Скорость уплотнения рыхлых несвязных и мягких связных горных пород

На завершение структурных и структурно адсорбционных деформаций в песчаных и особенно глинистых породах при уплотнении затрачивается определенное время. Если породы насыщены водой, то их уплотнение, как уже отмечено выше, возможно при выжимании воды из пор. Скорость выжимания воды, а следовательно, и скорость уплотнения пород зависит от их водопроницаемости и скорости преодоления вязкого сопротивления движению частиц и их агрегатов друг относительно друга. В соответствии с этим в глинистых породах гидростатическое равновесие наступает медленно, а в песчаных быстро. Поэтому осадки сооружений, возведенных на глинистых породах, протекают месяцы, годы, десятки лет и более, а на песчаных породах завершаются быстро, обычно в строительный период. В связи с этим прогноз скорости уплотнения представляет практический интерес главным образом для глинистых слабоводопроницаемых и гидрофильных пород. Для песчаных и других обломочных водопроницаемых пород развитие деформаций во времени обычно не прогнозируют.
Процесс уплотнения глинистых пород под постоянной нагрузкой принято называть консолидацией. Его обычно изображают в виде кривой консолидации (рис. VIII-33). Каждая кривая консолидации строится для определенной ступени давления. Они отражают зависимость между деформацией породы (сжатием) и временем. Для построения кривых консолидации на оси абсцисс откладывают время, а на оси ординат — значения коэффициента пористости или значения процента консолидации, вычисляемого по следующей формуле:


где U — степень консолидации, %; Aht — изменение высоты образца породы по истечении времени t от начала опыта; Ah — изменение высоты образца породы при полной стабилизации ее уплотнения от данного давления (конечная осадка, или деформация породы в результате приложения давления).

Кривая консолидации любых глинистых пород показывает, что вначале, непосредственно после приложения давления, их уплотнение происходит наиболее интенсивно, а затем постепенно замедляется до полной стабилизации. Поэтому кривая постепенно выполаживается.

Процесс уплотнения (консолидации) глинистых пород зависит от ряда факторов, ведущими из которых являются следующие:

1) прочность структурных связен в породах; пока эти связи не нарушены, деформация породы имеет упругий характер и протекает быстро, уплотнение же ее начинается при давлении выше эффективного;

2) водопроницаемость пород, влияющая на скорость выжимания воды из водонасыщенных пород к соответственно па скорость их уплотнения. Пока напорный градиент в поровой воде не превысит начальный для рассматриваемой глинистой породы, отжатия воды происходить не будет и уплотнение породы будет сдерживаться;

3) вязкость пород (внутреннее сопротивление частиц породы перемещению), влияющая на скорость развития структурных и структурно-адсорбционных деформаций.

Как отмечает Н.Н. Маслов, в зависимости от физического состояния, водонасыщенности и свойств глинистых пород в процессе их уплотнения могут превалировать те или другие факторы. Уплотняемость глинистых пород высокой степени литификации ограничена прочными структурными связями и высокой плотностью. Скорость уплотнения глинистых пород малой степени литификации, имеющих молекулярные тиксотропно-коагуляционные связи и особенно не полностью водонасыщенных, определяется в первую очередь их вязкостью. Скорость уплотнения таких же пород, но водонасыщенных зависит, как правило, от их водопроницаемости и действующей нагрузки В глинистых породах вследствие малой водопроницаемости всегда наблюдается отставание деформации уплотнения от скорости увеличения нагрузки. О ходе этого уплотнения можно судить по изменению высоты образца породы, подвергающегося уплотнению, а также по изменению поровог0 давления. Поровое давление, возникающее от действия уплотняющей нагрузки, равно


По мере отжатия воды и соответствующего уплотнения породы поровое давление постепенно уменьшается (рассасывается) и при гидростатическом равновесии становится равным начальному напору для данной глинистой породы р = hн.

Так как скорость установления такого равновесия и соответственно затухания осадок сооружений зависит от фильтрационных свойств глинистых пород, первую фазу их уплотнения часто называют фильтрационной консолидацией. Для оценки скорости уплотнения пород в этом случае привлекают фильтрационную теорию уплотнения (консолидации), основывающуюся на законах и уравнениях фильтрации. Многочисленные опыты показывают, что в любых глинистых породах основная часть деформаций (составляющих 0,80—0,95 от полных) связана с фильтрационной консолидацией, а остальная часть — с развитием ползучести, т. е. медленного уплотнения пород под постоянной нагрузкой. Так как развитие деформаций ползучести продолжается и после наступления гидростатического равновесия в породе, эту фазу их уплотнения называют вторичной консолидацией. В связи с медленным развитием деформаций ползучести сколько-нибудь заметного изменения порового давления в породе при этом не происходит.

