Общие физические свойства горных пород

Физические свойства горных пород являются отражением совокупности геологических процессов их образования - петрогенеза. Напомним, что для наиболее распространенных осадочных пород они включают стадии осадконакопления, литофикации (диагенеза) и последующих их изменений в катагенезе, метаморфизме или выветривании.

Основными показателями физических свойств горных пород являются плотность частиц грунта и плотность грунта, гранулометрический состав, пористость и влажность, пластичность и консистенция, липкость, набухание и усадка, размокаемость, морозоустойчивость.

Плотность частиц грунта и плотность грунта. Плотностью частиц грунта ρ_s называется отношение массы частиц грунта к их объему. Плотность частиц грунта используется для определения таких показателей как пористость, плотность скелета грунта, коэффициент водонасыщения и др. Она является косвенным расчетным показателем.

Плотность частиц грунта определяют обычно при помощи пикнометра и аналитических весов. Ее значение можно взять из справочных таблиц. Средняя величина плотности частиц грунта составляет:

- для песчаных грунтов - 2,65 г/ см³

- для суглинистых - 2,7 г/ см³

- для глинистых - 2,75 г/см³

Плотность грунта ρ - это масса единицы объема грунта при естественной его пористости и влажности. Измеряется она в г/см³. Плотность характеризует относительную плотность породы в естественных условиях залегания и является величиной переменной. При данной пористости она наибольшая, когда поры полностью заполнены водой, наименьшая – в сухой породе. Поскольку большинство грунтов пористые, их плотность всегда меньше плотности частиц грунта. Плотность скальных пород из-за их малой пористости близка по значению к плотности частиц. У грунтов без жестких связей плотность составляет от 1,3 до 2,4 г/см³.

Плотность является прямым расчетным показателем и используется для определения горного давления, давления грунтов на подпорные стенки, расчета устойчивости откосов выемок, котлованов и карьеров, для вычисления плотности скелета грунта (плотности сухого грунта) и пористости. Определяют плотность путем взвешивания образцов грунта, отбираемых при помощи режущих колец, и последующего парафинирования. В полевых условиях ее можно определять геофизическими методами.

Для решения различных инженерно-геологических задач определяют плотность грунта ρ в естественных условиях, плотность скелета грунта ρ_d и плотность грунта под водой ρ_взв. Плотность скелета грунта меньше плотности грунта, находящегося в естественных условиях, на величину массы содержащейся в нем влаги, что легко определяется взвешиванием после высушивания. Для глинистых грунтов плотность скелета грунта при известных значениях плотности влажного грунта и естественной влажности W определяют по формуле:

,

где ρ – плотность грунта, г/см³; W – природная влажность грунта, д.е.

Плотность грунта под водой ρ_взв уменьшается из-за взвешивающего влияния воды, действующей на породу в соответствии с законом Архимеда. Ее определяют по формуле:

ρ_взв= ,

где ρ_s – плотность частиц грунта, г/см³; ρ_d – плотность скелета грунта, г/см³.

Значение ρ_взв используют при расчетах устойчивости оснований и откосов, находящихся ниже уровня грунтовых вод.

Гранулометрический состав является важнейшим фактором, определяющим многие инженерно-геологические свойства пород без жестких связей (пористость, пластичность, сопротивление сдвигу, сжимаемость, усадка, набухание, высота капиллярного поднятия, фильтрационные свойства). Знание гранулометрического состава необходимо для ориентировочного определения возможности их вымывания в откосах выемок и насыпей, а также для оценки грунтов как материалов для приготовления бетона, отсыпки насыпей, балластного слоя, фильтрационных обсыпок и решения других практических задач.

Гранулометрический состав представляет собой процентное содержание в породе частиц определенного размера. Его определяют путем специальных лабораторных исследований (ситовой анализ, двойное отмучивание, ареометрический и пипеточный анализ и др.). Результаты гранулометрических анализов фиксируют в виде циклограмм, диаграмм-треугольников и кривых гранулометрического анализа. Наибольшее распространение получили кривые гранулометрического анализа. Их составляют обычно в полулогарифмическом масштабе.

