Механични свойства на скалите

Под механичните свойства на скалите разбираме способността им да устояват на външни механични влияния. От механичните свойства на скалите зависи степента на тяхната деформация и якост под действието на външни натоварвания и следователно поведението в основата на конструкциите, в склоновете на изкопи, кариери, ями, в подземни изработки и др.. Механичните свойства на почвите се дължат на комбинацията от техните физични свойства и съществуващите физични и геоложки процеси.

Механичните свойства на насипните скалив строителната практика са от най-голямо значение, тъй като тези скали са разпространени почти навсякъде. За тях се определят основно свиваемостта (устойчивостта на натиск) и устойчивостта на срязване.

Устойчивост на почвите на натиск. Степента на свиваемост и уплътненост на почвите зависи от техния гранулометричен състав, структура, съдържание на влага, минерален състав, филтрационни свойства, разпределение и вид на действащото натоварване, нарушение на естествената структура и други фактори. Степента на свиваемост на песъчливите и глинестите почви не е еднаква. Свиваемостта на пясъчните скали се определя от взаимното движение на отделните зърна едно спрямо друго, компактността на тяхното опаковане и при големи натоварвания от степента на раздробяване на отделните зърна. Обикновено е малък по размер, възниква бързо и не зависи от влажността.

Свиваемостта на глинестите почви е по-голяма от тази на песъчливите. Те се характеризират с пластични деформации дори при малки натоварвания, особено когато почвите са навлажнени. В сухо състояние и при много ниска влажност глинестите почви имат почти същата механична якост като скалите. Влажните глинести почви се деформират при натиск без видимо нарушение на тяхната структура. Това се улеснява от хидратиращи черупки наоколоминерални, глинени частици и разтвори на пори, частично поемащи натоварването от конструкции. Процесът на компресия на такива почви е удължен във времето и зависи от техните филтрационни свойства, които определят условията за изстискване на порите, температурата и други фактори.

Съпротивлението на взаимното движение на минерални частици в отделно гранулирани почви (пясък, чакъл, натрошен камък и др.) се упражнява главно от сили на триене, които се проявяват по протежение на плъзгащата се повърхност. Когато такива почви са изложени на динамично редуващи се натоварвания, тяхното уплътняване може да бъде по-значително и да протича по-бавно.

Индикаторите за свиваемост на почвата се определят както в лабораторни условия върху проби с ненарушена или нарушена структура, така и в естествени условия на поява на скали чрез натоварване на щампи в ями и кладенци, както и по други методи. Свиваемостта на насипни скали в лабораторни условия се определя в устройства за компресия с твърди стени - одометри, което изключва възможността за странично разширение на почвената проба или в стабилометри, които осигуряват триаксиално компресиране на пробата за изпитване. Вторият начин за по-правилно определяне на свиваемостта на почвите моделира тяхното поведение в основата на конструкциите. В одометъра можете да определите коефициента на уплътняване, общия модул на деформация и коефициента на филтрация на почвата. Изпитването на почвата в стабилометър дава възможност за цялостно определяне на механичните свойства на некохезионни и кохезионни почви: коефициент на уплътняване, общ модул на деформация, коефициент на вътрешно триене, адхезия, филтрационни свойства и др.

Най-важният показател за механичните свойства на почвите, получен по време на изпитванията на компресия, екоефициент на уплътняванеиликоефициент на натиск, който характеризира промянатапорьозност и по този начин обема на скалата, когато натоварването се промени. За налягания, които обикновено се срещат в строителната практика, 9,8-10 4 - 4,9-10 5 Pa, коефициентът на уплътняванеa се определя приблизително по формулата:

където P1, P2 и e1, e2 са натоварванията и съответстващите им коефициенти на намалена порьозност, отстранени от графиката или взети според резултатите от експеримента.

Почвите са силно свиваеми при a>1,02x10 -6 1/Pa, умерено свиваеми при a>1,02x10 -7 ≤ a≤1,02x10 -6 и слабо свиваеми при -7 1/Pa.

Според резултатите от тестовете за натиск се определя иобщият модул на деформация Eo, чиято стойност се определя приблизително според отношението Eo=l/a или по-точно по формулата, като се вземат предвид коефициентите на уплътняване, странично натиск и намалена порьозност. Коефициентът на уплътняване и особено общият модул на деформация са най-важните проектни показатели, включени във формулите за изчисляване на прилягането на проектираните конструкции.

Устойчивостта на почвата на срязванее основата за определяне на носещата способност на фундаментните почви, оценка на стабилността на склоновете, изчисляване на налягането на скалите върху облицовката на подземни изработки и подпорни конструкции и за други инженерни изчисления. Устойчивостта на срязване на отделно гранулираните почви се определя от устойчивостта на триене на твърди минерални частици върху плъзгащата се повърхност. Кохезионните почви се характеризират главно със структурни вътрешни връзки между минералните частици, коагулация, кондензация и отчасти кристализационна адхезия, които определят тяхната здравина. Общоприето е, че устойчивостта на всички видове рохкави почви на срязване се определя както от триенето, така и от кохезията, но в зависимост от състава на почвите и техните физични свойства едното или другото може да преобладава.

