Определение показателей прочности и деформируемости скальных грунтов

Для установления прочности на одноосное сжатие для пород с пределом прочности при одноосном сжатии не менее 5 МПа применяют одноосное сжатие образцов правильной формы плоскими плитами; для пород с пределом прочности при одноосном сжатии от 10 до 150 МПа проводят разрушение образцов-плиток плоскими соосными пуансонами [22]. Определение характеристик прочности и деформируемости скальных грунтов проводится при проектировании подземных сооружений, свай-стоек, горных работ и оборудования, изысканиях при разработке месторождений полезных ископаемых, а также при проведении исследовательских испытаний.

Скальные породы разрушаются различным образом в зависимости от температуры и давления. При низкой температуре и высокой скорости деформирования скальные породы показывают хрупкоупругое поведение. Они деформируются упруго до напряжений около 70% предела прочности, затем трещины распространяются в большом объеме и скальная порода разрушается с образованием магистральной трещины или поверхности скола. При небольшом всестороннем давлении, соответствующем малой глубине залегания грунтов, или вблизи свободной поверхности разрушение сопровождается образованием вертикальной раскалывающей трещины (схема 1 на рис. 8.55, а). При большом всестороннем давлении на глубине наблюдается образование одной плоскости сдвига (схема 2 на рис. 8.55, а) в нагружаемом образце породы. При очень большом всестороннем давлении разрушение сопровождается образованием сети наклонных полос сдвига (схема 3 на рис. 8.55, а).

Рис. 8.55. Прочность на одноосное сжатие скальных грунтов: а — зависимость деформации от напряжения для скальных грунтов; б-упругие деформации и деформации ползучести: А, Б. С — упругое деформирование, Д — пик прочности, Е длительная прочность; в — стадии деформации ползучести [5].

При низких скоростях деформирования, повышенных температурах и очень высоком всестороннем давлении на графике зависимости напряжение-деформация невозможно обнаружить максимум напряжений, показывающий состояние разрушения. Образцы показывают непрерывное деформирование с упрочнением, характерное для вязкопластичных материалов. Вязкопластичное деформирование сопровождается образованием бочкообразной формы деформации образца. Переход от хрупкоупругого поведения к вязкопластичному возникает при увеличении давления, температуры или порового давления. Для большинства скальных пород это переход происходит при давлениях и температурах, не характерных для реальных конструкций и условий. Однако дня некоторых глинистых сланцев, известняков (мел), каменной соли, поташа, гипса и др., залегающих вблизи поверхности, также характерно вязкопластичное поведение даже при обычной температуре (5].

В стандартных испытаниях на прочность образцов скального грунта осевые напряжения постепенно возрастают до его разрушения. Скальные грунты также могут деформироваться при постоянном уровне напряжений, это процесс деформации называется ползучестью. Ползучесть зависит от времени при постоянном напряжении и в скальных грунтах связана с распространением трещин (рис. 8.55, б). Стандартные испытания показывают возрастание деформации пропорционально приложенному напряжению до пиковой прочности, при которой образец скальной породы разрушается. В испытаниях на ползучесть напряжения быстро увеличиваются и сохраняются постоянными до разрушения. Деформация, соответствующая пиковой прочности, обычно меньше деформации при ползучести.

Кривая зависимости деформации от времени для испытаний на ползучесть скальных грунтов имеет характерные участки (рис. 8.55, в): упругая деформация возникает в начале, когда приложена мгновенная нагрузка; первичная ползучесть идет, когда снижается скорость деформации; вторичная ползучесть характеризуется медленными деформациями. В конце этой стадии деформации резко возрастают и материал разрушается — проходит стадия про

грессирующей ползучести. В течение первой фазы ползучести материал приспосабливается к приложенному напряжению и трещины медленно, почти при постоянной скорости распространяются до устойчивого состояния. В течение установившейся вторичной стадии ползучести материал разрушается все больше и больше с ростом новых трещин и раскрытием старых, в третьей стадии неконтролируемый рост трещин приводит к разрушению образца [5].

При испытании скальных грунтов устанавливаются следующие показатели:

• • предел прочности на одноосное сжатие /?_с, МПа;
• • модуль упругости ?, МПа;
• • коэффициент Пуассона v.

