Какие физические свойства горных пород

Горная порода образуется в определенных геологических условиях, что отражается на форме ее залегания и внешних физических признаках: цвете, минералогическим составе, строении, физическом состоянии и т. д.

Окраска породы определяется цветом породообразующих минералов или различными примесями. Выделяют светлые породы (белые, светло-серые и др.) и темно-окрашенные (черные, серые и др.).

Минералогический состав пород являются одним из факторов, определяющих свойства пород. Породы бывают мономинеральными (например, известняк состоит из одного минерала – кальцита) и полиминеральными (гранит – из кварца, полевых шпатов, слюды). Тип горной породы определяют главные породообразующие минералы, которые входят в качестве постоянных, существенных компонентов в состав породы, каждый их которых составляет более 5%, а сумме около 95%. Второстепенные минералы слагают около 5% породы. Среди минералов выделяются первичные, образовавшиеся в процессе формирования горной породы, и вторичные – в результате замещения первичных минералов (например, замещение калиевого полевого шпата – каолинитом). Количество вторичных минералов служит показателем степени выветренности пород, что влияет на изменение ее физико-механических свойств.

Под строением горной породы понимается структура и текстура.

Структура (с лат. структура – строение) – характеризует внутреннее строение породы и определяется размером, формой и количественным соотношением отдельных минеральных частиц (зерен) или их агрегатов.

Текстура (от лат. текстура – ткань, сплетение) – отражает внешний облик породы, обусловлена пространственным размещением минеральных частиц или агрегатов в породе и монолитностью – степенью сплошности породы.

Строение породы отражает условия ее формирования, определяет ее свойства и особенности и влияет прежде всего на неоднородность ее, которая обуславливает анизотропность водопроницаемости, сжимаемости, сопротивлению сдвигу, обуславливающих поведение пород при возведении сооружений и устойчивости их.

По физическому состоянию выделяют рыхлые породы (например, песок) и плотные (гранит, известняк).

Горные породы – это сложные природные агрегаты, состав, строение и состояние которых существенно влияют на их физико-механические свойства.

Основными факторами являются:

– минералогический состав;

– зернистость (изменения в размерах зерен, преобладающие фракции в мм);

– форма зерен (изометрическая, игольчатая, таблитчатая и т. д.);

– тип цемента (базальный, контактовый и др.);

– примеси, включения, конкреции;

– текстура;

– пористость;

– трещиноватость (особенно в массиве).

По происхождению (генезису) горные породы делятся на магматические, осадочные и метаморфические, что отражается на их внешних признаках.

Магматические горные породы

Образуются в результате остывания и кристаллизации природного огненно-жидкого расплава (магмы, от греч. магма – тесто) как под Землей, так и на ее поверхности. В первом случае, затвердевание происходит медленно, вся магма успевает закристаллизоваться и образуются глубинные (интрузивные, от лат. интрузио – внедрение) горные породы, в во втором – при быстром поднятии магмы и резком падении температуры – излившиеся, поверхностные (эффузивные, от греч. эффузио – излияние) породы. Различные условия затвердевания магмы обусловили неодинаковые структурно-текстурные особенности пород (рис. 1).

а                    б                            в                          г

Рис. 1. Структуры магматических пород:

а – неравномерно-зернистая; б – равномерно-зернистая; в – порфировая;

г – порфировидная

Для интрузивных пород характерны полнокристаллические (зерна ясно различимы простым глазом), равномерно или неравномерно зернистые структуры и массивная (однородная, беспорядочная) текстура (рис. 2).

Рис. 2. Текстуры магматических пород:

а – массивная; б – миндалекаменная; в– полосчатая;

г – пузыристая; д – пятнистая; е – течения

Эффузивные породы отличаются стекловатым (аморфным), скрытокристаллическим (кристаллы неразличимы глазом), порфировым (крупные ограненные кристаллы среди плотной нераскристаллизованной основной массы) строением, пористой, миндалекаменной (пустотки – миндалины в породе заполнены вторичным минералом), флюидальной (связанной с течением магмы) текстурами.

Среди излившихся пород по степени их свежести выделяют кайнотипные (от греч. кайнос – новый), т. е. образовавшиеся совсем недавно – неизмененные, свежие породы и палеотипные (от греч. палеос – древний), более древние – в различной степени разрушенные и содержащие вторичные минералы.

При извержении происходят взрывы газов и перегретых паров воды и на поверхность земли выбрасываются раздробленные или распыленные твердые вулканические продукты (пепел, песок, вулканические бомбы). Этот материал в дальнейшем подвергается цементации и образуются пирокластические (вулканогенные – обломочные) породы (например, вулканический туф).

Минералогический состав магматических пород весьма разнообразен: наиболее распространены полевые шпаты, кварц, роговая обманка, авгит, слюды и меньше – оливин, нефелин, магнетит, апатит и другие минералы. Типичными процессами вторичного минералообразования являются серицитизация (серицит – тонкочешуйчатая светлая слюда), каолинизация, хлоритизация и др.

Общепринятой является классификация магматических пород по химическому и минералогическому составу. По содержанию SiO2 породы условно разделены на 4 группы: кислые (SiO2 более 65%), средние (SiO2 от 65 до 52%), основные (SiO2 от 52 до 40%) и ультраосновные (SiO2 менее 40%). Здесь в одну группу объединяют породы различные по происхождению, но близкие по вещественному составу. Дальнейшее разделение пород внутри группы производится по минералогическому составу, причем особая роль отводится полевым шпатам, меньше кварцу

Практическое значение классификации выражается в том, что с уменьшением содержания SiO2 окраска пород становится темнее, увеличивается их плотность, понижается температура плавления, породы лучше поддаются полировке.

