Модуль упругости скального грунта: Статья «О модуле упругости грунтов»

Испытания скальных грунтов | Прибор одноосного сжатия | Испытания горных пород | Прибор сосредоточенного нагружения | ПрогрессГео

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 К_тр) 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.

Базовые данные | Грунты | GEO5

class=»h2″>

Для всех материальных моделей задают базовые (исходные) параметры грунта.

Объёмная сила тяжести (удельный вес) γ — задаётся объёмная сила тяжести грунта выше уровня грунтовой воды, а объёмная сила тяжести грунта под У. Г.В. программой расчитывается по другим параметрам, задаваемым в секции «Подъёмная сила».

Модуль упругости E

Модуль упругости описывает жёсткость материала, постоянную во всём диапазоне нагружения. В случае грунтов однако это предположение справедливо только в диапазоне небольших деформаций (упругих деформаций). У нелинейных моделей после удовлетворения условия- пластичности (изменения вязкости грунта) на поведение грунта не имеет модуль упругости E существенного влияния.

Вопрос который из модулей подходит данной материальной модели (начальный, касательный, секущий ) и каково его значение не имеет однозначного ответа. Для выбора типа модуля необходимо знать поведение грунта в данной геомеханической задаче, а для определения величины — итоги трёхосевого испытания для соответствующей траектории напряжения. Тем не менее ориентировочные рекомендации определять можно.

Эпюра идеализованной кривой деформации грунта и выведение отдельных типов модулей

За модуль упругости E можно в материальных моделях подставить:

• мгновенный модуль E₀ при расчётах небольших нагрузок (предполагается линейная зависимость деформация /напряжение) мгновенной осадки
• cекущий модуль E₅₀ предназначен для эталонного напряжения равного 50% напряжения при разрушениях (применяется напр. , для расчёта фундаментов неглубокого заложения)
• модуль деформации E_def определяется из кривой нагружения нагружающего испытания, необходим у модифицированной линейной модели (которая различает разное поведение грунта при нагружении и при снятии нагрузки) — при использовании этого модуля в случае расчёта снятия нагрузки на грунт (напр., подземные сооружения, подъём дна котлована) будут получены деформации побольше, чем при использовании модуля упругости E_ur, полученного из кривой снятия нагрузки r — действует приближённое отношение:

• одометрический модуль E_oed, который зависит от напряжения в грунте следовало бы подставлять в зависимости от ожидаемого диапазона напряжения в грунте — перевод между модулем деформации E_def и одометрическим модулем E_oed описан отношением:

• модуль упругости E_ur выведенный из разгружающей кривой назначен для расчёта при разгрузке грунта (выемки) — его следует задавать в случае модифицированной эластичной модели.

Значения модулей упругости лучше всего определять с помощью триаксиала. При использовании других методов (пенетрационные испытания, прессиометры и т.п.), необходимо применить коэффициенты корреляции, описание которых дано в специальной литературе.

При самом моделировании рекомендуется выполнить расчёт сперва с помощью эластичной материальной модели и проверить величину деформаций — согласно закона Гоока деформации прямоо пропорциональны нагрузке и заданной модели упругости. При нереально больших деформациях рекомендуем пересмотреть величину заданного модуля упругости.

Коэффициент Пуассона ν — или коэффициент поперечного сжатия в случае упругой однородной материи, к которой приложена нормальная нагрузка в одном направлении описан отношением:

Коэффициент Пуассона можно определить сравнительно точно. Задавать можно с помощью встроенной в программу базы данных грунтов. При расчётах небольших нагрузок и подставке в расчёт начального модуля упругости E₀, необходимо учитывать тоже коэффициент Пуассона ν₀, определённый для начальной нагрузки.

КАКОВЫ ЗНАЧЕНИЯ МОДУЛЯ УПРУГОСТИ И КОЭФФИЦИЕНТА ПУАССОНА ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ ПОРОД?

Сурьяканта | 13 февраля 2015 г. | Геотехнический, Рок | 8 комментариев

Модуль упругости породы

Модуль упругости породы зависит от нескольких факторов, таких как

• Тип породы
• Пористость
• Зернистость
• Содержание воды

Величина модуля упругости может быть определена статическим или динамическим методами. Более высокое значение модуля упругости свидетельствует о хорошем качестве породы, имеющем хороший состав. Типичные значения модулей упругости некоторых распространенных приведены в таблице ниже.

