Метод расчета выбирают в соответствии с геологическим строением основания, гидрогеологическими условиями и характером сооружения (назначение, конструкция, класс).
По признаку механических свойств горные породы делятся на три основные группы: рыхлые, скальные и полускальные.
Рыхлые породы, в свою очередь, можно разделять по крупности составляющих их обломков или зерен на четыре группы: крупнообломочные (галечниковые, щебнистые, гравийные), мелкообломочные (пески), пылеватые или мучнистые и глинистые (суглинки, глины).
Рыхлые породы испытывают невосстановимые деформации даже при тех малых давлениях, которые в строительной практике приходится на них передавать (даже только доли кг/см2). Исключение в этом отношении составляют некоторые плотные галечники и щебень прочных пород, которые, находясь в основании сооружений, не испытывают, однако, больших деформаций.
Рыхлые породы совсем не имеют структурных связей, являясь сыпучими, или имеют коллоидные связи, иногда с небольшим участием слабых кристаллизационных связей, главным образом растворимых в воде.
Скальными следует называть те породы, у которых в естественном состоянии, а также в состоянии насыщения водой предел упругости при сжатии значительно выше пределу давлений на основание, допустимых с точки зрения прочности); самого фундамента.
К скальным относятся все породы с кристаллизационными структурными связями (изверженные и метаморфические породы, известняки и доломиты, многие песчаники с карбонатным и кварцевым цементом и т. п.) и часть пород с аморфными упругими связями (песчаники с опаловым цементом, кремнистые туфы и т. п.). Такие породы, как мергелистые известняки, туфовые известняки, гипсолиты, мел, слабые ракушечники и т. п., образуют переход к группе полускальных
пород. Они имеют сравнительно высокую прочность, но вследствие легкой растворимости быстро разрушаются, если в них циркулирует вода по трещинам и крупным порам.
В полускальных породах имеются одновременно упругие кристаллизационные или аморфные и пластичные коллоидные структурные связи. До известного предела сжатию сопротивляются, упругие связи, и полускальные породы деформируются пропорционально нагрузкам, и притом обратимо. Выше предела, когда упругие связи разрушаются, сжатию сопротивляются коллоидные связи и деформации происходят в результате необходимого уплотненна скелета, как у рыхлых
пород.
При выветривании или воздействии растворов, разрушающих упругие связи, полускальные породы деградируют и деформируются под действием сжимающих усилий как рыхлые породы. К полускальным породам относятся: мергели, опоки, глинистые мергели, глинистые сланцы, алевролиты, аргиллиты и т. п.
При строительных расчетах деформаций пород (под воздействием сооружения) формулы механики должны соответствовать механической характеристике указанных основных групп пород. Выбор этих формул определяется тем, насколько можно уподобить породу тому или иному идеальному механическому телу: твердому, упругому, пластичному или дисперсному. Эти тела служат механическими моделями пород при строительных расчетах.
Прочность скальных пород в основаниях сооружений на практике далеко не используется. Это видно из того, что предельно допускаемые напряжения намного меньше предела пропорциональности при сжатии. Поэтому при расчетах прочности сооружений, строящихся на скальных породах, учет возможных деформаций не имеет практического значения. Обычно в этих случаях при назначении допустимых нагрузок исходят из величины предельного сопротивления породы
сжатию
и выбранного коэффициента запаса.
Надо, однако, иметь в виду, что величина модуля упругости, определяемая по данным испытания в лаборатории на кубических или цилиндрических образцах, выпиливаемых из абсолютно целого куска породы (без единой трещинки), не могут непосредственно быть применяемы при расчетах. Порода в естественных условиях никогда не бывает совершенно однородной и лишенной всяких трещин и трещинок. Поэтому упругие свойства породы в ее коренном залегании надо
оценивать
гораздо более низкими значениями величин, чем получаемые на лабораторных образцах. Вследствие неравномерного разрушения пород основания поведение их под давлением сооружения может быть неодинаковым. Поэтому скальные породы необходимо оценивать с точки зрения их состояния по всей площади основания. Оценка полускальных пород, если не предполагать возможность их деградации, и расчеты осадок возведенных на них сооружений производятся с помощью формул теории упругости. При расчетах для ответственных
сооружений нужно
обязательно проверять равномерность осадок для различных их частей.
Многочисленные опыты по определению модулей полных и модулей упругих деформаций при сжатии опок и других полускальных пород показали, что величины тех и других модулей деформаций, вычисляемые в лаборатории для образцов в водонасыщенном состоянии, разнятся в некоторых случаях в 2—3 раза. Следовательно, деформация сжатия возрастает пропорционально не первой степени напряжения, а более высокой, т. е. возрастает значительно быстрее, чем следует
по теории упругости. Естественно, что расчеты по формулам теории упругости с применением модуля упругости дают заниженные величины осадок сооружения.
Методы, применяемые в лабораториях по изучению сопротивления строительных материалов, непригодны для определения деформаций полускальных пород. Испытания сжимаемости более слабых из полускальных пород (например, глинистых мергелей) надо производить на компрессионных приборах, рассчитывая модуль полной деформации так, как это делается для рыхлых пород, т. е. Сложнее обстоит дело с расчетами осадок сооружения на рыхлых породах. Как видно
на
диаграмме, линейную зависимость между напряжениями и деформациями сжатия даже при меньшей величине напряжения, чем бывает на практике, можно допускать для рыхлых пород только с большой условностью. Это и понятно, так как относящиеся к рыхлым породам пески и глины и промежуточные породы при сжатии не только деформируются как упругие тела, но и претерпевают структурные изменения в результате смещения частиц (уплотнение), а также изменения в составе и состоянии (при достаточно высоком коэффициенте водонасыщенности
из пор может выжиматься вода).
Сжимаемость и уплотнение определяются полевыми и лабораторными методами. Распределение напряжений в основании, определяется методами теории упругости и механики грунтов.
Если породы основания в пределах активной (сжимающейся) зоны залегают несколькими слоями, то показатели сжимаемости, отставляемые в формулы при расчете осадки, должны определяться для пород каждого слой в отдельности. Затем определяют величину вертикального напряжения, передающегося веса сооружения на каждый слой. Для этого могут служить различные по точности методы.