2. Инженерно-геологические свойства горных пород

2.1. Определение понятий горная порода и грунт 

Горные породы представляют собой плотные или рыхлые агрегатысостоящие из минералов или обломков других горных пород.

Каждая горная порода обладает в своей массе относительно постоянным минералогическим и известной определенностью валового химического состава, а также присущей ей структурой и текстурой, характеризующей её строение.

Химический состав горных пород определяется составом слагающих их минералов.

В строительной практике существуют понятия о горных породах и грунтах. К грунтам относят слабо связные и в силу этого менее прочные горные породы, и в первую очередь различные пески, гравий, галечники и самые различные представители из гаммы глинистых пород. К грунтам также относят торф, и илистые отложения

Наиболее характерными со строительной точки зрения представителями горных пород являются разнообразные скальные породы, например, граниты, известняки, песчаники и др.

Горные породы различаются по своим инженерно-геологическим свойствам: из-за преобладания у одних кристаллизационных структурных связей, и породы которых роль кристаллизационных структурных связей невелика. В первом случае принято употреблять термин “скальные“, во втором - “рыхлые“, или “дисперсные”, грунты.

ГОСТ 25100-95 подразделяет породы на классы: 1) класс природных скальных грунтов – грунты с жесткими структурными связями (кристаллизационными, цементационными; 2) класс природных дисперсных грунтов – грунты с водноколлоидными и механическими структурными связями; 3) класс природных мерзлых грунтов с криогенными структурными связями; 4) класс техногенных (скальных, дисперсных и мерзлых) грунтов; 5) частные классификации.

2.2. Общие сведения о скальных грунтах 

К классу природных скальных грунтов с жесткими структурными связями относят: интрузивные породы -  ультраосновного, основного, среднего, кислого состава; эффузивные – основного, среднего, кислого состава. Метаморфические – силикатные, карбонатные, железистые.

Осадочные - силикатные, карбонатные. Полускальные: эффузивные – силикатные; осадочные – кремнистые, карбонатные, сульфатные, галоидные. Пористость их оценивается от менее 1 до 5 %.

В части водопроницаемости пород она не имеет какого-либо значения.

Но роль пористости велика в образовании трещин.

По генезису трещины подразделяются на: первичные и вторичные.

К первичным трещинам относятся поры, ультра-и микротрещины, образующиеся в процессе кристаллизации магматических расплавов, при метаморфизме магматических, осадочных и собственно метаморфических образований.

Кроме того, к ним относятся трещины термических напряжений (контракции), возникающие при остывании магматических пород.

Поры в кристаллах (породе) могут быть изометричными или вытянутыми вдоль кристаллов.

На концах этих трещин концентрируются напряжения и при малейших тектонических подвижках они дают начало развитию вторичных трещин.

К первичным относятся также трещины, образующиеся при уплотнении осадочных отложений. Это так называемые литогенетические трещины. Располагаются они перпендикулярно или параллельно слоям осадочных пород.

Вторичные трещины (тектонические, экзогенные, техногенные) оказывают значительное влияние на физико-механические свойства пород и их водопроницаемость.

Но в большей части это относится к массивам пород.

Изучение физико-механических свойств кристаллических массивов ведется лабораторным способом керна скважин и монолитов, отбираемых  в обнажениях горных пород.

Определяются параметры: объемный вес, водопоглощение, пределы прочности на растяжение и сжатие.

Упругие свойства изучаются по прохождению продольных и поперечных волн.

Объемный вес определяется гидростатическим взвешиванием.

Водопогощение , где   - водопоглощение, %;  - вес соответственно насыщенного водой и сухого образцов, г.

Пределы прочности при одноосном сжатии и растяжении:

где  , - пределы прочности при одноосном сжатии и растяжении, МПа;  - максимальная нагрузка, МПа;  - изменение длины образца, см;  - площадь сечения образца, см².

Определение упругих свойств горных пород. Измерение скоростей прохождения продольных и поперечных волн производится  ультразвуковым методом.

где  скорости прохождения продольных () и поперечных () волн, м/с;  - длина образца, м;  - время пробега импульсав от излучателя до приемника, с.