Сущность расчета времени фильтрационной консолидации глинистых пород сводится к следующему. Представим себе, что порода, насыщенная водой, уплотняется в кольце специального (компрессионно фильтрационного) прибора постоянной нагрузкой о. При стабилизации уплотнения в течение времени t из породы будет выжато определенное количество воды Вычислим, какое количество воды будет отжато в процессе уплотнения породы. Для удобства все вычисления отнесем не к полной высоте (мощности) слоя породы Н, а к уменьшенной h0, которую порода имела бы при наименьшей пористости Эта высота, называемая приведенной, близка к высоте минеральной части (скелета) породы н в процессе сжатия практически остается неизменной. Так как объем минеральной части в 1 см3 породы равен 1/(1+е), то приведенная высота слоя породы будет равна


Коэффициент фильтрации породы, отнесенным к приведенной высоте слоя, будет равен
Согласно закону Дарси, количество воды, выжатое из породы в процессе уплотнения, равно
где H2—H1 — действующий напор в норовой воде; для рассматриваемого случая он вызван постоянно действующим давлением о и равен H2—H1 = о/ув; ув — плотность воды; l — путь фильтрации воды, для рассматриваемого случая наименьший путь фильтрации равен нулю, наибольший — h0/2, так как в компрессионно-фильтрационных приборах фильтрация воды происходит в две стороны — вверх и вниз; средний путь фильтрации равен l=1/2(0+h0/2) =h0/4; F— площадь кольца прибора, см2.

Введя соответствующие обозначения в формулу Дарси, будем иметь
Так как o = о2—o1, то
Объем выжатой из породы воды в процессе уплотнения может быть выражен иначе. В единице объема породы объем пор равен е/(1+е). В породе, насыщенной водой, объем пор равен объему воды. При увеличении давления на породу от o1 до сг2 соответственно уменьшается коэффициент ее пористости от e1 до е2, объем выжатой воды при этом должен быть равен
где h' — высота слоя породы, соответствующая коэффициенту пористости е2. Так как h(1+e1) и h'/(1+ez) равны приведенной высоте слоя породы h0, остающейся постоянной во все время уплотнения породы, то можно написать
Приравнивая это уравнение к уравнению, выведенному по формуле Дарси, будем иметь
Если коэффициент фильтрации отнести к полной высоте слоя породы h, будем иметь
Откуда время t, необходимое для уплотнения слоя породы высотой (мощностью) h при увеличении давления от o1 до 02, будет равно
Из приведенного следует, что время уплотнения (консолидации) образца породы высотой h легко вычисляется, если известны коэффициент сжимаемости а, коэффициент пористости е, соответствующий постоянно действующему давлению о, и коэффициент фильтрации Кф. Все эти исходные данные получают в результате испытания пород на компрессию и фильтрацию.

Если известно время уплотнения t образца породы высотой h, то можно определить время уплотнения T слоя этой породы мощностью Н; так как отношение времени уплотнения двух образцов одной и той же породы примерно пропорционально отношению квадратов их мощностей, т. е.
Теорией фильтрационной консолидации и экспериментальными наблюдениями доказано, что между степенью консолидации породы и временем существует соотношение
где U — степень консолидации, или осадка (%), которая произошла за данный период времени по отношению к полной осадке; Tu — безразмерное число, называемое фактором времени, определяющее скорость осадки в данных условиях давления; Cu — коэффициент консолидации, отражающий совместное влияние водопроницаемости и сжимаемости породы при данной пористости на скорость ее уплотнения, Сu = Кфф(1+l)/(аув); H — половина высоты образца (точнее, наибольший путь фильтрации воды при уплотнении породы, если движение ее идет вверх и вниз) ; t — время, соответствующее значению U.

Из приведенного выражения видно, что время, необходимое для достижения определенной степени консолидации глинистой породы, растет пропорционально квадрату H и зависит от многих факторов. Необходимо отметить, что вопрос о скорости уплотнения глинистых пород наиболее разработан только для условий фильтрационной консолидации. Однако в результате исследований, выполненных на кафедре инженерной геологии Ленинградского горного института, установлено, что при оценке уплотняемости глинистых пород малой и умеренной степени литификации до сих пор недооценивается значение деформаций ползучести. Лабораторные опыты и анализ работы разнообразных сооружений, возведенных на слабых водонасыщенных глинистых породах, показал, что отжатие воды из них происходит обычно при напорных градиентах, значительно больших, чем те, которые создаются давлением от сооружений. Мощность «зоны активной фильтрации» в основании сооружений обычно мала, особенно в породах повышенной глинистости.