Для установления прочности на одноосное сжатие применяют следующие методы [22]:

• 1) одноосное сжатие образцов правильной формы плоскими плитами (породы с пределом прочности при одноосном сжатии не менее 5 МПа);
• 2) разрушение образцов-плиток плоскими соосными пуансонами (породы с пределом прочности при одноосном сжатии от 10 до 150 МПа).

Метод одноосного сжатия образцов правильной формы плоскими плитами [22]. Сущность метода заключается в измерении максимального значения разрушающего давления, приложенного к плоским торцам правильного цилиндрического образца через плоские стальные плиты.

Для испытания применяют: станок обдирочно-шлифовальный с плоским чугунным диском, вращающимся вокруг вертикальной оси, или станок плоскошлифовальный; машины испытательные или прессы, максимальное усилие которых не менее чем на 20…30% превышает предельную наїрузку на образец; плиты стальные толщиной не менее 0,3 диаметра d (стороны квадрата) образца и диаметром, на 3…5 мм превышающим диаметр (диагональ квадрата) образца, устройства установочные (рис. 8.56), оснащенные сферическим шарниром (применяют при отсутствии на испытательной машине верхней подвесной сферической плиты), шлифпорошок.

Рис. 8.56. Схема установочного устройства для испытаний на сжатие образцов плоскими плитами.

Размеры и объем проб должны обеспечивать изготовление образцов необходимой численности, размеров и ориентировки относительно направления слоистости; допускается производить консервацию проб негигроскопических пород битуминированной бумагой, полиэтиленовой пленкой или другими водонепроницаемыми материалами, не взаимодействущими с горной породой.

При отборе проб гигроскопических пород (каменные соли, аргиллиты и т. п.) дополнительно отбирают несколько кусков размером не менее 30×30×10 мм и общей массой не менее 200 г для определения исходной влажности пробы. Куски дробят до частиц размером менее 10 мм и сразу же помещают в бюксы, которые для надежной герметизации обматывают клейкой лентой. Исходную влажность фиксируют в паспорте пробы.

Для испытания изготовляют цилиндрические или призматические (с квадратным поперечным сечением) образцы выбуриванием или выпиливанием на камнерезной машине из штуфов и кернов, их торцевые поверхности шлифуют на шлифовальном станке. Образцы из гигроскопических пород изготовляют без применения промывочной жидкости и до начала испытания хранят в эксикаторе. Из слоистых горных пород, или из пород с направленной трещиноватостью, изготовляют образцы, одинаково ориентированные относительно направления слоистости (трещиноватости). Размеры образцов должны соответствовать размерам, указанным в табл. 8.66.

Таблица 8.66.

Размеры обращай при массовых и сравнительных испытаниях

Образцы одной выборки должны иметь одинаковые размеры. Допускаются отклонения расчетных значений диаметра d_t и высоты И, каждого образца от их средних арифметических значений и по всем образцам выборки: по диаметру до I мм и по высоте до 2 мм. Количество образцов при массовых испытаниях должно быть не менее 6, при сравнительных испытаниях должно быть не менее 10.

Образец, в зависимости от наличия или отсутствия на испытательной машине подвесной сферической плиты, размещают, соответственно, либо только между стальными плитами, либо в установочном устройстве (рис. 8.56). Совместив ось образца с центром нижней опорной плиты испытательной машины, образец нагружают равномерно до разрушения со скоростью 1…5 МПа/c. Записывают максимальную величину разрушающей образец силы Р в килоньютонах, с указанием отношения hid для образца.

При необходимости определяют влажность пробы непосредственно в момент испытания. Для этого дробят обломки образцов до частиц размером менее 10 мм, помещают в бюксы и взвешивают. Дробленую породу помещают в бюксы нс позже чем через 10 мин, а взвешивают не позже чем через 30 мин после испытания.

Значение предела прочности при одноосном сжатии (МПа) для каждого /-го образца выборки вычисляют по формуле.

где Р — разрушающая образец сила, кН; S —площадь поперечного сечения образца, см²; А’н — безразмерный коэффициент высоты образца, равный 1 при отношении высоты к диаметру 2 ± 0,05. Для других значений отношения hid коэффициент К_и устанавливают по табл. 8.67.