Степень устойчивости магматических пород по отношению к выветриванию в значительной степени зависит от минералогического состава.

Кварц является одним из наиболее устойчивых минералов в коре выветривания. Породы с большим и равномерным содержанием кварца и мелкокристаллической структурой характеризуются весьма большой стойкостью против выветривания.

Слюды способствуют физическому выветриванию пород. Под влиянием колебаний температуры и периодического замораживания и оттаивания породы, содержащие большое количество слюд, теряют связи и расслаиваются.

Полевые шпаты устойчивы в свежем состоянии. Помутневшие и трещиноватые кристаллы быстро разрушаются. Причем наиболее устойчивы против выветривания ортоклаз и альбит, наименее – основные плагиоклазы.

Роговая обманка и авгит сравнительно устойчивы против выветривания даже при действии кислот, которые образуются при разложении пирита.

Оливиннаименее устойчивый минерал, быстро подвергающийся разложению под влиянием колебания температуры и действия воды, особенно содержащей серную кислоту

Следует отметить также пирит, который легко окисляется, образуя с водой серную кислоту, которая ускоряет процесс разложения других минералов.

Любые вторичные изменения горных пород влияют на их физико-механические параметры. Так, хлоритизация (т. е. замещение некоторых минералов хлоритом) магматических пород вызывает снижение их плотности, прочности, модуля упругости.

Наличие трещин в магматических породах нарушает монолитность массива, расчленяет его на различные отдельности, определяет пути движения подземных вод, наиболее вероятные подвижки отдельных блоков породы в откосах. Трещины влияют на прочность и устойчивость пород, их водопроницаемость, степень обводненности и т. д.

В целом, в районах преобразования магматических пород под влиянием выветривания, различных деформаций при тектонических движениях, антропогенных воздействиях и т. д. наблюдается значительное ухудшение их инженерно-строительной характеристики: увеличение их пористости и трещиноватости, уменьшение плотности, прочности, повышение водопроницаемости и т. д.

Осадочные горные породы

Образуются в поверхностной части земной коры из продуктов разрушения других горных пород (магматических, осадочных или метаморфических), а также в результате жизнедеятельности организмов и растений, химического выпадения осадка из водных растворов. Рыхлые осадки постепенно уплотняются, цементируются и превращаются в горные породы.

Для осадочных пород в отличие от магматических и метаморфических характерны условия залегания преимущественно в вид слоев и линз, различные виды слоистых текстур (рис. 3), остатки флоры и фауны, пористость, более бедный минералогический состав.

Рис. 3. Типы слоистости осадочных пород:

а – горизонтальная; б – волнистая; в – косая

Наибольшее значение имеют минералы устойчивые в зоне осадконакопления или образующиеся при экзогенных процессах: глинистые (каолинит, монтмориллонит и др.), кварц, слюды, халцедон, опал, кальцит, доломит, гипс, ангидрит, лимонит и др.

Большее значение в осадочных породах имеет пористость, которая обуславливает способность к уплотнению породы и в порах которой могут находиться вода, газ, нефть. Величина пористости зависит как от гранулометрического состава и характера упаковки зерен, так и от выщелачивания отдельных участков и составных частиц породы циркулирующими растворами.

По степени пористости различают породы плотные, мелкопористые (мелкие поры можно различать на глаз), крупнопористые (величина пор 0,5-2,5 мм), кавернозные (пустоты более 2,5 мм образовались в результате выщелачивания отдельных участков породы или органических остатков).

По происхождению выделяют обломочные, химические (хемогенные), органогенные (биогенные) и смешанные породы. Химические осадки часто выпадают при прямом или косвенным участии организмов. Такие породы называются биохимическими.

Обломочные породы

Сложены обломками минеральных зерен и различных пород. Классификация обломочных горных пород основана на размере, форме обломков (частиц) и характере их сцементированности (табл. 1).

Таблица 1

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 ρs 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 ρd и плотность грунта под водой ρвзв. 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 ρвзв уменьшается из-за взвешивающего влияния воды, действующей на породу в соответствии с законом Архимеда. Ее определяют по формуле:

ρвзв= ,

где ρs – плотность частиц грунта, г/см3; ρd – плотность скелета грунта, г/см3.

Значение ρвзв 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 Sr, 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 Sr определяют по специальным номограммам (В.В.Дмитриев, Л.А.Ярг «Методы и качество лабораторного изучения грунтов») и формуле (ГОСТ 25100-95 Грунты. Классификация):

Sr= ,

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

e – коэффициент пористости;

ρs – плотность частиц грунта, г/см3;

ρw – 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 Wр (%), 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 WL (%), при которой она переходит из пластичного состояния в текучее. Разность между верхним и нижним пределами пластичности (IP = WL – WP), соответствующая интервалу влажности, в котором порода находится в пластичном состоянии, называется числом пластичности. По значению числа пластичности глинистые грунты подразделяются на супеси (при IP<7), суглинки (7< IP <17) и глины (IP >17).

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

По показателю консистенции классифицируют глинистые грунты:

– супеси относят к твердой консистенции при IL <0, к пластичной – при 0£ IL £1, к текучей – при IL >1;

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