Модуль упругости некоторых обычных горных пород

Коэффициент Пуассона породы

Коэффициент Пуассона измеряет отношение поперечной деформации к осевой деформации в линейно-упругой области. Для большинства пород значение коэффициента Пуассона колеблется в пределах от 0,15 до 0,40. Типичные значения модулей упругости некоторых распространенных приведены в таблице ниже.

Значения коэффициента Пуассона для некоторых обычных горных пород

Теги:Свойства горных пород, Испытание горных пород

Об авторе

Сурьяканта

Инженер-геотехник-материаловед. Вы можете связать меня в Google +. Чтобы узнать обо мне больше, просто посетите страницу AboutMe

.

Copyright © 2022 CivilBlog.Org.

Тема от MyThemeShop.

Камень | Определение, характеристики, формирование, цикл, классификация, типы и факты

размер камня

Посмотреть все СМИ

Ключевые люди:

Габриэль-Огюст Добре
Артур Л. Дэй
Ганс Клоос

Похожие темы:

осадочная порода
метаморфическая порода
вулканическая порода
расслоение
криосейсм

Просмотреть весь связанный контент →

Популярные вопросы

Какие бывают геологические породы?

Горные породы часто классифицируют двумя способами; первый основан на процессах их образования, в которых горные породы классифицируются как осадочные, магматические и метаморфические. Горные породы также обычно классифицируют по размеру зерен или кристаллов.

Что такое магматические породы?

Магматические породы образуются из застывшей магмы или лавы. Считается, что магма образуется в слое частично расплавленной породы под земной корой на глубине менее 60 километров (40 миль). Лава – это жидкая магма на поверхности Земли и застывшая горная порода, образованная остывшей лавой.

Что такое осадочные породы?

Осадочные породы образуются из отложившегося и литифицированного минерального материала. Окаменелости обычно находят в осадочных породах.

Что такое метаморфические породы?

Метаморфические породы образуются, когда физические и химические изменения происходят в магматических, осадочных или других метаморфических породах.

Что такое рок-цикл?

Цикл горных пород — это процесс, который объясняет основные взаимосвязи между изверженными, метаморфическими и осадочными породами. Процесс зависит от температуры, давления, времени и изменения условий окружающей среды в земной коре и на ее поверхности.

Сводка

Прочтите краткий обзор этой темы

горная порода , в геологии встречающаяся в природе и связанная совокупность одного или нескольких минералов. Такие агрегаты составляют основную единицу, из которой состоит твердая Земля, и обычно образуют узнаваемые и картографируемые объемы. Горные породы обычно делятся на три основных класса в зависимости от процессов, которые привели к их образованию. К этим классам относятся (1) магматические породы, затвердевшие из расплавленного материала, называемого магмой; (2) осадочные породы, состоящие из обломков ранее существовавших пород или материалов, выпавших из растворов; и (3) метаморфические породы, которые образовались из магматических или осадочных пород в условиях, вызвавших изменения минералогического состава, текстуры и внутренней структуры. Эти три класса, в свою очередь, подразделяются на многочисленные группы и типы на основе различных факторов, важнейшими из которых являются химические, минералогические и текстурные признаки.

Общие сведения

Типы горных пород

Узнайте, как магматические, осадочные и метаморфические породы превращаются друг в друга в цикле горных пород

Просмотреть все видео к этой статье минералы и обычно летучие вещества, такие как газы и пар. Поскольку составляющие их минералы кристаллизуются из расплавленного материала, магматические породы образуются при высоких температурах. Они возникают в результате процессов глубоко внутри Земли — обычно на глубине от 50 до 200 километров (от 30 до 120 миль) — в средней и нижней коре или в верхней мантии. Магматические породы подразделяются на две категории: интрузивные (внедренные в земную кору) и экструзивные (выдавленные на поверхность суши или дно океана), и в этом случае остывающий расплавленный материал называется лавой.

Осадочные породы – это породы, которые отлагаются и литифицируются (уплотняются и сцементируются вместе) на поверхности Земли с помощью проточной воды, ветра, льда или живых организмов. Большинство из них откладывается с поверхности земли на дно озер, рек и океанов. Осадочные породы в основном слоистые — т. е. имеют слоистость. Слои можно отличить по цвету, размеру частиц, типу цемента или внутреннему расположению.

Метаморфические породы образуются в результате изменения ранее существовавших пород под воздействием высоких температур, давления и химически активных растворов. Изменения могут носить химический (композиционный) и физический (текстурный) характер. Метаморфические породы часто образуются в результате процессов глубоко внутри Земли, в результате которых образуются новые минералы, текстуры и кристаллические структуры. Происходящая перекристаллизация происходит в основном в твердом состоянии, а не в результате полного переплавления, и ей может способствовать пластическая деформация и присутствие внутрипоровых жидкостей, таких как вода. Метаморфизм часто приводит к очевидной слоистости или полосчатости из-за разделения минералов на отдельные полосы. Метаморфические процессы могут происходить и на земной поверхности вследствие ударов метеоритов и пирометаморфизма, происходящего вблизи горящих угольных пластов, воспламеняющихся от ударов молнии.

