ГлавнаяСтепень подвижности глинистых пород определенной влажности или, точнее, степень подвижности частиц, слагающих эти породы, при воздействии внешних усилий и характеризует их консистенцию, которая зависит от вязкости породы, т.е. внутреннего сопротивления перемещению в ней частиц. При вязкости n—>00 порода приобретает полутвердую или твердую консистенцию, при n—>0 она становится текучей. Вязкость и соответственно консистенция пород проявляются только при их деформации. Консистенция глинистых пород при действии на них одинаковыми стандартными внешними усилиями, но при различной влажности может быть текучей, пластичной или твердой (табл. VIII-6). Следовательно, физическое состояние глинистых пород, так же как скальных и полусказьных. зависит от их напряженного состояния. Степень деформируемости глинистых пород естественной влажности заметно, а иногда и значительно изменяется при нарушении их естественного сложения. Вследствие того, что в глинистых породах действуют структурные связи разной прочности и водостойкости, их консистенция может быть скрытопластичной или скрытотекучей. При нарушении естественного сложения глинистые породы становятся явнопластичными или явнотекучими. В соответствии с этим при нарушении естественного сложения глинистых пород изменяются их прочность, деформируемость и устойчивость, хотя влажность остается неизменной. Все это по называет, что при характеристике и оценке физического состояния глинистых пород надо учитывать как их влажность, так и сложение.
При различной консистенции глинистые породы характеризуются различной плотностью, прочностью, деформируемостью и устойчивостью. В зависимости от консистенции и естественной уплотненности, характеризуемой коэффициентом пористости, выбирается нормативное давление на такие пороты (СНиП II—15—74). Поэтому определение консистенции глинистых пород имеет первостепенное значение для оценки их строительных качеств.
Обычно она характеризуется определенными влажностями. Эти характерные влажности принято называть пределами консистенции. Наиболее важными из них для определения физического состояния глинистой породы являются предел текучести и предел пластичности. Предел текучести соответствует такой влажности, при незначительном превышении которой глинистая порода нарушенного сложения из пластичного состояния переходит в текучее и становится вязкой жидкостью. Предел пластичности соответствует влажности, при которой глинистая по рода также нарушенного сложения из полутвердого состояния переходит в пластичное. Соответственно при пределах текучести и пластичности происходит резкое изменение внутреннего со противления глинистых пород деформациям — их прочности. Между пределами текучести и пластичности глинистые породы обычно находятся в пластичном состоянии, т.е. в таком, когда пол действием внешней силы они могут принимать различную форму и сохранять ее после устранения этой силы, не изменяя при этом своего объема.
Интервал влажности, в пределах которого глинистая порода находится в пластичном состоянии, называется числом пластичности Чем оно больше, тем большей пластичностью обладает порода Это число в значительной мере характеризует степень глинистости породы. Поэтому его используют для ориентировочной классификации глинистых отложений главным образом четвертичного возраста. Если число пластичности >17%, то порода высокопластична и ее классифицируют как глину, при числе пластичности 7—17% порода среднепластична — суглинок, при числе пластичности 1—7% порода слабопластична — супесь. Однако эта классификация иногда не согласуется с классификацией глинистых пород по гранулометрическому составу, так как их пластичность может повышаться или понижаться также в зависимости от минерального состава тонкодисперсной части, присутствия или повышенного содержания различных примесей (пылеватых частиц, органики, солей и др.) и других факторов. Поэтому, используя число пластичности как простейший показатель при массовых определениях, необходимо в порядке контроля для ограниченного числа типичных образцов пород производить гранулометрический анализ и уточнять их классификацию и характеристику. Средние значения пределов пластичности некоторых типов глинистых пород приведены в табл. VIII-7.
