Сопротивление глинистых пород сдвигу

17.06.2018
Сопротивление сдвигу — сдвигающее усилие, вызывающее максимальную деформацию сдвига без нарушения сплошности испытуемой пробы. Сопротивление сдвигу обычно определяется в условиях постепенного увеличения нагрузки. Для глинистых пород оно меняется в зависимости от тех же факторов, которые влияют и на величину сопротивления раздавливанию, а также в зависимости от вертикального давления, которому подвергается глинистая порода.

Уинтеркорн и Мурмэн показали, что сопротивление сдвигу глинистых грунтов находится примерно в логарифмической зависимости от содержания влаги при низкой влажности. Очевидно, такая зависимость отсутствует при большой влажности, когда на сопротивление сдвигу весьма сильно влияют природа глинистого минерала и состав обменных катионов. Кроме того, важен фактор времени. Так, монтмориллонитовые грунты, особенно те, в которых в качестве обменного катиона присутствует натрий, имеют очень малую проницаемость, поэтому для равномерного распределения воды после изменения давления необходим продолжительный период времени. Если испытания проводились при отжиме воды, результаты будут различны в зависимости от того, проводились эти испытания быстро или достигалось равновесие в содержании воды.

В табл. 5-6 приведены величины сопротивления сдвигу без нарушения сплошности проб для глинистых пород различного состава.

На фиг. 5-8 приведены кривые, иллюстрирующие зависимость между числом пластичности и сопротивлением сдвигу для некоторых перемешанных глин; это один из видов зависимости, обычно имеющей место между указанными выше величинами. Величина сдвигового усилия меняется по мере увеличения глубины залегания, а следовательно, с возрастанием давления вышележащих толщ (фиг. 5-9). На некоторой глубине может располагаться зона, в которой величина сопротивления сдвигу остается постоянной, несмотря на увеличение давления вышележащих пород. Показатель консистенции в этой зоне также постоянный (фиг. 5-7) и не зависит от глубины. Скемптон и Бьеррум показали, что прочность глин с более высокими числами пластичности интенсивно возрастает по мере увеличения глубины. Можно думать, что прочность монтмориллонитовых глин возрастает довольно интенсивно.


Самюэлс отмечал, что в монтмориллоните (вайомингском бентоните) сопротивление сдвигу меняется в зависимости от состава обменных катионов, которые по степени увеличения сопротивления сдвигу располагаются в следующем порядке: натрий, кальций, алюминий (фиг. 5-10). Этот исследователь также показал, что сопротивление сдвигу натриевого, кальциевого и алюминиевого каолинитов почти аналогично сопротивлению сдвигу монтмориллонита, содержащего в качестве обменного катиона алюминий. Уинтеркорн и Мурмэн отмечали увеличение угла внутреннего трения с 19 до 22° при замещении обменных катионов водорода, кальция и натрия природных глинистых грунтов катионом калия. Обменные катионы очень мало влияют на величину угла внутреннего трения каолинитовых глин.

Сопротивление сдвигу глинистого грунта с ненарушенной текстурой может быть больше прочности этого же грунта после перемешивания при этой же влажности. Часто сопротивление сдвигу образцов, ранее претерпевших деформацию сдвига, сильно увеличивается в течение некоторого времени после снятия давления без изменения влажности. Сущность этих явлений будет рассмотрена ниже при обсуждении чувствительности грунтов.

На основании данных по сопротивлению сдвигу образцов различных глинистых грунтов с ненарушенной структурой, приведенных в табл. 5-6, видно, что четкая зависимость между сопротивлением сдвигу и составом глинистых минералов отсутствует. В природных глинистых грунтах на величину сопротивления сдвигу влияют многие факторы, причем установить их влияние пока невозможно. Однако различия в составе глинистых минералов, слагающих грунты, дают весьма разные величины сопротивления сдвигу.


Сопротивление глин сдвигу слагается из двух величин — сопротивления сцепления сr и коэффициента внутреннего трения tg фr — согласно формуле tf = сr + on' tg фr, где оn' — эффективное сжимающее напряжение, нормальное плоскости сдвига. Сопротивление сцепления не зависит от нормального давления и обусловлено цементацией, или слипанием, частиц. Сопротивление сцепления — это сопротивление глин сдвигу после снятия вертикального давления. Пески и алевриты, почти не содержащие глинистых минералов, совсем не обладают сцеплением. Внутреннее трение глин обусловлено трением частиц и обычно увеличивается по мере возрастания вертикального давления. Скемптон отмечает следующее.

