Основными физико-механическими свойствами грунтов являются плотность, пористость, сжимаемость, сцепление и др.

Плотность и пористость породы является ее важнейшей физической характеристикой. Плотность породы ρ (г/см³) есть отношение массы породы включая массу воды в ее порах (m), к занимаемому этой породой объему (V)

              (3.1)

Плотностью частиц грунта называют отношение массы сухого грунта (исключая массу воды в его порах) к объему твердой части этого грунта.

Плотность скелета породы или плотность сухого грунта представляет собой отношение массы минеральных частиц породы при естественной структуре (исключая массу воды в ее порах) к занимаемому этой породой объему.

Пористость пород представляет собой пустоты или свободные промежутки между минеральными частицами, составляющими породу. Пористость (n) обычно выражают в виде процентного отношения объема пустот V_п к общему объему породы V

                                                 (3.2)

Отношение объема пустот к объему твердых минеральных частиц породы называют приведенной пористостью или коэффициентом пористости.

Сжимаемость. Дисперсные породы под влиянием нагрузки деформируются, не подвергаясь разрушению. Свойства деформации характеризуются модулем деформации, коэффициентом Пуассона, коэффициентами сжимаемости и консолидации, модулями сдвига и объемного сжатия.

Сжатие песков происходит быстро и мало связано с их влажностью. Сопротивление пеков сжатию зависит от трения между частицами, возникающего при их перемещении. В отличие от песков сжимаемость глинистых пород зависит от их влажности, минералогического состава, характера структурных связей между частицами грунта и других факторов. Неравномерная сжимаемость грунтов в основании сооружений может быть причиной их неравномерной осадки и деформации.

Для определения сжимаемости глинистых пород в лаборатории проводят компрессионные испытания, подвергая образцы сжатию в специальных приборах, при разных нагрузках, в условиях, исключающих возможность бокового расширения грунта. Влага, содержащаяся в породе, выжимается через пористые поршни, расположенные под образцом и над ним.

По результатам испытания строят компрессионную кривую, характеризующую зависимость пористости породы от нагрузки. По графику находят коэффициент уплотнения, равный изменению коэффициента пористости при изменении нагрузки на 0,1 МПа.

Сопротивление пород сдвигу в песчаных породах обусловлено силами трения между частицами, в глинистых породах – силами сцепления; силы сцепления, в свою очередь, обусловлены внутренними структурными связями.

Для определения сопротивления пород сдвигу применяют приборы различных конструкций. Срез проводят при разных нагрузках Р, сдвигающее усилие τ фиксируют. Результаты опытов представляют в виде графика зависимости сопротивления грунтов сдвигу τ от вертикальной нагрузки Р. График имеет вид прямой, для песков она проходит через начало координат, для глинистых пород – отсекает на оси ординат отрезок, равный силе сцепления. В этом случае уравнение прямой имеет вид

              (3.3)

где f – коэффициент внутреннего трения

                                  (3.4)

Величины φ и C являются параметрами зависимости сопротивления грунтов сдвигу, которые необходимы для инженерных расчетов прочности и устойчивости массивов грунтов.

В заключение отметим, что коэффициент и угол внутреннего трения, сцепление, коэффициент и угол сдвига, временное сопротивление сжатию характеризуют прочностные свойства пород. Показатели сжимаемости, набухания, размокаемости и усадки отражают деформативные свойства пород /11/.