На использовании данных гранулометрического состава основана классификация крупнообломочных и песчаных пород для строительных целей, по которой выделяются грунты крупнообломочные (щебнистые, галечные, дресвяные, гравийные) и песчаные (пески гравелистые, крупные, средней крупности, мелкие, пылеватые).

Пористость и влажность. Эти важнейшие характеристики инженерно-геологических свойств горных пород рассмотрены в разделе «Основы гидрогеологии». Пористость грунтов является их важнейшей строительной характеристикой, так как она определяет плотность их сложения. Показатели пористости используют для вычисления коэффициента пористости, плотности скелета грунта, коэффициента фильтрации, водоотдачи и других расчетных показателей грунтов.

Наряду с показателем естественной влажности, характеризующим массовое или объемное содержание влаги в грунте (%), в инженерной геологии используют показатель S_r, характеризующий степень заполнения пор грунта водой. Он определяется отношением объема воды в порах к объему всех пор и называется коэффициентом водонасыщения. Теоретически его величина может изменяться от 0 (для абсолютно сухих грунтов) до 1 (для грунтов с полностью заполненными водой порами). В зоне насыщения коэффициент водонасыщения грунтов составляет 0,8—1,0, в зоне аэрации он значительно меньше. Коэффициент водонасыщения грунтов (особенно песчаных) учитывается при определении нормативных давлений. Величину показателя коэффициента водонасыщения S_r определяют по специальным номограммам (В.В.Дмитриев, Л.А.Ярг «Методы и качество лабораторного изучения грунтов») и формуле (ГОСТ 25100-95 Грунты. Классификация):

S_r= ,

где w – природная влажность грунта, д.е.;

e – коэффициент пористости;

ρ_s – плотность частиц грунта, г/см³;

ρ_w – плотность воды, принимаемая равной 1 г/см³_.

Пластичность грунтов и их консистенция. Эти показатели определяются для глинистых грунтов и проявляются при их увлажнении. Пластичностью называют способность пород деформироваться без разрыва под влиянием внешнего воздействия и сохранять принятую форму после прекращения этого воздействия. Пластичность глинистых и некоторых других пород (лесса, глинистых мергелей и мела) зависит от их влажности, гранулометрического и минерального состава, формы минеральных частиц, химического состава поровых вод, состава обменных катионов и других факторов.

Количественной характеристикой пластичности пород в инженерно-геологической практике являются пределы пластичности: нижний предел пластичности (или граница раскатывания) и верхний предел пластичности (или граница текучести). Под нижним пределом пластичности понимают влажность породы W_р (%), при которой она переходит из твердого состояния в пластичное. Обычно этот предел устанавливают как влажность породы, при которой ее можно раскатать в жгутики толщиной 3 мм. Верхний предел пластичности – это влажность породы W_L (%), при которой она переходит из пластичного состояния в текучее. Разность между верхним и нижним пределами пластичности (I_P = W_L – W_P), соответствующая интервалу влажности, в котором порода находится в пластичном состоянии, называется числом пластичности. По значению числа пластичности глинистые грунты подразделяются на супеси (при I_P<7), суглинки (7< I_P <17) и глины (I_P >17).

Под консистенцией понимается степень подвижности частиц, слагающих глинистую породу, под влиянием внешнего механического воздействия при различной влажности. Количественно консистенция характеризуется показателем текучести I_L, который определяют по формуле:

По показателю консистенции классифицируют глинистые грунты:

- супеси относят к твердой консистенции при I_L <0, к пластичной - при 0£ I_L £1, к текучей - при I_L >1;

- суглинки и глины относят к твердой консистенции при I_L <1, к полутвердой - при 0£ I_L £0,25, к тугопластичной - при 0,25£ I_L £0,5, к мягкопластичной - при 0,5£ I_L £0,75, к текучепластичной - при 0,75£ I_L £1, к текучей - при I_L >1.