«Если образец глины получить путем нормального уплотнения шликера под давлением on' а затем подвергнуть его сдвигу при медленно возрастающем напряжении, чтобы давление поровой воды могло распределиться равномерно (определение сдвига в условиях «отжима» воды), то tf = сr + on' tg фd, где фd — угол сопротивления сдвигу в условиях «отжима» воды. Если, кроме того, cr — сопротивление сцепления глин при содержании воды меньше, чем имело место при определении сопротивления сдвигу в условиях «отжима» воды, то составляющая сопротивления сдвигу, которая обусловлена силами сцепления, равна cr/on' tg фd, а другая составляющая, обусловленная внутренним трением, равна tg фr/tg фd = 1 - [cr/on' tg фd]. На фиг. 5-11 показано изменение этих составляющих сопротивления сдвигу в зависимости от коллоидальной активности для восьми нормально уплотненных пород. Вряд ли можно рассчитывать, что здесь имеет место какая-то точная зависимость, однако, судя по этим данным, чем больше коллоидальная активность, тем, без сомнения, в большей степени сопротивление сдвигу обусловлено силами сцепления».

Эти данные показывают, что в бентоните силы сцепления составляют 80% сдвигающего напряжения, в иллитовых глинах — 40—60%, тогда как в каолинитовой — менее 20%.

На фиг. 5-12 приведена кривая, иллюстрирующая изменение угла внутреннего трения в зависимости от числа пластичности. Угол внутреннего трения для каолинитовой глины равен 20°, для иллитовых глин — 10—15°, а для монтмориллонитовой глины приближается к 0.

Обсуждение


Прочное сцепление монтмориллонитовых глин нельзя объяснить только высокой емкостью адсорбции ими воды или очень малым размером частиц. По-видимому, наиболее логично предполагать способность их ориентировать молекулы адсорбированной воды. Кроме того, жидкая вода, вероятно, почти не связывает частицы, тогда как вода, состоящая из ориентированных молекул, должна обладать значительной силой сцепления. В случае монтмориллонитовых глин сопротивление сдвигу изменяется в зависимости от состава обменных катионов, которые по степени увеличения сопротивления глин сдвигу располагаются в следующем порядке: натрий, кальций, алюминий. Из этого, по-видимому, явствует, что при обычной естественной влажности глинистых пород толщина пленок воды на частицах, вероятно, такова, что катион кальция будет способствовать значительно лучшей ориентировке молекул воды, чем катион натрия.

Для других глинистых минералов характерны меньшие силы сцепления, чем для монтмориллонита, видимо, потому, что они обычно обладают меньшей способностью ориентировать молекулы воды, присутствующей в грунтах. Это обусловливается, вероятнее всего, большей крупностью частиц минералов, а также их структурными особенностями. Большие размеры частиц этих глинистых минералов и относительно худшая спайность обычно приводят к возникновению некоторого заметного внутреннего трения.

Зона постоянной величины сопротивления сдвигу и постоянного показателя консистенции, расположенная на некоторой глубине от земной поверхности (фиг. 5-7 и 5-9), указывает на то, что здесь имеет место равномерное распределение влажности, не нарушается оно и при резких изменениях вертикального давления. Для нарушения равномерного распределения необходимо некоторое предельное давление вышележащих толщ, причем это нарушение, вероятно, связано с потерей ориентировки у части ориентированных водных молекул. Это способствует общему уменьшению содержания воды, что в свою очередь приводит к возрастанию величины сопротивления сдвигу. Автор предполагает, что изменение величины сопротивления сдвигу с глубиной легче объяснить, учитывая характер адсорбированной воды, а не только связи между частицами. Кривые фиг. 5-7 и 5-9 построены для грунтов, содержащих иллит и монтмориллонит. Интересно получить такие же данные для каолинитовых пород, т. е. для таких пород, которые обладали бы меньшей емкостью адсорбции воды. В случае каолинитовых грунтов зона постоянного сопротивления сдвигу и постоянного показателя консистенции развита, видимо, хуже.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: