Зависимость между влажностью, давлением и коэффициентом пористости определяется опытным путем во время испытаний грунтов на уплотнение под нагрузкой

Сжимаемость (деформационные свойства).

Прочностные свойства пород с жесткими связями.

Способность пород с жесткими связями сопротивляться разрушению от внутренних напряжений, возникающих под действием внешних усилий, называется механической прочностью.

Деформации в таких породах связаны с разрушением кристаллов минералов и разрывом структурных связей. В трещиноватых, выветрелых породах деформации происходят по ослабленным зонам - трещинам, плоскостям расслоения. пустотам и др..

Различают механическую прочность на сжатие (Rсж), на растяжение (Rр), на сдвиг (скалывание) (Rск) и на изгиб (Rизг).

Прочность на сжатие характеризуется временным сопротивление породы на сжатие или пределом прочности на сжатие. Это сопротивление представляет собой предельную нагрузку, отнесенную к единице площади поперечного сечения образца, при которой образец разрушается.

R_сж = Р_разр/ F [ кГ/см²]

Прочность породы на сжатие зависит от ее минералогического состава, текстуры, структуры, характера связей между зернами и степени выветрелости. Трещины и пустоты, а также процессы выветривания сильно снижают прочность пород: с (1200-1500) кГ/см² у невыветрелых гранитов до (40-59) кГ/см² у выветрелых.

Так как нагрузки, передаваемые на основание сооружениями, обычно не превышают (10-15) кГ/см² , то по прочности на сжатие большинство типов пород с жесткими связями обеспечивают устойчивость всех сооружений.

Прочность пород на сдвиг (скалывание), растяжение (разрыв), и изгиб значительно меньше прочности на сжатие:

Rсж > Rск >Rр > Rизг

По имеющимся данным можно считать, что прочность на сдвиг составляет 6-8%, растяжение 3-5% и изгиб - 7-15% от прочности на сжатие.

7. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДИСПЕРСНЫХ (НЕСЦЕМЕНТИРОВАННЫХ) ПОРОД.

Под действием внешней нагрузки породы деформируются. В об­щем случае эти деформации заключаются в сжатии.

Под сжимаемостью пород понимают способность их деформироваться под нагруз­ками с уменьшением объема.

Эти деформации вызывают осадку сооружений.

Характер деформации, ее величина и явления, наблюдаемые при сжатии породы, зависят от типа породы и обстановки, в которых происходит сжатие. Эта обстановка определяется граничными усло­виями деформации.

Песчаные и глинистые породы характеризуются различной сте­пенью сжимаемости.

Сжатие песчаных пород связано с взаимным перемещением от­дельных зерен относительно друг друга, более компактной укладкой их, а при больших нагрузках - сколом неровностей и раздроблением зерен. Сжатие песчаных породобычно невелико по размерам, быстро по времени и не зависит от влажности.

Характерной особенностью связных глинистых пород, отличаю­щей их от других пород, является, как уже отмечалось выше, их способность к пластическим деформациям под небольшими нагруз­ками. В сухом состоянии и при очень малой влажности они обладают почти такой же механической прочностью, как и твердые скальные горные породы. Влажные — пластичные глины деформируются при сжатии без видимого разрушения. В таких породах большую роль играют гидратные оболочки вокруг минеральных частичек и поровая вода, воспринимающие на себя нагрузку. Под влиянием на­грузки в поровой воде возникает поровое давление, которое посте­пенно, по мере выдавливания воды из породы, снижается. Когда оно совсем исчезает, давление целиком 'переходит на скелет по­роды.

Деформируемость пород определяется их структурой, степенью дисперсности (гранулометрическим составом), минералогическим составом, влажностью, коэффициентом фильтрации, химическим со­ставом, концентрацией порового раствора и другими факторами. Большое влияние на деформации пород, особенно глинистых, ока­зывает способ нагружения породы — скорость нарастания нагрузки и характер нагрузки (статическая—динамическая).

Сжатие образцов одной и той же породы с нарушенным и нена­рушенным естественным сложением резко различно. Образцы с на­рушенным сложением при прочих равных условиях сжимаются больше.

Для водонасыщенных грунтов изменение пористости происходит при изменении их влажности, для неводонасыщенных - при сохранении влажности.

При уплотнении грунтов сплошной постоянной нагрузкой рассматривается два диапазона давлений:

1. Внешнее давление меньше прочности структурных связей - в этом случае грунт деформируется как сплошное квазитвердое тело, деформации грунта при этом имеют упругий характер.

2. При величинах внешнего давления, большего прочности структурных связей, уплотнение происходит не только за счет уменьшения пористости грунта, но и за счет выдавливания воды с дальнейшим сжатием водно-коллоидных оболочек, а также за счет ползучести скелета грунта.

В зависимости от граничных условий деформирования пород при сжатии различают:

- деформацию при сжатии без возможности бокового расширения - компрессию;

- деформацию пород при трехосном сжатии с ограниченным боковым расширением

- деформацию пород при трехосном боковом расширении - одноосное сжатие.

Компрессия пород.

Под компрессией понимается сжатие породы в условиях невозможности бокового расширения.

Процесс деформации образцов при одноосном сжатии с невозможностью бокового расширения - компрессию изучают в лабораторных условиях на компрессионном приборе.

Рис. 7.1. Схема сжатия грунта:

а) – в компрессионном приборе; б) - при сплошной нагрузке.