В зависимости от консистенции грунтов устанавливают их несущую способность при проектировании зданий и сооружений.

Липкость (прилипаемость) характеризует способность грунтов прилипать к рабочим органам землеройных и других механизмов. Проявляется липкость при влажности выше нижнего предела пластичности. Количественной ее характеристикой является максимальное усилие (в Па), необходимое для отрыва металлической пластинки от грунта при различной его влажности. Липкость определяют в лабораторных условиях. Проявление липкости обусловлено действием тех же факторов, что и пластичности. Максимальную липкость имеют монтмориллонитовые глины. Определение липкости имеет существенное значение при строительстве дорог, аэродромов и пр. Ее также необходимо учитывать при проектировании и работе землеройных механизмов.

Набухание и усадка. Глинистые породы при увлажнении увеличиваются в объеме – набухают, а при уменьшении влажности их объем уменьшается, происходит усадка. Причиной набухания является увеличение толщины пленок физически связанной воды и объема заполняемых водой пор при неизменном объеме минеральных частиц. Так как утолщающиеся вокруг частиц глин пленки снижают силы сцепления между ними, то прочность набухших грунтов значительно уменьшается.

Усадка вызывается процессами, обратными набуханию. При уменьшении влажности тонкие пленки не препятствуют проявлению сил сцепления между минеральными частичками грунта, происходит их сближение и сокращение объема грунта.

Набухание и усадка грунтов могут приводить к деформациям оснований инженерных сооружений, а также откосов выемок, котлованов, каналов и пр. Поэтому при проектировании инженерных сооружений следует изучать и учитывать способность грунтов к набуханию и усадке. Количественно величина набухания выражается давлением набухания, влажностью набухания или увеличением объема образца породы. Усадка характеризуется уменьшением объема либо длины усыхающего образца (объемная и линейная усадка) или влажностью на пределе усадки. Под влажностью на пределе усадки понимается та влажность, по достижении которой при дальнейшем высыхании образца (т.е. уменьшении его влажности) объем образца остается неизменным.

Под размокаемостью понимается способность глинистых грунтов при впитывании воды терять связность и превращаться в рыхлую бесформенную массу, полностью лишенную несущей способности. Основная причина размокания - образование около минеральных частичек грунта предельно толстых пленок, устраняющих внутренние связи. Интенсивность размокания глинистых пород в воде зависит от их состава, начальной влажности, наличия цементационных связей и их водостойкости, степени выветрелости, искусственных факторов. Знать степень размокаемости важно при оценке устойчивости берегов водохранилищ, откосов каналов, стенок котлованов и других земляных сооружений.

Показателями размокаемости являются скорость размокания, т. е. время, в течение которого образец грунта, помещенный в воду, распадается и характер распада - это крупные или мелкие комочки, пыль и т. п. Размокаемость определяют на образцах с ненарушенной и нарушенной структурой (в зависимости от того, в каком состоянии грунт будет взаимодействовать с водой).

Морозоустойчивость – это способность влажной горной породы противостоять разрушающему действию замерзающей в ее порах и трещинах воды. Напряжение, возникающее при этом в породе, может достигать 1,96-10 Па. Морозоустойчивость зависит от прочности пород, величины и характера пористости, количества и расположения трещин, степени насыщения пор водой и скорости промерзания. Морозоустойчивость пород определяют путем попеременного замораживания образцов в холодильной камере при температуре от –15 до –40°С, оттаивания их в воде, имеющей комнатную температуру, и определения временного сопротивления сжатию до и после замораживания. Число циклов испытаний от 25 до 200 и больше, в зависимости от типа и важности сооружений, для которых намечается использовать породу. Степень морозоустойчивости оценивают числом циклов испытаний, которые выдержала горная порода без заметных признаков разрушения и потери прочности от замораживания и размораживания.