Механические свойства глинистых пород

Рассмотрим важнейшие, с точки зрения горной технологии, механи­ческие свойства глинистых пород - их прочностные и деформационные характеристики. При этом будем оценивать их поведение в пластичном со­стоянии (при влажности, соответствующей числу пластичности), при ко­тором глинистая порода собственно и является глиной в обычном понима­нии этого термина. Действительно, в непластичном (сухом) состоянии глина ведет себя аналогично скальным породам, а в текучем - она факти­чески перестает быть твердым телом.

Рис.7.7. Схема испытаний и построение паспорта прочности глинистых пород

Из общих соображений очевидно, что глинистая порода в пластичном состоянии сопротивляется как растяжению, так и сжатию. Однако хрупко­го разрушения (как скальные породы) глина не проявляет, поэтому зафиксировать разрушающую нагрузку при испытаниях глин невозможно. По­этому принято считать прочностью глинистых пород при сжатии такое на­пряжение, при котором линейный размер образца уменьшается в два раза. Сложнее с прочностью при растяжении. При удлинении глинистая порода образует «шейку», вследствие чего площадь поперечного сечения образца непрерывно меняется, и величина прочности становится неопределенной. Поэтому построение паспорта прочности глинистых пород производится путем испытания их на срез со сжатием (рис.7.7). Схема испытания ясна из рисунка. Задавая ступенчато нормальное сжимающее напряжение а, с по­мощью специальной матрицы определяется критическое срезающее на­пряжение. Откладывая точки, соответствующие этим напряжениям, оп­ределяют положение огибающей кругов напряжений Мора. Пористая на­грузочная плита обеспечивает удаление из глины отжатой воды. Особен­ностью паспорта прочности глинистых пород является более выпуклая, чем для скальных пород, огибающая кругов Мора.

Определение деформационных характеристик глинистых пород про­изводят с помощью компрессионных испытаний (сжатие без возможности бокового расширения) в специальных приборах - одометрах (рис.7.8). Об­разец (1) помещают в металлическую обойму с двумя пористыми пласти­нами (2). В ходе нагружения породы поровая вода отжимается наружу и в аккумулирующую емкость (3), что обеспечивает ее доступ к образцу при разгрузке. Как видно на графике, сжатый до этого образец породы начина­ет набухать. Однако восстановление первоначального объема происходит не полностью и осуществляется не за счет упругих сил, а имеет осмотиче­скую природу (расклинивающее действие тонких слоев воды).

Следует обратить внимание на то, что для глинистых пород по оси ординат откладывают величину деформации (иногда приведенную порис­тость, пропорциональную деформации), а по оси абсцисс - напряжения. В соответствии с этим по графику определяют часто не модуль деформации (как для скальных пород), а величину коэффициента сжимаемости,

(7.8)

Как следует из графика (рис.7.8), величина этого коэффициента пе­ременна и зависит от принятого диапазона напряжений (). Для полу­чения сопоставимых результатов часто при небольшом интервале давле­ний (например, при определении несущей способности глин) принимают и. Последняя величина соответствует основанию натуральных логарифмов.

При необходимости оценить поведение глинистой породы при боль­ших напряжениях (например, при проектировании процессов разработки пород) построение графика деформации производят в полулогарифмических координатах (рис.7.9). В этом случае график деформации изобража­ется в виде прямой (участок AB). Угловой коэффициент этой прямой на­зывается коэффициентом компрессии, и размерности не имеет

(7.9)

Рис.7.8. Схема испытаний к определение коэффициента сжимаемости

Pси.7.9. Определение коэффициента компрессии

В отличие от ползучести процесс уплотнения глинистых пород во времени при постоянной нагрузке, но при отсутствии возможности боко­вого расширения, называется консолидацией.