Вычисления производят с точностью: для площади поперечного сечения образца — до 0.01 см², округляют — до 0,10 см"; частных значений и среднего значения отношения hid — до 0,10; частных значений и среднего арифметического значения, а также среднего квадратического отклонения предела прочности при одноосном сжатии — до 0,01 МПа, (при этом значения менее 10 МПа оставляют без изменения, значения от 10 до 100 МПа округляют до 0,10 МПа, а значения более 100 МПа — до 0,50 МПа); значений коэффициента вариации — до 0,01.

Таблица 8.67.

Значения коэффициента К"

Метод разрушения образцов-плиток плоскими соосными пуансонами [22]. Сущность метода заключается в измерении максимальной разрушающей силы, приложенной к торцам образца через стальные плоские встречно и соосно направленные пуансоны. Метод предложен в 1960 г. Г. Н. Кузнецовым и Б. В. Матвееевым для массовых исследований.

Для проведения испытания применяют (кроме перечисленных в первом способе приборов): устройство нагрузочное (рис. 8.57) или любой другой конструкции, устанавливаемое на опорную плиту испытательной машины, обеспечивающее встречно-соосное приложение нагрузки к торцам образца через стальные пуансоны диаметром 11,27 мм (либо пуансоны диаметром 7,98 мм) с плоскопараллельными торцевыми поверхностями.

Рис. 8.57. Схема нагрузочного устройства для разрушения образцов-плиток.

Для испытания изготовляют образцы-плитки в виде дисков. Допускается изготовлять образцыплитки неправильного очертания в плане с необработанными боковыми поверхностями при условии, что контуры их торцов и боковых поверхностей позволяют вписать диск необходимого размера. Образцы должны иметь диаметр от 30 до 100 мм; высоту — от 10 до 12 мм (для пород с пределом прочности при одноосном сжатии не более 120 МПа) либо от 7,5 до 8,5 мм (для пород с пределом прочности при одноосном сжатии свыше 100 МПа). Количество образцов должно быть не менее 6.

Образец размещают между пуансонами нагрузочного устройства (рис. 8.57), установленного в центре опорной плиты испытательной машины (пресса), совмещая центр диска с осью нагружения. Образец нагружают через пуансоны равномерно до разрушения со скоростью 0,1…0,5 кН/с. Записывают максимальную величину разрушающей образец силы Р в килоньютонах, зафиксированную силоизмерителем испытательной машины, с указанием отношения т = hid для образца. При необходимости определяют влажность пробы непосредственно в момент испытания.

Значение предела прочности при одноосном сжатии (МПа) для каждого образца вычисляют по формуле (8.25), где So — условная площадь поперечного сечения образца, см², выбираемая по табл. 8.68.

Таблица 8.68.

Условная площадь поперечного сечения образца

Условная площадь поперечного сечения образца получена экспериментально и в неявной форме отражает зависимость между пределом прочности породы при одноосном сжатии и прочностью породы в условиях всестороннего сжатия в объеме, заключенном непосредственно между пуансонами и окружающей этот объем породной матрицей [22].

Крепость скальных пород оценивают коэффициентом крепости (/) — условной характеристикой сопротивляемости разрушению породы по формуле:/² R_c/ 100.

Сопротивление породы сжатию зависит от минералогического состава, текстуры, структуры, характера цемента и степени выветрелости. Структурно-текстурные особенности грунтов являются самым важным внутренним фактором, определяющим величину временного сопротивления сжатию. При испытаниях на одноосное сжатие наибольшие значения R_c (при прочих одинаковых условиях) будут характерны для скальных грунтов с прочими фазовыми (цементационными и кристаллизационными) контактами, а наименьшие — для грунтов со смешанными или переходными (точечными) контактами. При этом характер диаграммы «нагрузка-деформация», а также тип деформирования будут различными для хрупких, хрупко-пластичных и пластичных грунтов.

У различных типов скальных грунтов прочность на одноосное сжатие меняется в широких пределах: наибольшая у магматических и метаморфических грунтов, а наименьшая у осадочных скальных грунтов и выветрелых разностей (табл. 8.69).