Модуль Юнга (Е) определялся по известным   и  .

 где Е – модуль Юнга, МПа;  - коэффициент Пуассона;  - объемный вес породы, г/см³.

Скальные грунты могут являться основанием сооружений, средой для напорных гидротехнических сооружений.

Отличительной особенностью скальных пород служит их повышенная прочность и, как следствие, малая сжимаемость, способность держать высокие вертикальные стенки и малая водопроницаемость в массиве.

Однако прочность скальной породы как таковой для строительства в большинстве случаев не играет особой роли, так как она значительно выше чем требуется для  оснований сооружений.

Массивы скальных пород, как правило рассечены системой трещин, которые снижают прочность и их устойчивость.

Именно трещиноватость массивов скальных пород является основным фактором, определяющим особенности механических свойств горных пород, слагающих его.

Из этого следует, что при возведении крупных сооружений (плотин ГЭС, водохранилищ, карьеров, шахт) приходится считаться с масштабным фактором воздействия их на массивы.

Следовательно, вопрос изучения развития трещин имеет большое практическое значение и особенно для районов Среднего Урала, где строительство и эксплуатация таких сооружений как шахты ведется при условии добычи руд с больших глубин.

Наличие трещин и в особенности, когда по ним развиваются процессы выветривания, настолько изменяет деформативные и прочностные характеристики скальных пород, что по своим свойствам они становятся близкими к сухой кладке.

Но и отсутствие трещин в массивах пород на значительных глубинах может иметь негативные последствия, т.к. в них сохраняются остаточные напряжения, приводящие к проявлению горных ударов.

Это же происходит при тектонических подвижках.

Поэтому изучению трещиноватости в массивах скальных пород уделяется особое внимание. Исследованиями установлено, что трещиноватость пород носит зональный характер.

Всего выделено четыре зоны, различающиеся между собой по интенсивности трещиноватости: I – зона рыхлых отложений; II – зона региональной трещиноватости; III – промежуточная зона локальных трещин; IV – зона локальных трещин.

При вскрытии первых трех зон карьерами и шахтами наблюдаются осложнения ведению горных работ в виде оползней, обвалов, вывалов.

В зоне локальных трещин инженерно-геологические процессы носят другой характер, связанный с напряженным состоянием горных пород.

Здесь отмечаются шелушение, стреляние горных пород и горные удары.

Над горными выработками формируются зоны обрушения, а строительство вблизи выработанного пространства значительно удорожается из-за необходимости возведения особо устойчивых зданий.

По повышенной трещиноватости горных пород в зонах нарушений развиваются коры выветривания, способствующие образованию оползней, а в случаях возведения на них зданий и сооружений требующих особо надежных фундаментов

2.3. Инженерно-геологическая характеристика магматических пород

Все магматические породы представляют собой прочные скальные образования.

Их плотность зависит от минералогического состава и изменяется в широких пределах от 2,64 до 3,66 10³ кг/м³.

Пористость также варьирует в широких пределах и обычно менее 1 % и обуславливается наличием микрополостей между кристаллами или пузырьков газа внутри них.

Сопротивление интрузивных пород сжатию достигает 50-280 МПа, у особо прочных гранитов – 370 МПа, разрыву – 7-23 МПа.

Наибольшие значения этих показателей характерны для равномернозернистых, мелко – или средне зернистых невыветрелых пород с незначительным содержанием слюд, но с повышенным количеством равномерно распределенного кварца.

Эффузивные породы обладают примерно такими же прочностными характеристиками, которые во многом обусловлены высоким содержанием кварца, свежестью полевых шпатов.

Однако интерес представляют не только параметры на сжатие, но и водно-физические, свойства.

Физико-механические свойства горных пород

Магматические породы обычно слабо водоносны.

Но в зонах тектонических нарушений, где трещиноватость пород повышена, водопроводимость их достигает сотен м²/сут.

Из-за высокой плотности ультраосновных и основных пород щебень и песок  из них непригодны для приготовления бетонов и строительных конструкций из них.