Новейшие исследования показывают, что пластичность глинистых пород зависит главным образом от минерального состава их тонкодисперсной части, т. е. частиц размером менее 0,002 мм. Глинистые монтмориллонитовые породы всегда более пластичны, чем гидрослюдистые, а последние обычно более пластичны, чем каолинитовые. Это видно из данных, приведенных в табл. VIII-8. Важное значение при этом имеет как общее содержание глинистых минералов в породе, так и разнообразие их состава и строения в каолинитовой, гидрослюдистой и монтмориллонитовой группах. Поэтому, как видно из табл. VIII-8, для каждого типа глин пределы и число пластичности изменяются в довольно широких интервалах. Однако тип глины, определяемый по преобладающим глинистым минералам в породе, во всех случаях проявляется в их пластичности довольно резко.
Пластичность глинистых пород существенно зависит также от состава обменных катионов и емкости поглощения. Из табл. VIII-8 видно, что глины, насыщенные одновалентными ионами, значительно более пластичны, чем глины, насыщенные двухвалентными ионами. Среди одновалентных ионов особенно большое влияние оказывают Na+ и Li+. Поэтому, например, Na-глины всегда более пластичны, чем Са-глины. Из приведенных данных также видно, что обменные катионы наибольшее влияние оказывают на изменение предела текучести и числа пластичности, тогда как предел пластичности подвержен меньшим изменениям у каждого типа глин.
Определенное влияние на пластичность глинистых пород оказывает их активность в физико-химическом отношении (показатель емкости поглощения), а также состав и минерализация воды, насыщающей породы. Как видно из табл. VIII-8 и VIII-9, монтмориллонитовые глины, характеризующиеся высокой физико-химической активностью (высокая емкость поглощения), отличаются и высокой пластичностью, тогда как глины с малой емкостью поглощения менее пластичны.
Минерализация водных растворов влияет на адсорбционные свойства частиц, слагающих породу, и, следовательно, на породу в целом. С повышением концентрации раствора уменьшается толщина гидратных оболочек вокруг частиц и снижается пластичность пород, и, наоборот, с понижением концентрации водных растворов пластичность породы повышается. При этом, как видно из табл. VIII-9, влияние концентрации растворов на пластичность проявляется только у пород с высокой физикохимической активностью. Породы неактивные (инертные) в физико-химическом отношении мало реагируют на изменение минерализации окружающей среды.Таким образом, на пластичность глинистых пород влияют многие факторы: дисперсность, минеральный состав, примеси, коллоидно-химические свойства, состав и минерализация водных растворов, насыщающих породы, и др. Однако главное влияние, определяющее природу пластичности глинистых пород, оказывает минеральный состав тонкодисперсной (глинистой) части и активное взаимодействие ее с водой — гидрофильность.
Связь между составом глинистых пород, их коллоидно-химическими свойствами и пластичностью выражают показателем коллоидной активности. Этот показатель характеризует относительное содержание в тонкодисперсной части глинистой породы минералов с различной коллоиднохимической активностью. Его определяют из соотношения
где Aк — показатель коллоидной активности; Wт — предел текучести, %; Wр — предел пластичности, %; Мс — содержание глинистых частиц (<0,002 мм) в породе, %; Iп — число пластичности, %.По показателю Aк глинистые породы подразделяются на три группы: 1) Ак>1,25, породы с высокой коллоидной активностью (высокоактивные гидрофильные глины, обычно монтмориллонитовые); 2) 1,25>Ак>0,75, породы со средней коллоидной активностью (нормально-активные глины); 3) Ак<0,75, породы с низкой коллоидной активностью (неактивные, слабогидрофильные глины, обычно каолинитовые).
Глинистые породы с высокой коллоидной активностью имеют довольно высокую влагоемкость, при увлажнении набухают, значительно уплотняются под действием внешней нагрузки, могут резко изменять прочность при увлажнении. Кроме того, так как у таких пород емкость поглощения обычно высока, их свойства в значительной степени зависят от состава обменных катионов.
Так как изменение пластичности глинистых пород под влиянием тех или иных факторов связано главным образом с изменением предела текучести, многие исследователи уже давно используют его для характеристики состава и активности глинистых пород. Породы, обладающие высокими значениями Wт и Iп, относятся к тяжелым глинистым разностям, которые обычно высокопластичны и активны в физико-химическом отношении.