Дисперсность грунтов также оказывает сильное влияние на параметры прочности. С ростом дисперсности (уменьшением размера частиц, зерен, кристаллов и др.) в единице объема грунта увеличивается число контактов между структурными элементами, вследствие этого увеличивается и прочность структуры в целом. Поэтому мелкозернистые и мелкокристаллические скальные грунты всегда имеют большие значения прочности на сжатие, чем их крупнозернистые или крупнокристаллические разности при прочих одинаковых условиях. Наибольшей прочностью характеризуются равнозернистые и мелкозернистые кристаллические породы — базальты, кварциты и др.

Таблица 8.69.

Временное сопротивление сжатию основных типов скальных грунтов [50]

Большое влияние на прочность оказывает однородность структуры. Наличие в структуре грунта неоднородностей различного порядка, представленных дефектами кристаллов, микротрещинами, пустотами, порами и другими формами, приводит к снижению прочности на сжатие, гак как любая неоднородность может стать «зародышем» магистральной трещины или поверхности разрушения. Поэтому наибольшей прочностью на сжатие при прочих одинаковых условиях обладают скальные грунты с наиболее однородной, «бездефектной» структурой. Такая структура характерна для многих равномерно зернистых разностей магматических (например, гранитов) и метаморфических грунтов (мраморов, кварцитов и др.), а также многих типов осадочных скальных грунтов (хемогенных известняков, доломитов, песчаников, алевролитов аргиллитов). Все эти грунты с однородной структурой, как правило, отличаются более высокими прочностными характеристиками по сравнению с их неоднородными разностями.

Состав и количество жидкости влияет на удельную поверхностную энергию скального грунта и тем самым влияет на величину работы, совершаемой по разрыву структурных связей, поэтому контакт твердой фазы грунта с поверхностно-активной средой (жидкостью или газом) приводит к снижению прочности (эффект Ребиндера). В грунтах такой поверхностно-активной средой чаще всего является вода и водные растворы. Вода, внедряясь по порам и микротрещинам в глубь грунта, ослабляет структурные связи и увеличивает дефектность структуры грунта в целом, и в результате этого любой водонасыщенный грунт всегда имеет более низкую прочность, чем тот же грунт в сухом состоянии.

Пористость и трещиноватость грунтов, являясь элементами их неоднородностей, влияют на значения параметров прочности однозначно: чем больше пористость и трещиноватость грунта, тем ниже значения его временного сопротивления сжатию. Поскольку с увеличением степени выветрелости грунтов обычно увеличивается и их трещиноватость, то при этом снижаются и их прочностные показатели. Выветрелые разности любых грунтов всегда имеют более низкую прочность на одноосное сжатие [50].

Для предварительной оценки оснований, сложенных из элювиальных магматических пород и осадочных сцементированных пород, допускается использовать значения предела прочности на одноосное сжатие в водонасыщенном состоянии R_c грунтов, приведенные в табл. 8.70−8.71.

Таблица 8.70.

Средние значения физических характеристик и предай прочности на одноосное сжатие /?_с элювиальных магматических пород

Определение деформационных показателей скальных грунтов [40]. Сущность метода заключается в измерении сжимающей силы, приложенной к торцам образца, и вызванных этой силой продольных и поперечных деформаций. Метод предусматривает знание или определение предела прочности при одноосном сжатии испытываемой породы. Деформационные характеристики горных пород следует определять в диапазоне требуемых напряжений, при этом диапазон напряжений от 5 до 50% от предела прочности при одноосном сжатии является обязательным.

Испытания образцов проводят для определения зависимости «напряжениедеформация» и следующих деформационных характеристик горных пород с пределом прочности при одноосном сжатии не менее 5 МПа:

• • модуля упругости Е, МПа;
• • коэффициента Пуассона р
• • модуля деформации Ео, МПа;
• • коэффициента поперечной деформации v.

Таблица 8.71.

