Деформаційні властивості скельних грунтів

Для характеристики деформаційних властивостей ґрунтів використовуються: модуль деформації E (модуль пружності Еу і модуль загальної деформації Еобщ), коефіцієнт поперечного розширення р. модуль зсуву G і модуль об'ємного стиснення К.

Показники деформаційних властивостей в межах справедливості закону Гука пов'язані певними залежностями, які дозволяють за двома будь-якими показниками визначати інші.

Модуль пружності Eу дорівнює відношенню напруги при одноосьовому стиску до відносної оборотної деформації.

Модуль загальної деформації Еобщ дорівнює відношенню напруги при одноосьовому стиску до загальної відносної деформації.

Очевидно, що Еобщ

Залежно від тривалості тиску на грунт розрізняють: модуль динамічної пружності Їв, модуль статичної пружності Eд і модуль загальної деформації Еобщ. Між цими модулями існує таке співвідношення: Eд> Eу> Еобщ

Різниця між статичним модулем пружності і модулем загальної деформації залежить від виду породи і її структури: для скельних порід ставлення Eу до Еобщ дорівнює приблизно 2, а для пухких глинистих порід може досягати декількох порядків, так як їх деформація відбувається в результаті істотного ущільнення грунту.

Для розрахунку опади споруд при дії статичних навантажень використовується величина рівноважного модуля загальної деформації Еобщ, а при розрахунку деформацій від. короткочасних динамічних навантажень - величина Eу. Модуль динамічної пружності Eд застосовується в основному для встановлення певних кореляційних співвідношень.

Вплив мінералогічного складу на пружні властивості скельних грунтів. До теперішнього часу накопичено значну кількість даних по пружним констант основних породоутворюючих мінералів. Значення модуля пружності різних мінералів змінюється в широкому межі. Такі мінерали, як корунд, пірит, гранати, магнетит, гематит, жадеїт, олівін, циркон, мають високі значеннями модуля пружності, рівними або перевищують пружність сталі (2 • 105 кг / см 2). Потім йдуть мінерали з високою пружністю: диопсид, епідот, авгит, рогова обманка, флюорит, апатит. Такі широко розповсюджені в осадових дисперсних грунтах мінерали; як кварц, польові шпати, слюди, кальцит, мають середньої пружністю. І нарешті, є мінерали (зміїний, гіпс і ін.), Що володіють низькою пружністю.

Вплив мінералогічного складу складають породу часток на пружність можна встановити лише для зразків порід, що володіють незначною пористістю (п<1%). При больших значениях пористости упругость пород определяется их структурно-текстурными особенностями (в основном пористостью, трещиноватостью и размером частиц).

У малопористих порід пружні параметри безпосередньо залежать від пружних констант складають їх мінералів. Так, слюди дають зниження пружних констант порід, а темнокольорові мінерали і гранат -

підвищення. Тому особливо високою пружністю володіють ультраосновних породи і еклогіти. Пружність плагиоклазов залежить від їх складу: з підвищенням основності пружні константи плагиоклазов ростуть. У зв'язку з цим лабродориту по своїй пружності займають середнє місце між кислими і основними породами. Особливо високою пружністю володіє жадеїт - мінерал, типовий для особливо щільних порід великих глибин. Цей та інші факти показують, що пружність мінералів і порід виявляється тим вище, ніж при високому тиску вони утворилися.

Високими значеннями модуля деформації, близькими за величиною до модуля пружності основних мінералів, мають еклогіти, перідотіти, амфіболіти, піроксеніти, габро і діабази, т. Е. Породи, що належать до ультраосновним і основним интрузивом.

Вплив пористості і тріщинуватості на модуль пружності і модуль загальної деформації скельних порід. При розгляді зміни модуля пружності близьких по мінералогічному складу порід, але мають різну пористість, видно, що для кожної петрографічної групи порід значення модуля пружності зменшуються з ростом пористості. Для порід з високою пористістю (n> 10%) величина модуля пружності буде повністю визначатися впливом пористості.