Так как каждая глинистая порода нарушенного сложения при строго определенной влажности обладает определенной консистенцией, то пределы консистенции являются более или менее постоянными. Если сравнивать естественную влажность породы с характерными влажностями, соответствующими пределам консистенции, то можно получить приближенное представление о ее состоянии, как это показано в табл. VIII-10. Так, например, если W>Wт, то глинистая порода после нарушения естественного сложения должна стать текучей, если Wт>W>Wр — пластичной и если Wh>W — полутвердой.Следовательно, глинистые породы в условиях естественного залегания и сложения могут существенно отличаться от тех же пород нарушенного сложения или от глинистых паст, приготовляемых в лабораторных условиях растиранием глинистой породы с водой. Поэтому при оценке консистенции глинистой породы в условиях естественного залегания это обстоятельство следует учитывать. Согласно строительным нормам и правилам на проектирование естественных оснований зданий и сооружений (СНиП II—15—74), для ориентировочного суждения о состоянии глинистых пород в условиях естественного залегания следует определять показатель консистенции В:
B = (W—Wp)/Iп.
Из этого выражения видно, что В имеет отрицательное значение для пород, естественная влажность которых меньше предела пластичности, т. е. пород в твердом состоянии (табл. VIII-11). При влажности породы в интервале от предела пластичности до предела текучести значение В соответственно изменяется от 0 до 1. Если естественная влажность превышает предел текучести, то показатель консистенции >1.
Удобной характеристикой состояния глинистых пород является показатель их относительной консистенции Dк.
Если естественная влажность породы больше предела текучести, Dк имеет отрицательное значение и порода соответственно имеет малые прочность и плотность, а при нарушении естественного сложения — текучее состояние. Если естественная влажность меньше предела пластичности, Dк имеет значение больше 1 и характеризует твердое состояние породы.Следовательно, с повышением значения Dк от 0 до 1 плотность и прочность глинистой породы повышаются, а деформируемость понижается. Из приведенных выражений видно, что показатель консистенции и относительная консистенция связаны между собой зависимостью Dк = 1—В.
Для суждения об относительной дегидратированностн глинистых пород полезно вычислять показатель относительной влажности пород, равный Wотп = W/Wт. Когда Wотн больше единицы — породы сильновлажные, в избытке содержат свободную воду и при нарушении естественного сложения приобретают текучую консистенцию. Чем Wотн меньше, тем более дегидратирована порода, тем более устойчива ее консистенция.В настоящее время для оценки консистенции глинистых пород широко применяют методы пенетрации и зондирования. Эти методы используют также для изучения и других физико-механических свойств горных пород. Сущность их состоит в определении сопротивления пород проникновению в них наконечников определенной формы и размеров. Если глубина погружения наконечника не превышает его высоты, метод называют пенетрацией (рис VIII-2, а), а если превышает — зондированием (рис. VIII-2, б). Метод зондирования применяют главным образом при полевых исследованиях.
Метод пенетрации теоретически хорошо обосновывается решением задачи предельного равновесия горных пород под штампом и коническим наконечником. Установлено, что пределам пластичности соответствуют вполне определенные значения предельной прочности пород, выявляемые методом пенетрации. При этом для характеристики результатов пенетрационных испытаний П.А. Ребиндер предложил применять пластическую прочность Pm (условное предельное сопротивление сдвигу), а В. Ф. Разоренов — удельное сопротивление пенетрации Rпн и коэффициент пенетрации N, т. е. относительное удельное сопротивление пенетрации.
где Ka — константа конического наконечника; если угол при вершине конуса а = 30°, то Ка = 0,959; P — усилие пенетрации, МПа; h — глубина погружения конического наконечника под влиянием усилия Р; Rт.пн — удельное сопротивление пенетрации глинистой породы нарушенного сложения при влажности, равной пределу текучести, составляющее 0,008 МПа.Оценку консистенции глинистых пород по результатам пенетрации можно производить согласно табл. VIII-12.
В.А. Приклонский для определения степени естественной уплотненности глинистых пород предложил сопоставлять коэффициент пористости пород в условиях естественного залегания со значениями этого коэффициента, соответствующими характерным их состояниям, т. е. пределам пластичности, и вычислять коэффициент естественной уплотненности Kd.