Значения предела прочности на одноосное сжатие элювиальных осадочных сцементированных пород

Для определения пределов прочности горных пород применяют: установку колонкового бурения или станок вертикально-сверлильный, или радиально-сверлильный станок для выбуривания образцов из проб горных пород; машину камнерезную, снабженную отрезными алмазными кругами диаметром не менее 250 мм; стойку с индикатором часового типа; пресс с гидравлическим приводом или универсальную испытательную машину мощностью, на 20…30% превышающей разрушающую силу; индикаторы многооборотные с ценой деления 0,001 мм или индикаторы часового типа с ценой деления 0,01; тензорезисторы — для измерения относительных деформаций; тензометры, обеспечивающие измерение продольных и поперечных деформаций образцов с погрешностью не более 2%; приборы и устройства, обеспечивающие точность измерения регистрации относительных деформаций и нагрузок не менее 2%; клей для наклейки тензорезисторов.

Для испытания изготовляют цилиндрические или призматические (с квадратным сечением) образцы. Образцы вырезают на камнерезной машине из штуфов или кернов, их торцевые поверхности шлифуют; при необходимости шлифуют боковые поверхности. Образцы из гигроскопических пород изготовляют без применения промывочной жидкости и до начала испытания хранят в эксикаторе. Размеры образцов должны соответствовать следующим требованиям: диаметр d (сторона квадрата а) при массовых испытаниях от 30 до 90 мм (Л: d= 2,0 і 0,1), при сравнительных испытаниях 42 ± 2 мм (Л: d = 2,00 ± 0,05). Диаметр (сторона квадрата) образцов должен быть не меньше 10-кратного линейного размера зерен (неоднородностей), слагающих породу. Измерения производят штангенциркулем с погрешностью не более ±0,1 мм. Количество образцов при сравнительных испытаниях должно быть не менее 5, при массовых — не менее 3. Образцы должны иметь одинаковые размеры, допускается отклонение значений диаметра (сторон квадрата) каждого образца от среднего арифметического не более ±1 мм и высоты не более ±3 мм.

Количество чувствительных элементов датчиков деформаций, закрепляемых на образце, должно быть не менее двух для каждого вида деформаций (рис. 8.58). Их располагают равномерно по периметру в средней по высоте части боковой поверхности образца без наложения друг на друга. Для измерения поперечных деформаций должны применяться только фольговые тензорезисторы. Образец, оснащенный датчиками деформаций, устанавливают на испытательной машине (прессе), датчики деформаций подключают к регистрирующей аппаратуре.

Рис. 8.58. Расположение чувствительных элементов датчиков деформаций.

Образец нагружают до начального напряжения о₀ (напряжения пригрузки), составляющего 5% от предела прочности при одноосном сжатии (<�т = 0,05/?_с). Значения деформаций при напряжении о₀ принимают за условный ноль отсчета деформаций. Индикаторы часового типа устанавливают в положение нулевого отсчета с натягом на 1−2 оборота большой стрелки.

Деформации образца регистрируют не менее чем при десяти значениях напряжения сжатия в процессе нагружения до максимального заданного значения и при последующей разгрузке до также их фиксируя.

При дискретной записи отсчетов интервал времени между отсчетами не должен превышать 10 с при нагружении и разгрузке образца. Продолжительность остановки при переходе от нагружения к разгрузке не должна превышать 30 с.

Значения нагрузок Р, зафиксированные силоизмерителем испытательной машины (пресса), и соответствующие им показания приборов для деформаций (продольных е и поперечных ?2) записывают в журнал испытаний. При необходимости определяют влажность испытанного образца.

По результатам испытаний строят графики зависимостей «напряжение о — деформация ?» (рис. 8.59), на которых каждому зафиксированному уровню напряжений соответствуют относительные деформации образца: продольные при нагружении и При разгрузке ; попсрєчньіє при нагружении И при разгрузке [40].

Модуль деформации Е и коэффициент поперечной деформации в заданном диапазоне напряжений (?"—?_к) определяются по нагрузочным ветвям зависимостей ?-е по формулам (8.4) и (8.5). Модуль упругости и коэффициент Пуассона определяются в этом же диапазоне напряжений по разгрузочным ветвям зависимости о-в по этим же формулам.

Рис. 8.59. Зависимости напряжений о от деформаций і:

При использовании тензометров, измеряющих абсолютные деформации, рассчитывают относительные деформации образца по формулам: є = АІ /1, Є2 = Ad / d (Д ala), где / - база измерения продольных деформаций образца, мм; А/ изменение базы при изменении нагрузки на образец, мм; d (а) — диаметр (сторона квадрата) образца, мм; ?d / ?а — изменение диаметра (стороны квадрата) при изменении нагрузки на образец, мм.

