8.1. Полевые способы определения сжимаемости пород

В полевых условиях для определения сжимаемости пород на испытуемую по­роду в шурфе и скважине посредством штампа передают статиче­скую нагрузку, постепенно возрастающую во времени. Под дей­ствием этой нагрузки порода испытывает три фазы деформации.

1.Фаза уплотнения, в процессе которой происходит деформации сжатия породы непосредственно под штампом в виде колонки. Окружающая колонку порода не подвергается деформации. Эта фаза характеризуется линейной зависимостью между нагрузкой и деформацией (отрезок ОА на графике стадий деформации породы под нагрузкой, рис. 8.2).

2.Фаза сдвига, в процессе которой нарушается линейная зави­симость между нагрузкой и деформацией. Приращение деформации опережает увеличение нагрузок, отдельные участки породы начи­нают сдвигаться относительно друг друга, наступает состояние пре­дельного равновесия массива породы, окружающей сжимаемую ко­лонку (отрезок АБ на графике рис. 8.2).

3.Стадия разрушения, в процессе которой происходит резкое увеличение деформаций, разрушение породы в массиве, непосред­ственно окружающем сжимаемую колонку, и выпирание породы вверх. Нагрузка, соответствующая началу этого процесса, назы­вается пределом несущей способности.

Рис. 8.2 Стадии деформации породы под нагрузкой штампом

Для обеспечения устойчивости породы под сооружением его давление не должно превышать давления, отвечающего конечному периоду первой стадии деформаций, т. е. давления Р₁на графике (рис. 8.2).Это давление называется предельным, или критической нагрузкой, а внутреннее сопротивление породы сжатию, соответствующее этой нагрузке, —несущей способностью. Кроме критиче­ской нагрузки и несущей способности по результатам опытов опре­деляют модуль общей деформации, который для прямолинейного участка графикаS=f(P) рассчитывается по формуле

гдеQ —полная нагрузка на штамп, кГ;

S —конечная осадка штам­па, отвечающая нагрузке Q,см,

d —диаметр штампа или круга, равновеликого площади штампа квадратного или прямоугольного сечения;—коэффициент поперечного расширения (коэффициент Пуассона), принимаемый для песков и супесей равным 0,30,для суглинков — 0,35и для глин — 0,40.

Существует много конструкций установок для испытания пород проб­ными нагрузками в шурфах или скважинах. Основной деталью этих устано­вок является штамп, с помощью кото­рого на породу передается давление. В России принят стандартный штамп квадратной формы площадью 5000см² для испытаний в шурфах. Для испыта­ний в скважинах применяется штамп площадью 600см². Штамп обычно представляет собой толстую стальную плиту, усиленную ребрами жесткости. Остальные детали установок служат для передачи давления на плиту.

Для измерения осадок применяются специальные приборы: прогибомеры и нивелиры.

На штамп, установленный на необходимой глубине в шурфе или скважине, передается давление ступенями 0,25—0,5кГ/см², и про­изводятся наблюдения за осадкой штампа. Давление увеличивает­ся по мере затухания деформаций от предыдущей ступени. Общее давление доводится в слабых породах до разрушающего (третья фаза деформаций), а в плотных породах —до предельного (вторая фаза деформаций).

По наблюдениям за осадкой штампа строят график зависимо­сти осадки штампа от времени. По результатам опытной нагрузки составляют график зависимости осадки от давления, при этом осадки штампа откладывают на период начала приложения данно­го давления и на период условной стабилизации при этом давле­нии. В силу этого график получается ступенчатым (рис. 8.3).Точ­ка А на графике считается критической точкой перегиба, отделяю­щей начально-прямолинейный участок графика от участка, где за­висимость между осадками и давлением выражается кривой.

Рис.8.3 График зависимости осадки штампа от давления

Следует отметить, что величины модуля общей деформации, опреде­ленные для одной и той же породы лабораторным способом и полевым, отличаются друг от друга. Модуль деформации, получаемый по данным лабораторных исследований, обычно значительно меньше значения моду­ля деформации, определяемого для той же породы по полевым опытным нагрузкам..

В последнее время для опреде­ления модуля деформации пород в скважинах стала применяться прессиометрия. Сущность этого способа заключается в том, что в буровую скважину на необходимую глубину опускают эластичную камеру, запол­ненную водой. После этого при по­мощи сжатого воздуха создают в этой камере давление и замеряют деформации ее. Изменив несколько раз давление, получают ряд на­блюдений за деформациями. По данным этих наблюдений рассчи­тывается модуль деформации.

Весьма перспективным для определения физических свойств прочности и деформационных свойств пород является также пенетрационно-каротажные методы, разрабатываемые Всесоюзным научно-исследовательским институтом гидрогеологии и инженерной геологии. Суть их заключается в изучении сопротивления проникно­вению в толщу породы зондов-датчиков, вдавливаемых специальными гидравлическими установками на глубину до 25м. Одновременно с определением этого сопротивления производится комплекс модификаций радиоактивного каротажа. В результате получают непрерывную информацию о составе, свойствах и состоянии пород в виде диаграмм. Комплексная интерпретация этих данных позво­ляет получить необходимые расчетные данные для проектирования оснований сооружений без бурения скважин и лабораторных иссле­дований образцов пород.