Тріщинуватість скельних порід є основним чинником, що визначає їх деформованість і міцність. Поверхня тріщин в результаті наявності макро- і мікроскопічних виступів і западин зазвичай горбиста. Тому реальна площа контакту двох блоків породи може бути в 100-100 000 разів менше геометричній площі торкання. Зважаючи на це при виникненні стискають напруг, нормальних до площини тріщини, на виступах і прилеглих до них зонах відбувається концентрація напружень, що перевищують міцність матеріалу виступу. В результаті пластичного деформування або крихкого руйнування виступів відбувається зближення двох поверхонь. При цьому збільшується площа реального контакту поверхонь і опір деформації.

Зі збільшенням тріщинуватості кварцових порфиров деформаційні показники різко зменшуються, при цьому модуль пружності значно перевищує модуль загальної деформації. Це пояснюється тим, що при дії тиску породи зазнають великих залишкові деформації. Причому в міру зростання трещиноватости (збільшення Т або Ктр) ця різниця стає більше. Закриття і змикання тріщин під тиском, що визначає появу залишкових деформацій, призводить також до того, що модуль загальної деформації для другого циклу навантаження в 1,5-2 рази вище модуля загальної деформації для першого циклу навантаження.

Вивітрювання скельних гірських порід призводить до появи і розширення мікротріщин, ослаблення зв'язків між зернами, а також до зміни хімічного складу порід. Тому деформаційні і міцнісні властивості порід залежать від ступеня їх виветрелості. З таблиці видно, що з глибиною пористість граніту зменшується, а деформаційні і міцнісні показники зростають. На глибині 49 м граніт вже настільки міцний, що для нього модуль пружності дорівнює модулю загальної деформації.

Несприятливий вплив тріщинуватості на деформаційні і міцнісні властивості скельних порід зменшується при цементації. При цьому тріщини заповнюються цементним розчином, який після схоплювання збільшує опір породи деформацій. В середньому модуль деформації скельних порід після цементації зростає в 1,5 рази.

Вплив шаруватості скельної породи на модуль деформації. При стисненні зразків шаруватих осадових скельних порід модуль деформації в напрямку паралельно верствам зазвичай вище, ніж перпендикулярно верствам. Це можна пояснити тим, що в першому випадку чинять опір більш жорсткі шари породи, тоді як у другому стисливість визначається в основному деформацією найбільш піддатливих шарів, затиснутих між жорсткими як між плитами. Очевидно, що фактор часу буде грати помітнішу роль у другому випадку, так як деформація жорстких елементів породи буде протікати швидше.

Для дисперсних грунтів величина коефіцієнта Пуассона змінюється від 0,1 до 0,5. Велике значення має вологість: для сухого піску ц. дорівнює 0,1-0,25, для водонасиченого - 0,44-0,49.

У скельних грунтах вирішальний вплив на величину коефіцієнта Пуассона надає трещиноватость. У тріщинуватої породі на деформацію суцільний її частини буде витрачатися тільки частина загального зусилля, інша частина буде витрачатися на змикання тріщин і руйнування виступів; виникає при цьому розширення не викликатиме розширення всього зразка.

Коефіцієнт Пуассона. Коефіцієнт Пуассона є показником здатності породи до зміни обсягу в процесі деформації під дією напружень. Зазвичай вживається в розрахунках коефіцієнт Пуассона відноситься до пружної деформації.

Коефіцієнт Пуассона головних породоутворюючих мінералів змінюється в невеликих межах: від 0,08 до 0,34. Можна виділити групу мінералів з низьким значенням: від 0,08 до 0,16, в яку увійдуть в порядку зростання кварц, гематит, пірит; потім групу мінералів, для яких коефіцієнт змінюється від 0,21 до 0,29. Ця група найбільш численна і об'єднує такі мінерали, як польові шпати, слюди і інші силікати. І, нарешті, невелика група мінералів має підвищене значення коефіцієнта: від 0,31 до 0,34 - зміїний, гіпс, циркон.

Коефіцієнт Пуассона кристалів залежить від типу кристалічної решітки і напрямки дії напруги відносно кристалографічних осей. Для порід залежить від мінералогічного складу, тріщинуватості і пористості.