Обработку результатов испытаний образцов производят в следующем порядке: вычисляют до второй значащей цифры средние арифметические значения по пробе для? Ь, v, //, Е, их средние квадратические отклонения и коэффициенты вариации, разделив средние квадратические отклонения на средние арифметические значения.

Упругость скальных грунтов. Скальные грунты сразу после приложения нагрузки в значительном диапазоне напряжений проявляют упругие свойства, поэтому для характеристики их деформационных свойств в основном используют модуль упругости (Е) и коэффициент Пуассона (v). На величину значений показателей деформационных свойств скальных грунтов оказывает влияние не только способ испытаний грунтов, но и особенности их состава и строения. Диапазон изменения упругих констант у скальных грунтов основных типов приведен в табл. 8.72, из которой следует, что среди магматических интрузивных грунтов наибольшая упругость характерна для основных и ультраосновных разностей (оливинитов, перидотитов и нироксенитов): чем при больших давлениях образовалась порода, тем выше ее упругие характеристики.

Среди магматических эффузивных и метаморфических скальных грунтов при прочих одинаковых условиях наибольшая упругость отмечается у наиболее однородных и нетрещиноватых грунтов. Среди осадочных скальных грунтов наибольшей упругостью обладают песчаники с кварцевым и железистым цементом, содержащие магнетит и гематит, имеющие высокие упругие константы.

Влияние минерального состава на упругие свойства грунтов наиболее сильно проявляется при сравнении мономинеральных грунтов или при сравнении низкопористых скальных грунтов. Наличие в грунте слюдистых минералов, а также гипса, серпентина понижает упругие характеристики грунта, тогда как примесь темноцветных минералов, жадеита и корунда повышает их.

Другим важным фактором, влияющим на деформационные свойства скальных грунтов, являются их структурно-текстурные особенности. Для пористых трещиноватых скальных грунтов определяющим фактором их упругости является величина пористости и трещинной пустотности Увеличение пористости и трещинной пустотности (например, при выветривании) во всех типах скальных грунтов приводит к снижению величины их упругих характеристик.

Величина коэффициента Пуассона для всех скальных грунтов увеличивается с водонасыщением грунта (при статических и динамических определениях). Из табл. 8.72 также следует различие величин модулей упругости и коэффициентов Пуассона скальных грунтов.

Таблица 8.72.

Деформационные свойства скальных грунтов [50]

Магматические и особенно метаморфические скальные грунты проявляют анизотропию упругих свойств — зависимость величины упругих параметров от направления деформирования, а точнее от степени ориентации структурных элементов (текстуры). Наименьшей анизотропией характеризуются изверженные грунты с массивной текстурой, а наибольшей — метаморфические грунты с ориентированной текстурой — гнейсы, сланцы, а также осадочные грунты со слоистой текстурой. Модуль деформации в направлении, параллельном слоистости, всегда выше, чем в направлении, перпендикулярном слоистости.

Существенное влияние на упругие характеристики скальных грунтов оказывает характер заполнителя пор и трещин. Воздушно-сухие грунты имеют более низкие значения динамических упругих констант чем водонасыщенные, так как воздух не обладает упругостью по сравнению с водой, по этой же причине трещиноватые скальные грунты с минеральным заполнителем обладают большей упругостью, чем без заполнителя. Статические же модули упругости Е грунтов, наоборот, снижаются при водонасыщении образцов, так как вода обусловливает некоторое проявление грунтами пластических свойств. Причем влияние водонасыщения на упругие константы тем больше, чем выше пористость и трещиноватость грунта.

Величина упругих констант зависит также и от масштабного фактора, т. е. от объема испытываемого грунта. Чем больше объем, тем больше в нем вероятность нахождения различных дефектов (пор, трещин и др.) и выше их плотность, с ростом объема испытываемого грунта снижаются величины упругих констант.

Из внешних факторов, влияющих на упругие константы, основное значение имеет температура грунта. Установлено, что для всех типов скальных грунтов с ростом температуры растет проявление пластических и уменьшается проявление упруг их свойств, поэтому при нагревании скальных грунтов величины упругих констант закономерно снижаются [50].