Компрессию образца изучают на некоторой инженерно-геологической модели, воспроизводящей природный процесс уплотнения грунта под нагрузкой от сооружения и позволяющей получить количественные характеристики процесса уплотнения данного образца, которые, в свою очередь, считаются деформационными характеристиками грунта, из которого приготовлен данный образец.

Будем рассматривать породу, как двухфазную систему, состоящую из двух компонент - скелета и воды, заполняющей все поры скелета. Если образец грунта поместить в прибор с жесткими стенками, исключающими возможность бокового расширения и приложить к ней вертикальную нагрузку s, то под влиянием этой нагрузки порода будет уплотняться, т.е. уменьшаться в объеме за счет уменьшения пористости и влажности. Уплотнение под данной нагрузкой продолжается до тех пор, пока не будет удален весь избыток воды, вызванный уменьшением пористости породы. В этом случае каждой сообщенной на породу нагрузке будут соответствовать определенные пористость и влажность.

При такой схеме нагрузки деформации могут развиваться только в одном направлении. Нагрузка на поверхность грунта прикладывается ступенями в соответствии с ГОСТ. Первая нагрузка при стандартных испытаниях образцов с ненарушенной структурой должна быть равна природному давлению однородной толщи, залегающей выше места отбора образца. Максимальная нагрузка для грунтов с ненарушенной структурой должна быть на 1-2 кГ/см² больше суммы нагрузки от сооружения и давления вышележащей толщи пород.

Количественно на модели этот процесс изучают с помощью компрессионной кривой, которая строитсяв координатах «давление-коэффициент пористости» - для неводонасыщенных грунтов; для водонасыщенных грунтов – в координатах «давление-влажность».

Для вывода формулы, на основании которой можно определить коэффициент пористости при любом значении деформации образца введем следующие обозначения:

e₀ – начальный коэффициент пористости грунта: e₀ = [(g_ск (1+W)- g] / g;

e_i - коэффициент пористости грунта на i-ой ступени нагрузки;

s_i - полная осадка образца на i-ой ступени нагрузки Р_i, измеренная от начала загружения;

Δn_i – изменение пористости образца от начала загружения;

h - начальная высота образца грунта.

Коэффициент пористости грунта определяется, как отношение объема пор грунта к объему его скелета: , где n – объем пор в единице объема грунта, m – объем твердых частиц в единице объема.

Тогда коэффициент пористости на i-ой ступени нагрузки можно определить из следующего соотношения:

.

В условиях невозможности бокового расширения Δn_i - изменение объема пор на

i-ой ступени нагрузки численно равно произведению осадки s_i на площадь образца F, т.е.

,

но , а .

Следовательно, объем твердых частиц во всем объеме грунта .

Тогда .

Этой формулой пользуются для вычисления коэффициентов пористости, соответствующих данным ступеням нагрузки, и по ним строят всю комрессионную кривую e_i = f(Р_i).

Таким образом, графически зависимость коэффициента пористости, определяемого по осадке грунта, при уплотнении образца грунта в компрессионном приборе за счет приложения вертикальной нагрузки изображается в виде компрессионной кривой: на оси ординат откладывают значения ступеней вертикальной нагрузки P [кГ/см²], на оси ординат - соответствующие им значения пористости, кривая, проведенная через точки пересечения этих значений является компрессионной кривой.

Рис. 7.2. Компрессионные кривые для образцов грунта ненарушенной структуры.

Для грунтов естественной ненарушенной структуры компрессионная кривая имеет следующие особенности (рис.7.2):

1. первый участок – диапазон давлений, не превосходящих структурной прочности Рстр с очертанием, близким к линейному и очень малым изменением коэффициента пористости; деформации для давлений, меньших Рстр являются упругими, давление Рстр характеризует структурную прочность породы.

2. второй участок – криволинейный, со значительным изменением коэффициента пористости, отображающей изменение структуры образца при внешнем давлении, большем прочности структурных связей, характеризуется наличием остаточных деформаций, и при снятии внешней нагрузки образец не достигнет начального состояния пористости;

3. - кривая разуплотнения и набухания образца, получаемая после снятия внешней нагрузки, разница между первоначальной пористостью и пористостью разуплотненного образца в результате снятия нагрузки (декомпрессии) характеризует остаточную деформацию.

Если ограничиться небольшим изменением давлений (порядка 1-3 кГ/см² , что обычно и имеет место в основаниях сооружений), то с достаточной для практических целей точностью можно принять отрезок kl компрессионной кривой (рис 7.3.) за прямую.

Рис.7.3. Определение параметров сжимаемости по компрессионной кривой.

kl – кривая компрессии; k’l’ – кривая набухания.

Согласно обозначениям, приведенном на рисунке,

Тангенс угла наклона отрезка компрессионной кривой к оси давлений характеризует сжимаемость грунта в рассматриваемом диапазоне давлений – от Р₁ до Р₂.

Коэффициент сжимаемости (коэффициент компрессии, коэффициент уплотнения) может быть выражен через значения Р и ε для крайних точек k и l прямолинейного отрезка: . Или обозначив (где р – приращение давлений или действующее давление) получим , т.е.

коэффициент сжимаемости равен отношению изменения коэффициента пористости к величине действующего давления.

На основании этих определений можно сформулировать закон уплотнения грунтов: