1 Понятие о свойствах горных пород
Изучение горных пород в гидрогеологии и инженерной геологии направлено на исследование состава, строения и свойств горных пород, которые определяют их прочность, деформируемость, устойчивость и водопроницаемость.
Физико-механическими свойствами горных пород называют такие, которые определяют их физическое состояние, отношение к воде и закономерности изменения прочности и деформируемости. Соответственно различают свойства физические, водные и механические. Их выражают и оценивают с помощью определенных показателей – характеристик.
1.1 Физические свойства грунтов
Физические свойства характеризуют физическое состояние горных пород, т.е. качественную определенность, проявляющуюся в их плотности, влажности, пористости, консистенции, трещиноватости, закарстованности и выветрелости в условиях естественного залегания.
К основным из физических свойств, изучаемых в гидрогеологии и инженерной геологии, относятся плотность и пористость для всех классов грунтов, а у грунтов полускальных и дисперсных (рыхлых несвязных и мягких связных) – выделяют еще и влажность. Кроме этого выделяют и гранулометрический (зерновой) состав для пород без жестких связей между минеральными составляющими.
Основные характеристики грунтов (скальных и полускальных, рыхлых несвязных и мягких связных) сведены в таблицу 1.1 «Основные характеристики физических свойств горных пород для оценки их физического состояния».
1.1.1 Плотность и показатели плотности – ρs, ρ, ρd
Плотность горной породы есть ее масса в единице объема.
Единицей плотности в СИ является 1000 кг/м3, в метрической - 1 г/см3.
Для характеристики и оценки плотности горных пород используют три показателя плотности (см. таблицу 1.1): плотность породы (ρ), плотность скелета породы при естественной пористости (ρd) и плотность минеральной части породы (ρs).
Плотность породы - это отношение массы грунта (включая массу воды в его порах) к занимаемому этим грунтом объему:
Таблица 1.1 – Основные характеристики физических свойств горных пород для оценки их физического состояния |
|||||||
|
|||||||
Коли-чество |
Характеристики |
Обоз-наче-ния |
Определение характеристики |
Формулы для вычислений |
Еди- ницы изме- рения |
||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
||
1 |
Плотность породы |
ρ |
Плотность - отношение массы грунта (включая массы воды, воздуха, газов и других жидкостей в его порах) к занимаемому этим грунтом объему |
ρ
V
V
|
=
=
=
|
g/V =(g1 + g2) / (V1 + V2)
Vs + Vп
m+n
|
г/см3 |
Объем образца грунта ненарушенного сложения при естественной влажности |
V |
см3
%
|
|||||
2 |
Плотность минеральной части породы |
ρs |
Отношение массы сухого грунта к объему его твердой части |
ρs
|
=
|
gs /Vs = ρd /(1 - (0,01•W•ρd)) где W = Wmax |
г/см3 |
3 |
Плотность скелета породы при естественной пористости |
ρd |
Отношение массы сухого грунта к объему, занимаемому этим грунтом (включая объем пор) |
ρd |
= |
gs /V = ρ / (1 + (0,01•W)) |
г/см3 |
ρd
|
=
|
ρs / (1 + (0,01W•ρs)) где W = Wmax |
|||||
4 |
Влажность весовая |
W |
Отношение массы воды, содержащейся в грунте, к массе сухого грунта |
W W W |
=== |
g2 / g1 = (gп / gs) • 100% [(ρ - ρd) / ρd] • 100% [(1 - ρd / ρs)/ ρd] • 100% |
% |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
||
5 |
Пористость |
n |
Отношение объема пор к объему всего грунта, включая поры |
n n |
== |
Vп / V = (ε / (1 + ε)) •100% [(1 - (ρd / ρs)] • 100% |
% |
6 |
Коэффициент пористости |
ε, е |
Отношение объема пор к объему твердой части (скелета) грунта |
ε ε |
= = |
Vп /Vs = n /(1 - n) = n/m (ρs - ρd) / ρd |
доли еди-ниц |
ε |
= |
0,01•W•ρs, где W = Wmax |
|||||
7 |
Коэффициент водонасыщения (степень влажности) |
SR, G |
Отношение объема воды к объему пор грунта - степень заполнения пор водой (ρw - плотность воды, г/см3) |
SR |
= |
W / Wmax |
доли еди-ниц |
SR |
= |
(0,01•W• ρs) / (e • ρw) |
|||||
8 |
Полная влагоемкость (влагоемких пород) или водоемкость (невлагоемких пор.) |
Wmax |
Влажность грунта, соответствующая полному заполнению пор водой |
Wmax Wmax |
== |
ε • ρw / ρs [(1 / ρd) - (1 / ρs)] • ρw |
% |
9 |
Коэффициент водоотдачи (для песчаных пород) |
Кв, μ |
Отношение объема свободно вытекающей (или извлекаемой) из грунта воды (при полном заполнении пор водой) к объему всего грунта |
Кв |
= |
(Wmax - Wm) • 0,01
|
доли еди-ниц |
Кв |
= |
(ε • ρw)/ρs - (0,01• Wm ) |
|||||
Плотность скелета породы при естественной влажности - это отношение массы сухого грунта к объему, занимаемому этим грунтом:
где gs - абсолютно сухая масса грунта, которую получают после вышивания его в термостате при температуре 104 оС, г.
Плотность минеральной части породы (или удельная масса) – это отношение массы сухого грунта к объему его твердой части:
Каждый тип породы может иметь некоторые пределы изменения плотности, при следующем соотношении плотностей ρs > ρ > ρd.
Плотность минеральной части пород служит для вычисления других показателей, плотность породы в целом характеризует плотность ее сложения и поэтому позволяет косвенно судить о прочности, деформируемости и устойчивости.