При исследовании деформаций горных пород в условиях естественного залегания, а также и в образце трудно, а чаще невозможно установить изменение формы слоя, залежи породы, а иногда и образца. Изменение же объема и пространственного расположения компонентов, слагающих породу (кристаллов минералов, обломков пород, цемента), исследовать можно как прямыми, так и косвенными методами. Поэтому в дальнейшем, как и раньше, под деформацией пород мы будем понимать результат изменения взаимного расположения компонентов, слагающих породу, т. е. результат изменения формы сложения и объема.
В скальных породах развиты главным образом деформации упругие — обратимые, восстанавливающиеся после устранения сил, их вызвавших. Они распространяются быстро, практически мгновенно, со скоростью приложения нагрузки. Предел упругости в скальных породах имеет относительно высокое значение, при превышении его порода хрупко разрушается (крошится) с потерей сплошности. В упругой области относительные деформации породы, как линейные, так и угловые, в общем невелики.
В полускальных породах наряду с упругими деформациями развиты деформации пластические — остаточные, не восстанавливающиеся после снятия нагрузки (рис. III-9). Следовательно, полускальные породы являются как бы только частично упругими. Предел упругости их по сравнению с породами скальными мал, при превышении его появляются пластические деформации, нередко переходящие в пластическое течение при постоянной или постепенно увеличивающейся нагрузке. Такие пластические деформации в зависимости от действующей нагрузки развиваются во времени c той или иной скоростью, т. е. являются вязкопластическими.
Характерно, что у многих разностей полускальных пород не вся упругая деформация возникает мгновенно, а лишь со временем достигает своего максимума, соответствующего заданному напряжению. Такие явления упругих последействий — упруговязкие деформации — возникают благодаря замедленным деформациям пленок связанной воды или в какой-то мере гидратированного цемента. Упруговязкие — эластичные — деформации восстанавливаются также во времени, т. е. здесь имеют место обратимые упруговязкие последействия.
Для полускальных пород характерно, что их деформации во времени часто протекают без нарушения сплошности, но при изменении формы сложения и объема. Разрушения таких пород обычно имеют пластический характер, так как происходят после проявления пластической деформации. Как было отмечено выше, в типичных полускальных породах после явно выраженных пластических деформаций в процессе пластического течения (деформирования) появляются трещины, наступает нарушение сплошности породы, происходит хрупкопластическое разрушение. Относительные размеры пластических деформаций (линейных и угловых) по сравнению с упругими значительны. Они часто проявляются четко и наблюдаются макроскопически.
Из изложенного следует, что у полускальных пород в отличие от скальных не наблюдается характерной дли последних однозначности зависимости деформаций от напряжении, так как размеры деформаций у полускальных пород зависят как от напряжений, так и от длительности их воздействия. Для этих пород характерна также неоднозначность пределов прочности и деформации. Численно значения этих показателей существенно зависят от длительности действия нагрузки, скорости ее приложения и соответственно скорости деформации породы.
Полускальные породы по своим прочностным и деформационным свойствам существенно отличаются от пород скальных. Они занимают промежуточное, переходное положение к породам более низкой степени литификации, более слабым — песчаным и глинистым. Общая характеристика деформаций скальных и полускальных пород показана в табл. III-10.

Пластические деформации вызываются необратимыми относительными взаимными смещениями компонентов, слагающих породу, разрушением этих компонентов и структурных связей, возникновением и развитием микро- и макротрещин, уплотнением породы, закрытием трещин и других полостей, раздавливанием выступов и неровностей но плоскостям трещин при их смыкании, раздавливанием и выдавливанием слабых прослойков и неустойчивого заполнителя трещин и в некоторых случаях с отжатием связанной воды при больших нагрузках. Все эти деформации, как было отмечено, развиваются во времени, что характеризует действие внутренних сил в породе, тормозящих развитие деформаций. Пластические деформации являются как бы следствием проявления прогрессирующего развития местных разрушении, которые, накапливаясь, приводят к полному разрушению породы.
Таким образом, отличие упруговязких и вязкопластических деформации скальных пород от таких же деформаций в полускальных породах заключается в том, что для развития одинаковых деформаций в этих группах пород требуются различные условия и время: в скальных породах они развиваются в особых геологических условиях в течение геологических отрезков времени, а в полускальных — при лабораторных и полевых испытаниях, при строительстве и эксплуатации сооружений, в течение месяцев, лет, тысячелетий. Все это обусловливает важнейшие принципиальные различия в оценке строительных качеств скальных и полускальных горных пород.
Дляучетаиоценки деформаций
скальных и полускальных горных пород необходимо знать их деформационные характеристики. К ним относятся:модуль упругости (модуль Юнга) Е, коэффициент поперечной деформации (коэффициент Пуассона) u, коэффициент бокового давления модуль общей деформации Eo. Реже используют модуль, всестороннего — объемного — сжатия Квст, модуль сдвига G и коэффициент упругого отпора Котл.
Согласно закону Гука, относительная деформация Аl/l = ez прямо пропорциональна действующему напряжению о, т. е.
o = EAl/l, откуда E = o/ez.
Из уравнения Гука следует, что модуль упругости является коэффициентом пропорциональности между относительной деформациейизначениемвызвавшего ее напряжения. Численно
модульупругостиравензначению напряжения в паскалях или
мегапаскалях, которое обусловило относительную деформацию, равную единице. Иначе его можно представить как угловой коэффициент зависимости деформации от нагрузки, т. е. как ctg a (рис. III-19).

