Природа прочности горных пород (грунтов)

Под действием внешней нагрузки в отдельных точках (областях) грунта эффективные напряжения могут превзойти внутренние связи между частицами грунта, при этом возникнут сдвиги одних частиц или агрегатов их по другим и может нарушиться сплошность грунта в некоторых областях, т. е. Прочность грунта будет превзойдена.

Внутренние связи в различных породах зависят от свойств горных пород и грунтов (сил внутреннего трения, структурного оцепления Сс и связность Σω).

В скальных породах, подобных граниту или известнякам, превалируют жесткие необратимые связи структурного сцепления Сс.

В сыпучих, несвязных грунтах наибольшее значение приобретают силы внутреннего трения.

В глинистых грунтах наибольшее значение имеет связность Σω. При изменении условий (обезвоживания) могут проявиться силы внутреннего трения и структурного сцепления (компоненты сопротивляемости сдвигу).

Природа внутреннего трения в грунтах

Природа сил внутреннего трения в рыхлых сыпучих грунтах (песках) зависит от шероховатости частиц сыпучих пород. При воздействии на грунт сжимающих нормальных напряжений между частицами возникают силы трения, проявляющиеся при взаимном их смещении.

Удельная сила трения S_тр (её размерность кгс/см², мПа) определяется по формуле:

S_тр=p*f (3.15)

где f – коэффициент трения, характеризующий шероховатость частиц песка.

Коэффициент трения можно выразить через трения φ(f=tgφ), тогда

S_тр=p*tgφ (3.16)

Угол внутреннего трения зернистых пород зависит от плотности их сложения, а показателем плотности является пористость n, выражаемая в процентах или в долях единицы. В этом случае

S_тр=p*tgφ_n

Для глинистых грунтов коэффициент f и угол внутреннего трения φ зависят от степени увлажнения породы (влажности). Учитывая это

S_тр=p*tgφ_ω

Природа структурного сцепления Сс. Структурное сцепление придает породе жесткость и твердость. Этот вид сцепления объясняется наличием в породе жестких связей между слагающими частицами. Структурное сцепление особенно характерно для скальных пород, определяя их прочность.

В глинистых грунтах структурное сцепление выражено значительно менее ясно. В сыпучих грунтах (песок, щебень) структурное сцепление отсутствует. В плотных песках, песчано-гравелистых и галечниковых грунтах возникает некоторое взаимное зацепление зерен.

- проявление структурного сцепления Сс.

Структурные связи имеют упругий характер определяющие степень деформируемости пород, их уплотняемость.

При разрушении структуры породы или грунта, структурные связи безвозвратно нарушаются и имеют необратимый характер.

Структурное сцепление может нарушиться:

- при чрезмерной нагрузке (раздавливание структурного скелета);

- при необратимом сдвиге;

- при чрезмерном увлажнении.

В последнем случае происходит пучение (набухание) глинистых грунтов. Природа связности глинистых грунтов

Связность Σω характерна для глинистых пород и определяет их прочность.

В зависимости от степени увлажнения, глинистые породы могут многократно переходить из твердого состояния в полуразжиженное и наоборот, что можно наблюдать во время распутицы. На этом основана технология прессования сырцовых кирпичей. Пластические свойства глины известны скульпторам.

Таким образом, связность Σω в отличие от структурного сцепления Сс имеют обратимый характер. Это свойство определяется их водно-коллоидной природой.

Свойство глинистых грунтов пластически деформироваться и подвергаться пучению объясняются содержанием в породе каолинита Al₂O₃*2SiO₂*2H₂O, монтмориллонита Al₂O₃*4SiO₂*nH₂O.

Внутреннее сопротивление, препятствующее сдвигу частиц или агрегатов частиц слагается из внутреннего трения, сил сцепления, которые в свою очередь зависят от величины уплотняющих давлений, возникающих в точках и на площадках контактов частиц.

Показатели сопротивления сдвигу — это основные показатели сопротивления тел внешним силам.

Опытное определение сопротивления грунта сдвигу производится различными методами: по результатам прямого плоскостного среза, простого одноосного сжатия, трехосного сжатия, среза по цилиндрической поверхности, вдавливания и др.

указанными методами определяется максимальное (предельное) сопротивление грунта сдвигу, когда исчерпывается полностью сопротивление грунта сдвигающим усилиям.