Использование возможно их возможно для строительства дорог, аэродромных покрытий, тяжелые бетоны можно применять в гидротехническом строительстве.

Наибольшее применение имеют щебень и песок пород основного и кислого состава.

Практически все типы пород имеют хорошие декоративно-строительные свойства и применяются для облицовки зданий. Исключение составляют дуниты, поскольку находящееся в них железо окисляется на воздухе. Наибольшее применение они имеют при изготовлении из них огнеупорных изделий.

2.4. Инженерно-геологическая характеристика метаморфических пород 

Сланцеватая текстура большинства метаморфических пород обуславливает анизотропию физико-механических свойств даже в одном образце.

Как правило, прочность вдоль сланцеватости ниже, чем в направлении перпендикулярном ей.

Например, для слюдяных сланцев прочность на сжатие изменяется в пределах от 100 до 200 Мпа, хлоритовые и тальковые сланцы имеют прочность 20-60 МПа, редко 100 МПа.

Филлиты и глинистые сланцы обладают прочностью менее 20 МПа. В направлении сланцеватости прочность еще меньше.

Сланцеватые породы менее устойчивы по отношению к выветриванию. однако  это относится к таким породам, как мрамор, кварцит, роговики.

Их прочность значительно выше сланцеватых пород метаморфического генезиса, а инженерно-строительные и декоративные свойства, например, мрамора общеизвестны.

При этом отмечается сравнительно небольшая разница показателей физико-механических свойств  роговиков и магматических пород.

У обоих типов пород на прочностные характеристики массивов существенное влияние оказывают трещины и материал заполнителя.

Водопроводимость сланцеватых метаморфических пород значительно меньше, чем магматических.

Мрамор, кварцит, гнейсы, роговики по водопроводимости близки к магматическим.

Сланцеватые породы практически безводны.

2.5. Инженерно-геологическая характеристика скальных осадочных пород 

Скальные породы осадочного происхождения по типам, составу и свойствам более разнообразны, чем магматические и метаморфические.

Все породы при водонасыщении снижают свою прочность.

Исключение из этого составляют кремнистые разности известняков, конгломераты, песчаники с кремнистым цементом.

Из всех разновидностей пород осадочного происхождения в инженерно –геоло- гической практике больше всего приходится иметь дело с известняками и доломитами, составляющими 40-50 % от всех осадочных пород.

Осадочные породы имеют, главным образом, морское происхождение, поэтому в них наблюдается сменяемость слоев в вертикальном направлении, значительная площадь залегания, пластовый характер, постоянство состава в его пределах.

Самым значительным явлением для таких пород как гипс, ангидрит, каменная и калийные соли, известняки, доломиты является карст.

Строительство инженерных сооружений в районах развития карстовых явлений сопряжено со значительными трудностями. При возведении тяжелых сооружений возможны провальные явления из-за близкого расположенияземной поверхности карстовых пустот

Во избежание разрушения зданий и сооружений наилучшим решением вопроса является вынос их за пределы области карстового проявления.

Прочность же закарстованной толщи может быть обеспечена нагнетанием в неё бетонных и цементно-глинистых растворов, в самых простых случаях производят отвод поверхностных вод канавами и любыми другими  дренажными устройствами.

При этом значительное влияние на оживление карста могут оказать утечки техногенных вод из систем канализации.

Водопроводимость известняков , как и всех скальных пород, зависит от интенсивности трещиноватости и от величины раскрытия трещин.

Известняки обладают большим коэффициентом трещинной пустотности (2-5 %) и значительной водопроводимостью, достигающей нескольких тысяч м²/сут.

Во многих районах подземные воды известняков являются источниками водоснабжения населенных пунктов, а сами известняки служат строительным материалом и сырьем для производства цемента.

Строителям часто приходится иметь дело со значительной водообильностью и проявлением карста при возведении глубоких инженерных сооружений, фундаментов зданий, при строительстве метро и карьеров для добычи известняков.

По физико-механическим свойствам гипс, ангидрит, некоторые разности известняков (известняк-ракушечник) относятся к полускальным, предел прочности на сжатие – до 17-18 МПа и менее. В большей части известняки имеют предел прочности на сжатие 35-62 МПа, кремнистые разности - до 190 МПа и более, доломиты – 200-300 МПа.