Най-честоизползваните методи за определяне на показателите за устойчивост на срязване на почвата са:

определяне на устойчивостта на срязване по една или две равнини, предварително фиксирани в устройства за срязване;
определяне на съпротивлението на срязване чрез раздробяване на проби при едноосово и триосно натиск;
определяне на устойчивостта на срязване от ъгъла на откос.

В практиката на лабораторните изследвания най-често се използва първият метод.

Резултатите от изпитването на устойчивостта на почвите на срязване се изразяват под формата на графика, на чиято абсцисна ос са нанесени стойностите на натоварването, на ординатната ос - съответните сили на срязване. Математически съпротивлението на срязване на почвата се изразява чрез уравнението на К. Кулон:

където t е съпротивление на срязване, Pa;

s - нормално налягане, Pa;

f - коефициент на вътрешно триене, равен на tg j°,

j° - ъгъл на вътрешно триене

Това уравнение показва, че общото съпротивление на срязване е равно на нормалното налягане, умножено по коефициента на вътрешно триене, плюс някаква константа C, което показва, че дори при липса на нормално налягане трябва да се приложи известна сила на срязване m = C, за да се постигне срязване.

Силата C, която се съпротивлява на срязване при отсъствие на външен товар, се наричасвързване. Коефициентът на вътрешно триене f и кохезията C са най-важните показатели за якост на почвата при инженерно-геоложките изследвания.

В некохезионни отделно гранулирани почви кохезионните сили C са пренебрежимо малки, те могат да се приемат равни на нула. Следователно зависимостта на устойчивостта на такива почви към срязване се определя само от коефициента на вътрешно триене. В чистите насипни скали ъгълът на вътрешно триене j° е много близък до ъгъла на естественото им покой, т.е. ъгълът, който се образуварохкава песъчлива почва с хоризонтална повърхност. Ъгълът на естествения наклон на почвите се определя във въздушно-сухо състояние и под вода със специални инструменти. Влажността донякъде намалява устойчивостта на отделно гранулирани почви, особено ако съдържат глинеста фракция. В кохезионните глинести скали съпротивлението на срязване зависи от кохезията и коефициента на вътрешно триене. Овлажняването на глинести почви значително намалява вътрешното триене между частиците и намалява адхезионните сили.

Механични свойства на скали с твърди връзки.Процесите на деформация на скали и полускали са свързани с разрушаване на минерални кристали и разкъсване на структурни връзки. В напуканите скали, претърпели изветряне, деформационните процеси протичат главно по отслабени зони - пукнатини, равнини, разслоения, кухини и др. Под въздействието на натоварвания от инженерни конструкции скалните и полускалните скали се държат като твърди, еластични, практически несвиваеми тела. Тяхната висока якост се дължи на значителните адхезионни сили между отделните минерали и минерални агрегати, изграждащи скалата.

При изследване на такива скали техните деформационни свойства се оценяват под формата на якост, модул на еластичност E и общ модул на деформация E7. Има механична якост на скалите и полускалите при натиск, срязване (срязване), опън (разкъсване) и огъване. Най-важното в инженерната практика еякостта на натиск на скалите, характеризираща се с временната устойчивост на скалата на натиск. Това съпротивление представлява крайното натоварване, при което скалният образец се разрушава. Якостта на натиск на скалите се определя чрез раздробяване на проби под налягане. Зависи от минералния състав, текстурата,структура, естеството на връзката между зърната на скалата и степента на нейното изветряне. Обикновено якостта на натиск на скалите и полускалите е много висока, така че те са надеждни основи за инженерни конструкции.

Якостта на някои седиментни скали (мергели, кални камъни, пясъчници с глинест цимент и др.) намалява при навлажняване. Степента на намаляване на съпротивлението във времето на скалите на компресия, когато те се овлажняват, се наричаомекване; трябва да се има предвид в строителната практика. При изучаване на скалата като облицовъчен материал, в допълнение към омекотяването, трябва да се определи и вземе предвид тяхната устойчивост на замръзване и химическа устойчивост.

Скалите и полускалитеякост на срязване(срязване),опън(разкъсване) иогъванеса значително по-ниски от тяхната якост на натиск. Средно якостта на тези скали на срязване е 6-8%, на опън 3-5% и на огъване - 7-15% от якостта им на натиск. Силата на скалите се увеличава с тяхното двустранно и многостранно компресиране, което трябва да се вземе предвид при провеждане на изследвания.

При използване на скали като материали за пътни настилки, тротоари, подове, стълбища и др., се оценява тяхнатаустойчивост на сили на абразия, която зависи от твърдостта на скалите.

Якостта на скалитесе използва за оценка на съпротивлението на скалите по време на прокарването на минни изработки и разработването на минерали. Според метода на М. М. Протодяконов се определя от коефициента на якост, чиято единица е временното съпротивление на скалния куб на смачкване, равно на 9,8 10 6 Pa. Якостта на скалите варира от части от единица за песъчливо-глинести почви и почви до 10 -20 единици за здрави скали.

В строителната и минната практика изкуственипромяна на инженерно-геоложките свойства на скалите. В същото време физическите свойства на скалите могат да бъдат фундаментално променени (циментиране, силицификация, смолизиране, битумизиране, глинизиране, топлинна обработка, въвеждане на различни добавки за укрепване на скалите по време на пътно строителство). Свойствата на скалите се променят за кратък период на изграждане или временна експлоатация (замръзване, дренаж, електродренаж).