розм'якшення, слід визначати та враховувати їхню морозостійкість і хімічну стійкість.

У скельних і напівскельних порід міцність на зсув (скелювання), розтягування (розрив) і вигин значно менше їх міцності на стиск. У середньому міцність цих порід на зсув становить 6-8%, але в розтягування 3-5% і вигин - 7—15% їх міцності на стиск. Міцність порід збільшується при двосторонньому та багатосторонньому їх стисканні, що необхідно враховувати під час проведення досліджень.

При використанні гірських порід як матеріалів для дорожніх покриттів, тротуарів, підлоги, сходів і т. п. оцінюють їх опір стираючим зусиллям, який залежить від твердості порід.

Для оцінки опірності порід при проходженні гірничих виробок і розробці корисних копалин використовують міцність порід. За методикою М. М. Протодьяконова вона визначається коефіцієнтом фортеці, за одиницю якого приймається тимчасовий опір кубика гірської породи роздавлюванню, що дорівнює 9,8 10 6 Па. Фортеця порід змінюється від часток одиниці для піщано-глинистих ґрунтів і ґрунтів до 10 -20 одиниць для міцних скельних порід.

У будівельній та гірничій практиці використовують штучнезміна інженерно-геологічних властивостей гірських порід. У цьому фізичні характеристики порід можуть бути принципово змінені (цементація, силікатизація, смолізація, бітумізація, глинізація, теплова обробка, внесення різних добавок зміцнення порід при дорожньому будівництві). Або властивості порід змінюються на короткий час будівництва або тимчасової експулатації (заморожування, осушення, електродренаж).