Геологические материалы — минеральные кристаллы и типы вмещающих их пород — циклически переходят в различные формы. Процесс зависит от температуры, давления, времени и изменения условий окружающей среды в земной коре и на ее поверхности. Цикл горных пород, показанный на рисунке 1, отражает основные отношения между изверженными, метаморфическими и осадочными породами. Эрозия включает выветривание (физический и химический распад минералов) и транспортировку к месту отложения. Диагенез, как объяснялось ранее, представляет собой процесс образования осадочной породы путем уплотнения и естественной цементации зерен, или кристаллизации из воды или растворов, или перекристаллизации. Превращение осадка в горную породу называется литификацией.

Текстура горной породы – это размер, форма и расположение зерен (для осадочных пород) или кристаллов (для изверженных и метаморфических пород). Также важны степень однородности породы ( т. е. однородность состава по всей поверхности) и степень изотропности. Последнее представляет собой степень, в которой объемная структура и состав одинаковы во всех направлениях породы.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.
Подпишитесь сейчас

Анализ текстуры может дать информацию об исходном материале породы, условиях и среде отложения (для осадочных пород) или кристаллизации и перекристаллизации (для изверженных и метаморфических пород соответственно), а также о последующей геологической истории и изменениях.

Классификация по размеру зерен или кристаллов

Общие текстурные термины, используемые для типов горных пород в зависимости от размера зерен или кристаллов, приведены в таблице. Категории размера частиц получены из шкалы Уддена-Вентворта, разработанной для отложений. Для магматических и метаморфических пород термины обычно используются в качестве модификаторов — например, среднезернистый гранит. Афанитовый — это описательный термин для мелких кристаллов, а фанеритовый — для более крупных. Очень крупные кристаллы (размером более 3 сантиметров или 1,2 дюйма) называются пегматитовыми.

Для осадочных пород существуют широкие категории размеров отложений: крупные (более 2 миллиметров или 0,08 дюйма), средние (от 2 до ¹ / ₁₆ миллиметров) и мелкие (менее ¹ / ₁₆ мм). К последним относятся ил и глина, которые имеют размер, неразличимый человеческим глазом, и также называются пылью. Большинство сланцев (литифицированная версия глины) содержат некоторое количество ила. Пирокластические породы образовались из обломочного (от греческого слова «сломанный») материала, выброшенного из вулканов. Блоки — это осколки, выбитые из твердой породы, а бомбы расплавляются при выбросе.

Термин «горная порода» относится к основному объему материала, включая зерна или кристаллы, а также содержащееся в нем пустотное пространство. Объемная часть объемной породы, не занятая зернами, кристаллами или природным вяжущим материалом, называется пористостью. Другими словами, пористость представляет собой отношение объема пустот к общему объему (зерна плюс пустое пространство). Это пустое пространство состоит из пор между зернами или кристаллами в дополнение к пространству трещин. В осадочных породах объем порового пространства зависит от степени уплотнения осадка (уплотнение обычно увеличивается с глубиной залегания), от упаковки и формы зерен, степени цементации и степени сортировки. . Типичными цементами являются кремнистые, известковые, карбонатные или железосодержащие минералы.

Сортировка — это склонность осадочных пород иметь зерна одинакового размера — , т. е. , иметь узкий диапазон размеров (см. рис. 2). Плохо отсортированный осадок демонстрирует широкий диапазон размеров зерен и, следовательно, имеет пониженную пористость. Хорошо отсортированный указывает на довольно равномерное распределение размеров зерен. В зависимости от типа плотной упаковки зерен пористость может быть значительной. Следует отметить, что в инженерном использовании — , например, геотехническое или гражданское строительство — терминология сформулирована противоположно и называется градацией. Хорошо отсортированный осадок — это (геологически) плохо отсортированный, а плохо отсортированный осадок — это хорошо отсортированный.

Общая пористость охватывает все пустотное пространство, включая те поры, которые связаны между собой с поверхностью образца, а также те, которые закрыты природным цементом или другими препятствиями. Таким образом, общая пористость (ϕ _T ) равна, где Vol _G — это объем зерен (и цемента, если он есть), а Vol _B — это общий насыпной объем.