Для характеристики деформационных свойств грунтов используются: модуль деформации E (модуль упругости Еу и модуль общей деформации Еобщ), коэффициент поперечного расширения р., модуль сдвига G и модуль объемного сжатия К.
Показатели деформационных свойств в пределах справедливости закона Гука связаны определенными зависимостями, которые позволяют по двум любым показателям определять остальные.
Модуль упругости Eу равен отношению напряжения при одноосном сжатии к относительной обратимой деформации.
Модуль общей деформации Еобщ равен отношению напряжения при одноосном сжатии к общей относительной деформации.
Очевидно, что Еобщ < Eу. Для линейно-деформируемых материалов модуль упругости равен модулю деформации и не зависит от напряжения, т. е. является величиной постоянной. Но для большинства горных пород модуль упругости и модуль общей деформации являются переменными показателями, зависящими от величины и продолжительности действия давления.
В зависимости от продолжительности давления на грунт различают: модуль динамической упругости Ел, модуль статической упругости Eд и модуль общей деформации Еобщ. Между этими модулями существует такое соотношение: Eд > Eу > Еобщ
Разница между статическим модулем упругости и модулем общей деформации зависит от вида породы и ее структуры: для скальных пород отношение Eу к Еобщ равно примерно 2, а для рыхлых глинистых пород может достигать нескольких порядков, так как их деформация происходит в результате существенного уплотнения грунта.
Для расчета осадки сооружений при действии статических нагрузок используется величина равновесного модуля общей деформации Еобщ, а при расчете деформаций от. кратковременных динамических нагрузок — величина Eу. Модуль динамической упругости Eд применяется в основном для установления определенных корреляционных соотношений.
Влияние минералогического состава на упругие свойства скальных грунтов. К настоящему времени накоплено значительное количество данных по упругим константам основных породообразующих минералов. Значение модуля упругости различных минералов изменяется в широком пределе. Такие минералы, как корунд, пирит, гранаты, магнетит, гематит, жадеит, оливин, циркон, обладают высокими значениями модуля упругости, равными или превышающими упругость стали (2•105 кГ/см2). Затем идут минералы с высокой упругостью: диопсид, эпидот, авгит, роговая обманка, флюорит, апатит. Такие широко распространенные в осадочных дисперсных грунтах минералы; как кварц, полевые шпаты, слюды, кальцит, обладают средней упругостью. И наконец, есть минералы (серпентин, гипс и др.), обладающие низкой упругостью.
Влияние минералогического состава слагающих породу частиц на упругость можно установить лишь для образцов пород, обладающих незначительной пористостью (п<1%). При больших значениях пористости упругость пород определяется их структурно-текстурными особенностями (в основном пористостью, трещиноватостью и размером частиц).
У малопористых пород упругие параметры непосредственно зависят от упругих констант слагающих их минералов. Так, слюды дают понижение упругих констант пород, а темноцветные минералы и гранат —
повышение. Поэтому особенно высокой упругостью обладают ультраосновные породы и эклогиты. Упругость плагиоклазов зависит от их состава: с повышением основности упругие константы плагиоклазов растут. В связи с этим лабродориты по своей упругости занимают среднее место между кислыми и основными породами. Особо высокой упругостью обладает жадеит — минерал, типичный для особо плотных пород больших глубин. Этот и другие факты показывают, что упругость минералов и пород оказывается тем выше, чем при больших давлениях они образовались.
Высокими значениями модуля деформации, близкими по величине к модулю упругости основных минералов, обладают эклогиты, перидотиты, амфиболиты, пироксениты, габбро и диабазы, т. е. породы, принадлежащие к ультраосновным и основным интрузивам.
Влияние пористости и трещиноватости на модуль упругости и модуль общей деформации скальных пород. При рассмотрении изменения модуля упругости близких по минералогическому составу пород, но имеющих различную пористость, видно, что для каждой петрографической группы пород значения модуля упругости уменьшаются с ростом пористости. Для пород с высокой пористостью (n>10%) величина модуля упругости будет полностью определяться влиянием пористости.
Трещиноватость скальных пород является основным фактором, определяющим их деформируемость и прочность. Поверхность трещин в результате наличия макро- и микроскопических выступов и впадин обычно бугристая. Поэтому реальная площадь контакта двух блоков породы может быть в 100—100 000 раз меньше геометрической площади касания. Ввиду этого при возникновении сжимающих напряжений, нормальных к плоскости трещины, на выступах и прилегающих к ним зонах происходит концентрация напряжений, превышающих прочность материала выступа. В результате пластического деформирования или хрупкого разрушения выступов происходит сближение двух поверхностей. При этом увеличивается площадь реального контакта поверхностей и сопротивление деформированию.