2.6. Инженерно-геологическая характеристика дисперсных осадочных пород 

Строителям чаще всего приходится иметь дело с рыхлыми дисперсными породами. По ГОСТ 25100-95 “Грунты. Классификация” Важнейшим характеристиками таких грунтов являются плотность и пористость.

Пористость отложений определяется как отношение объема пор к общему объему породы. в сухом состоянии, выраженной в долях единицы  или в процентах.  

где n – пористость; V₀ – объем пор; V – объем породы.

Другой важной характеристикой пород является коэффициент пористости

где  - коэффициент пористости; V_П, V_Т – соответственно: объем пор и объем породы.

Между пористостью и коэффициентом пористости можно осуществлять взаимные переходы:                             

Плотность грунта понимается как отношение массы породы (с водой) к занимаемому этой породой объему.

где  - плотность грунта, г/см³; кг/м³; т/ м³;  - масса породы, г;  - объем породы, см³.

Водно-физические свойства грунтов. Влажность породы определяют как отношение массы воды, содержащейся в порах к массе сухой породы. Анализируемый образец взвешивается и затем высушивается в термошкафу при температуре 105-110⁰ С в течение 8 часов и более.

где  - влажность породы, %;  - масса породы с водой, содержащейся в ней, г;  - масса высушенной породы, г.

Влажность породы (глин) определяет ее физическое состояние; прочность, деформируемость и пластичность. Под действием внешних сил породы изменяют свою форму (деформируются) без разрыва сплошности, а после окончания действия милы, сохраняют полученную форму. Сохранение (или изменение) формы происходит при определенном содержании в глинах воды. Численная оценка этого явления дается по показателям пределов влажности глин, которые подразделяются на верхний и нижний пределы пластичности.

Нижний предел пластичности W_P или граница раскатывания  - это влажность породы при которой глинистый жгутик диаметром 3 мм начинает крошиться из-за потери пластических свойств.

Верхний предел пластичности W_L - это влажность породы, при которой глинистая масса в фарфоровой чашке, разрезанная глубокой бороздой, начинает сливаться после 2-3 толчков.

Разница между верхним и нижним пределами пластичности называется числом пластичности, I_p, %. I_p = W_L - W_P.

По числу пластичности выделяются породы: 1) высокопластичные (глины) –17; пластичные (суглинки) – 17-7; слабо пластичные (супеси) – 7; не пластичные (пески) – 0.

Гранулометрический состав характеризуется процентным содержанием в грунте (по весу) фракций (частиц) того или иного размера.

Для песчаных грунтов определение гранулометрического состава производится рассеиванием грунта на стандартном наборе сит.

Метод имеет ограничения, определяемые конечным размером ячейки сит (0,1 мм) и трудностью разделения агрегатов плотных фракций на отдельные зерна.

Поэтому содержание частиц диаметром более 0,1 мм производится ситовым методом, а менее 0,1 мм путем осаждения их в воде.

При определении содержания в грунте мелких частиц его промывают, кипятят и растирают.

Такая обработка грунта называется диспергированием.

При этом ареометрический метод гранулометрического анализа мелких фракций грунтов наиболее прост.

По его результатам строится полулогарифмический график состава.

По оси ординат откладывается процентное содержание частиц, а по оси абсцисс логарифм соответствующего процентного состава диаметра частиц.

Отношение n_d = d₆₀|d₁₀ называется коэффициентом неоднородности. Диаметр d₁₀ – называется действующим или эффективным.

Прочность грунтов. Сопротивление грунтов сдвигу описывается законом Кулона

где - предельное сдвигающее напряжение, МПа;  -  коэффициент внутреннего трения;  - угол внутреннего трения; С – сцепление, Мпа. Для глинистых и песчаных грунтов параметры прочности (и С) неоднозначны. В глинах коэффициент внутреннего трения  , а в песках сцепление С стремятся к нулю.

Водно-физические и физико-механические свойства дисперсных пород