Значение Kd имеет тот же смысл, что и показатель относительной консистенции Если Kd меньше нуля, то естественная пористость породы выше пористости, отвечающей пределу текучестию Это породы недоуплотненные. Отрицательное значение Kd имеют глинистые осадки и породы, находящиеся на начальных стадиях формирования (морские и озерные илы), или такие, уплотнение которых было задержано геологическими процессами (проеадочные лёссовые породы).Если Kd больше нуля, но меньше единицы, то естественная пористость породы равна значениям пористости, соответствующим между пределами текучести и пластичности. Такими значениями обладает большинство глинистых неметаморфизованных пород, залегающих на небольшой глубине в недислоцированных районах. Это породы средней уплотненности
Если Kd больше единицы, то естественная пористость породы меньше пористости, соответствующей пределу пластичности. Значением Kd большим единицы обладают глинистые породы сильно уплотненные.
Пределы пластичности глинистых пород, используемые для оценки их консистенции, отвечают нарушенному сложению пород, т е состоянию паст, приготовленных из них. Поэтому все перечисленные выше показатели служат только для косвенного, приближенного суждения о состоянии (консистенции) глинистых пород после нарушения их естественного сложения. Породы естественного сложения благодаря действию в них структурных связей по своему состоянию, т.е. консистенции и прочности, могут существенно отличаться от тех же пород нарушенного сложения. Поэтому уже давно делаются попытки перейти от косвенных, приближенных методов оценки консистенции и прочности глинистых пород к методам прямым, позволяющим испытывать породы естественного сложения и влажности как в лабораторных, так и в полевых условиях.Так, например, К. Терцаги и P. Пэк для этой цели предложили производить испытания образцов пород естественного сложения призматической или цилиндрической формы на временное сопротивление сжатию. По К. Терцаги и Р. Пэк, очень мягкая консистенция соответствует прочности на сжатие (МПа) <0,025; мягкая — 0,025—0,05; среднежесткая (липко-пластичная)—0,05—0,1; жесткая (вязкопластичная) — 0,1—0,2; очень жесткая (полутвердая) — 0,2—0,4; чрезвычайно жесткая (твердая) > 0,4. Широко применяются также испытания пород естественного сложения пенетрацией для сравнительной оценки их плотности и прочности. Однако критерии для классификации и оценки консистенции глинистых пород естественного сложения пока не установлены. Поэтому важнейшее значение для их характеристики и оценки, наряду с использованием различных косвенных показателей, имеет подробное описание состояния пород при макроскопическом их изучении на разных стадиях инженерно-геологических исследований.
Как показывают наши многочисленные исследования, различные глинистые породы малой степени литификации и неустойчивой консистенции, переходящие при нарушении естественного сложения в текучке, характеризуются обычно пластической прочностью, редко достигающей 0,08—0,1 МПа. Породы средней степени литификации, более устойчивой консистенции (при нарушении естественного сложения пластичны) имеют пластическую прочность, достигающую 1,5—2,0 МПа. Породы высокой и предельно высокой степени литификации характеризуются пластической прочностью, измеряемой единицами мегапаскалей. Примерно такие же значения пластической прочности для различных глинистых пород получены И.М. Горьковой.
Для того чтобы определить влияние нарушения естественного сложения и структурных связей глинистых пород на консистенцию и прочность, оценивают их чувствительность. Мерой (индексом) чувствительности глинистых пород является отношение прочности на одноосное сжатие (пли сопротивление сдвигу) или пластической прочности породы естественного сложения к прочности той же породы при той же влажности, но нарушенного сложения
где Iк — показатель (индекс) чувствительности породы; Rсж. ест. сл — прочность на одноосное сжатие породы естественного сложения и влажности; Rcж.наруш.сл — прочность на одноосное сжатие той же породы естественной влажности нарушенного сложения.Как отмечают К. Терцаги и Р. Пэк, для большинства глинистых пород значение IF находится в пределах от 2 до 4, для чувствительных пород — от 4 до 8, очень чувствительные глины имеют показатель чувствительности, измеряемый десятками и даже сотнями единиц.