u = еx/еz, откуда еx = uеz.
Следовательно, коэффициент поперечной деформации (коэффициент Пуассона) представляет собой коэффициент пропорциональности между относительными поперечными деформациями (расширение) и относительными продольными деформациями (сжатие). Этот коэффициент у скальных и полускальных пород изменяется в ограниченных пределах — от 0,10 до 0,40. Чем больше его значение, тем большей податливостью обладает порода.
Коэффициент бокового давления показывает, какая часть вертикальной нагрузки передается через породу в стороны. Численно он равен отношению бокового дав тения породы Pб к вызвавшей его вертикальной нагрузке P:
е = Pо/P.
Коэффициент бокового давления изменяется в пределах от 0—0,1 у скальных пород до 0,2—0,3 у полускальных.
Наиболее важное значение для оценки деформаций скальных и полускальных пород в условиях естественного залегания имеет модуль общей деформации. Он характеризует общую податливость— общую деформацию пород под нагрузкой как за счет упругих, так и за счет остаточных деформаций. При расчете осадок сооружений используют именно этот показатель деформационных свойств горных пород.
Модуль общей деформации является характеристикой, аналогичной модулю упругости, он выражает пропорциональность между общими деформациями породы (упругими и остаточными) и вызывающими их напряжениями, т. е.
Eо = о/еz.
Модуль общей деформации выражается в паскалях и мегапаскалях. Его значения для различных типов горных пород по данным полевых опытных испытаний показаны в табл. III-12.

Модуль общей деформации, как и модуль упругости, изменяется при увеличении нагрузки. Как показывают исследования диабазов основания плотины Братской ГЭС, при увеличении нормальной нагрузки модуль общей деформации уменьшается. Авторы этих исследований объясняют такое явление развитием трещин по радиальным плоскостям, где возникают растягивающие напряжения при нагружении. При исследованиях менее прочных пород, например песчаников и траппов основания плотины Братской ГЭС, верхнемеловых известняков Чиркейской ГЭС, эоценовых битуминозных известняков в долине р. Кассеб (Тунис), с увеличением нормальной нагрузки наблюдались уменьшение постоянство или даже увеличение модуля общей деформации (рис. III-20).




В табл. III-15 показана связь модуля общей деформации горных пород с остаточными деформациями, образующимися при их уплотнении. Из этих данных следует, что чем больше значение остаточных деформаций, тем меньше модуль общей деформации пород.

При исследовании деформационных свойств горных пород применяют методы статические и динамические. В результате получают модули упругости п общей деформации статические и динамические. Статические методы основаны на измерении деформации породы при сжатии — при уплотнении той или иной нагрузкой. Динамические методы основаны на возбуждении в породе волновых колебаний той или иной частоты и определении скорости распространения упругих волн (сейсмических и ультразвуковых).
Характеристики, получаемые этими методами, как правило, различаются по значению. Динамические модули всегда больше статических. Так, по данным полевых исследований верхнемеловых известняков на участке Чиркейской ГЭС в одном случае Ео = 30*10в3 МПа, а Ео.д = 37*10в3 МПа; в другом случае Ео = 15*10в3 МПа, а Ео.д = 26*10в3 МПа. Отношение Eо.д к Eo оказалось соответственно равным 1,21 и 1,70.

Eд = 0,83 + 0,97 Е.
Из сказанного следует, что результаты исследования деформационных свойств горных пород как статическими, так и динамическими методами существенно зависят от состава пород, их физического состояния, измененности напряженного состояния и особенно от степени трещиноватости. В настоящее время не выяснено, насколько результаты динамических исследований физически связаны, т. е. соответствуют результатам статических испытаний. Тем не менее следует рекомендовать шире применять те и другие методы при изучении скальных и полускальных пород. Следует особо отметить, что динамические методы весьма перспективны и прогрессивны; их применение может иметь массовый характер, они позволяют исследовать свойства пород как в образце, так и в условиях их естественного залегания, «просвечивать» большие объемы пород и результаты их имеют сравнительно хорошую корреляционную связь с результатами статических исследований, а также с трещиноватостью и другими свойствами пород.
Из других характеристик деформационных свойств горных пород иногда используют модуль всестороннего, или объемного, сжатия Квст, модуль сдвига G и коэффициент упругого отпора Котп.
Модуль всестороннего, или объемного, сжатия представляет собой коэффициент пропорциональности между напряжением всестороннего сжатия и относительным уменьшением объема образца породы, т. е.
овст = Квст АV/V.
Модуль всестороннего, или объемного, сжатия у скальных и полускальных пород изменяется от 40*10в3 до 110*10в3 МПа. Чем он меньше, тем более сжимаемы породы.

G = т/a.
Модули объемного сжатия и сдвига связаны с основными характеристиками упругих свойств горных пород следующими зависимостями:

Koтп = P/AS,
где Котп — коэффициент упругого отпора, МПа; P — удельная нагрузка, вызывающая соответствующее перемещение обделки опытной секции (гидростатическое внутреннее давление в опытной выработке), МПа; AS — перемещение обделки, нормальное к ее поверхности, см.
Коэффициент упругого отпора можно вычислять также по данным E и u породы по формуле

Так как способность пород оказывать упругий отпор не остается постоянной с изменением размеров подземной выработки, упругий отпор породы изменяется примерно обратно пропорционально объему породы, извлеченной из выработки. Для сравнительной характеристики упругого отпора применяют коэффициент удельного упругого отпора, который характеризует способность пород оказывать упругий отпор в подземной выработке радиусом 1 м. Значения коэффициента удельного упругого отпора Куд.отп. различных пород показаны в табл. III-16.

Куд.отп = 50 afкр,
где а — коэффициент, учитывающий степень трещиноватости породы, равный 0,8; 1 и 1,2 для пород значительной, средней и малой трещиноватости.