Главная
Необратимые (остаточные) деформации возникают вследствие уменьшения пористости и увеличения плотности сложения породы в результате нарушения структурных связей и перемещения частиц и их агрегатов друг относительно друга Такие деформации называют структурными. В рыхлых несвязных песчаных и других обломочных породах структурные деформации протекают быстро, почти мгновенно. В глинистых породах они протекают не мгновенно, а с последействием, для их завершения требуется определенное время.Обратимые деформации являются следствием сил упругости минеральных частиц, водных и коллоидных пленок, облекающих минеральные частицы, а также замкнутых пузырьков воды, воздуха или газов. Истинно упругие деформации протекают мгновенно и при давлениях, которые испытывают песчаные и глинистые породы от действия сооружений, ничтожны. Другая часть обратимых (восстанавливающихся) деформаций связана с изменением толщины гидратных оболочек, характерных для глинистых пород. При сближении частиц в таких породах, когда уплотняющее давление превышает силы расклинивающего давления пленок воды, т. е. когда внешнее давление превышает сорбционные силы взаимодействия породы с водой, толщина гидратных оболочек уменьшается. Косвенным показателем этого является изменение влажности породы.
При разгрузке породы или свободном доступе к ней воды (увлажнении) сорбционные силы могут превысить напряжения в ее структурных связях, толщина гидратных оболочек будет увеличиваться, а это вызовет разуплотнение и набухание породы. В некоторых типах глинистых пород такие деформации могут достигать больших размеров, особенно если первоначально устранить силы, сдерживающие набухание (нарушить структурные связи, снять внешнее давление). Поэтому коэффициент пористости породы после снятия давления может оказаться большим, чем в начале опыта. У таких разгруженных пород уплотнение часто происходит не за счет изменения естественной пористости, а вследствие того, что они были предварительно разуплотнены.
Обратимые деформации, связанные с изменением толщины гидратных оболочек, по предложению Н.Я. Денисова, принято называть структурно-адсорбционными. По перемещению частиц эти деформации сходны со структурными, но по значительной роли адсорбционных явлений они отличаются от них.
Структурно-адсорбционные деформации развиваются медленно, с последействием, для их завершения необходимо продолжительное время. Медленные структурно-адсорбционные деформации, развивающиеся под действием постоянного внешнего давления, называются ползучестью.
При уплотнении песчаных и других обломочных пород развиваются главным образом необратимые деформации, структурные, а упругие имеют подчиненное значение. При уплотнении глинистых пород происходят одновременно и обратимые, и необратимые деформации — упругие, структурные и структурноадсорбционные (табл. VIII-21).
При неоднократном уплотнении и разуплотнении породы общая деформация постепенно увеличивается, так как каждое повторное давление, особенно если оно больше предыдущего, вызывает дополнительную деформацию AS. На кривой сжатия образуется перелом. Этот перелом, очевидно, свидетельствует о том наибольшем напряжении, которое порода испытала ранее. Перелом на кривой уплотнения образуется часто и при первом цикле загрузки породы в компрессионном приборе, если первую ступень нагрузки прикладывать небольшими долями, например по 0,01 МПа, до того момента, пока не будет зафиксирована первая деформация породы. Это давление является эффективным, так как оно необходимо для начала сжатия и уплотнения породы, для преодоления или уравновешивания внутренних напряжений в породе (сорбционных сил — сил набухания) или прочности структурных связей. Если внешнее давление будет меньше эффективного (прочности структурных связей), деформация породы будет настолько мала, что ею можно пренебречь и рассматривать породу как квазитвердое тело.
На рис. VIII-22 видно, что разные породы имеют неодинаковую прочность структурных связей и соответственно для них неодинаково эффективное давление. Чем древнее порода, тем больше эффективное давление и тем меньше ее сжимаемость при давлении выше эффективного. Так, например, у поздне- и послеледниковых глинистых пород она составляет 0,03—0,05 МПа, у моренных ледниковых — 0,1, у каменноугольных и девонских соответственно 0,1 и 0,2, у кембрийских синих глии — 0,4—0,5, а у верхнепротерозойских превышает 0,6.При достаточно большом числе циклов нагрузок и разгрузок остаточные деформации в породах постепенно затухают, а проявляются лишь упругие. Порода приобретает упругое уплотненное состояние, становится малосжимаемой (рис. VIII -23).
На рис. VIII-24—VIII-27 приведены результаты испытаний верхнепротерозойских глин на компрессию, выполненных по разным схемам.На рис. VIII-24 показано влияние предварительного набухания глин, а на рис. VIII-25 — их набухание после уплотнения нагрузками до 1,5 МПа. В первом случае структурные связи в породе были нарушены расклинивающим давлением пленок воды, проникающей в породу, а во втором — действием нагрузки. На рис. VIII-24 видно, что значительная часть сжатия глин произошла в результате их предварительного разуплотнения (набухания) при свободном доступе влаги. Рис. VIII-25 показывает, что набухание глин после уплотнения происходит быстро и достигает сравнительно значительных размеров; если после такого набухания их вновь начать уплотнять, то, естественно, значительная сжимаемость их будет также результатом только разуплотнения и набухания.
На рис. VIII-26 и VIII-27 показаны результаты испытания глин на сжатие при естественной влажности. Причем как в том, так и в другом случае при давлении выше эффективного (1,6 и 1,4 МПа) глины трижды уплотнялись до 2,0 МПа и 2 раза разуплотнялись до эффективного давления, а третий раз — до нуля, т. е. выше эффективного давления получены петли гистерезиса. Из этих кривых видно, что рассматриваемые глинистые породы слабосжимаемы, обладают малыми остаточными деформациями, в них проявляются главным образом упругие деформации.
На рис. VIII-28 приведены типичные компрессионные кривые послеледниковых иольдиевых глин из долины р. Кемь (Карелия). На этих кривых видно, что коэффициент пористости глин при давлении, равном нулю, соответствующий естественным условиям залегания, необычно велик. Эффективное давление для этих пород мало, оно составляет 0,02—0,05 МПа, при превышении его глины начинают сильно уплотняться. При нарушении естественного сложения сжимаемость их резко увеличивается во много раз начиная с малых давлений. При разгрузке глин после уплотнения обнаруживаются большие остаточные деформации, которые, несомненно, являются следствием главным образом структурных деформаций.
На рис. VIII-29 приведены компрессионные кривые мелкозернистого песка рыхлого сложения и песка, уплотненного трамбованием. Песок рыхлого сложения значительно сжимаем и имеет большие остаточные деформации явно структурного характера. У песка плотного сложения сжимаемость значительно меньше, а остаточные деформации невелики. Все это показывает, что на деформируемость песчаных и вообще обломочных пород большое влияние оказывает плотность сложения.