С увеличением трещиноватости кварцевых порфиров деформационные показатели резко уменьшаются, при этом модуль упругости значительно превышает модуль общей деформации. Это объясняется тем, что при действии давления породы испытывают большие остаточные деформации. Причем по мере роста трещиноватости (увеличение Т или Ктр) эта разница становится больше. Закрытие и смыкание трещин под давлением, определяющее появление остаточных деформаций, приводит также к тому, что модуль общей деформации для второго цикла нагружения в 1,5—2 раза выше модуля общей деформации для первого цикла нагружения.
Выветривание скальных горных пород приводит к появлению и расширению микротрещин, ослаблению связей между зернами, а также к изменению химического состава пород. Поэтому деформационные и прочностные свойства пород зависят от степени их выветрелости. Из таблицы видно, что с глубиной пористость гранита уменьшается, а деформационные и прочностные показатели возрастают. На глубине 49 м гранит уже настолько прочен, что для него модуль упругости равен модулю общей деформации.
Неблагоприятное влияние трещиноватости на деформационные и прочностные свойства скальных пород уменьшается при цементации. При этом трещины заполняются цементным раствором, который после схватывания увеличивает сопротивление породы деформациям. В среднем модуль деформации скальных пород после цементации возрастает в 1,5 раза.
Влияние слоистости скальной породы на модуль деформации. При сжатии образцов слоистых осадочных скальных пород модуль деформации в направлении параллельно слоям обычно выше, чем перпендикулярно слоям. Это можно объяснить тем, что в первом случае сопротивляются более жесткие слои породы, тогда как во втором сжимаемость определяется в основном деформацией наиболее податливых слоев, зажатых между жесткими как между плитами. Очевидно, что фактор времени будет играть более заметную роль во втором случае, так как деформация жестких элементов породы будет протекать быстрее.
Следует подчеркнуть исключительно низкое значение коэффициента Пуассона для кварца (0,08), что обусловлено каркасным строением его кристаллической решетки. Поэтому значительное содержание кварца в породе приводит к уменьшению значения коэффициента. В скальных грунтах коэффициент Пуассона изменяется также в узких пределах — 0,1—0,3. В зависимости от увеличения пористости он снижается: в известняках-ракушечниках от 0,23 до 0,17, в органогенных известняках от 0,27 до 0,23, в мраморизованных органогенных известняках от 0,32 до 0,30. Но по мере перехода от плотных кварцитов к более пористым песчаникам увеличивается от 0,10—0,14 до 0,18—0,29.
Для дисперсных грунтов величина коэффициента Пуассона изменяется от 0,1 до 0,5. Большое значение имеет влажность: для сухого песка ц. равен 0,1—0,25, для водонасыщенного — 0,44—0,49.
В скальных грунтах решающее влияние на величину коэффициента Пуассона оказывает трещиноватость. В трещиноватой породе на деформацию сплошной ее части будет тратиться только часть общего усилия, другая часть будет тратиться на смыкание трещин и разрушение выступов; возникающее при этом расширение не будет вызывать расширение всего образца.
Коэффициент Пуассона. Коэффициент Пуассона является показателем способности породы к изменению объема в процессе деформации под действием напряжений. Обычно употребляемый в расчетах коэффициент Пуассона относится к упругой деформации.
Коэффициент Пуассона главных породообразующих минералов изменяется в небольших пределах: от 0,08 до 0,34. Можно выделить группу минералов с низким значением: от 0,08 до 0,16, в которую войдут в порядке возрастания кварц, гематит, пирит; затем группу минералов, для которых коэффициент изменяется от 0,21 до 0,29. Эта группа наиболее многочисленна и объединяет такие минералы, как полевые шпаты, слюды и другие силикаты. И, наконец, небольшая группа минералов имеет повышенное значение коэффициента: от 0,31 до 0,34 — серпентин, гипс, циркон.
Коэффициент Пуассона кристаллов зависит от типа кристаллической решетки и направления действия напряжения относительно кристаллографических осей. Для пород зависит от минералогического состава, трещиноватости и пористости.