Полускальные и скальные породы и их механические свойства
Скальным и полускальным горным породам свойственны жесткие связи между образующими их частицами. От мягких (связных и сыпучих) грунтов они отличаются по своим механическим характеристикам, которые схожи со свойствами твердых тел, изучаемых в сопротивлении материалов. Поэтому к твердым горным породам относят скальные и полускальные.
Обычно они используются в качестве надежного основания для сооружения, но некоторые их разновидности (выветрелые, сильно трещиноватые), имеющие ослабленные структурные связи, необходимо особо изучить перед их использованием в качестве основания строения.
К механическим свойствам твердых горных пород относятся механическая прочность, твердость и крепость.
Способность вышеуказанных пород противодействовать разрушению под влиянием напряжений, проявляющихся при нагрузке, называют механической прочностью. Выделяют следующие разновидности механической прочности: на изгиб, растяжение, срез, сжатие и удар. Проводя инженерные изыскания часто используют испытания полускальных и скальных пород на сжатие, который представляет значительный интерес в геологических и инженерных целях.
Предел прочности на сжатие рассчитывают по следующей формуле:
где Р – нагрузка, под воздействием которой разрушается образец испытуемой породы (исчисляется в кг); а F является площадью исходного поперечного сечения образца (в см2).
Структура породы, ее текстура, минералогический состав, тип цемента, а также степень выветрелости определяет сопротивление сжатию. Самая высокая прочность характерна для мелкозернистых и равнозернистых кристаллических пород (базальт, кварцит и пр.).
Обычно прочность пород может изменяться в разных направлениях, вследствие чего в ходе испытаний образцы следует ориентировать таким образом, чтобы были учтены условия их залегания.
Существуют несколько видов пределов прочности при сжатии образцов: в условиях естественной влажности, в водонасыщенном и воздушно-сухом состоянии.
Под воздействием влаги некоторые полускальные породы (аргиллиты, мертели и пр.) начинают терять прочность. Указанное свойство (размягчаемость породы) выражают коэффициентом размягчаемости, который можно представить в качестве отношения пределов прочности на сжатие непосредственно до и после пропитывания влагой. Чем больше уменьшается прочность породы под воздействием увлажнения, тем ниже будет коэффициент размягчаемости.
Коэффициент размягчаемости, почти равный единице, присущ изверженным породам. Низким коэффициентом размягчаемости (менее 0,5) обладают породы, включающие глинистый или легко растворимый в воде цемент, а также осадочные породы. Как правило, коэффициент размягчаемости определяют только для полускальных пород, включающих глинистый или другой слабый цемент. Для определения прочности породы раздавливают образцы с правильной геометрической формой (кубической или цилиндрической) под прессом. При помощи специальных коронок на сверлильных станках высверливают образцы в форме цилиндра. В процессе изготовления образцов в форме куба применяют специальные дисковые пилы.
Применяемая в процессе изготовления образцов дисковая пила
Полученные образцы обрабатывают на шлифовальном станке. Точность отшлифовки каждой плоскости проверяют с помощью металлического угольника или штангенциркуля. Технические условия и ГОСТы устанавливают формы и параметры образцов, тип отшлифовки их поверхности, а также иные условия, соблюдение которых необходимо в ходе проведения производственных испытаний различных материалов.
Дисковая пила для изготовления образцов
Подготовленные образцы шлифуют на шлифовальном станке. Правильность обработки плоскостей проверяют металлическим угольником или штангенциркулем. Размеры и формы образцов, а также характер обработки их поверхности и другие условия испытаний для различных материалов определяются ГОСТами и Техническими условиями, которые необходимо точно соблюдать при производственных испытаниях.