Методы инженерной геологии

Для решения поставленных задач инженерная геология исполь­зует следующие основные методы:

• геологические — для оценки геологических условий района строительства и прогноза изменения этих условий под воздействием сооружений;

• аналогий — для сравнения и обоснования геологического подобия исследуемых территорий с уже изученными;

• экспериментальные — для количественной характеристики свойств горных пород и геологических процессов и явлений на основе лабораторных, полевых, опытных работ и режимных наблюдений;

• механики грунтов — для оценки влияния различной на­грузки на физико-механические свойства горных пород, степень их деформируемости, прочности и устойчивости;

• моделирования — для изучения и оценки характера и сте­пени взаимодействия проектируемых и существующих сооружений с геологической средой на основе разработанных математических или физических моделей;

• математические — для количественной оценки устойчиво­сти инженерных сооружений и освоенных территорий в различных природных условиях, а также прогноза развития различных геологи­ческих процессов и явлений.

По словам академика Ф.П. Саваренского [40] «специалист в об­ласти инженерной геологии должен быть, прежде всего, настоящим геологом, умеющим наблюдать и изучать природные процессы и истолковывать их. Вместе с тем инженер-геолог должен уметь оце­нивать природную геологическую обстановку применительно к спе­циальным требованиям строительства, сознательно используя для Этого приемы и методы, разработанные механикой, физикой и хими­ей грунтов».

Следовательно, специалист в области инженерной геологии должен иметь широкую общетеоретическую геологическую подго­товку и знать некоторые инженерно-технические дисциплины.

ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ИНЖЕНЕРНОЙ ГЕОЛОГИИ Инженерная геология является одной из самых молодых геоло­гических наук. В начале XX в. ее фактически не существовало, и термин «инженерная геология» не был известен. Для оценки условий строительства сооружений геологи привлекались в исключи­тельных случаях.

Индустриализация страны потребовала проведения широких геологических исследований. Это привело к выделению самостоя­тельной отрасли геологии — инженерной геологии — в 1929 г., ко­гда был создан Центральный институт гидрогеологии и инженерной геологии (ИНГИДРИНЖ).

Для подготовки высококвалифицированных специалистов при Московском геологоразведочном и Ленинградском горном институтах в 1929—1930 гг. были открыты кафедры гидрогеологии и инженерной геологии, а в 1930 г. при Ленинградском и в 1938 г. при Московском университетах — кафедры грунтоведения, которые в настоящее время преобразованы в кафедры инженерной геологии. На них и по сей день работают ведущие научные коллективы страны, которые наряду с пе­дагогической ведут большую научно-исследовательскую работу в об­ласти инженерной геологии, продолжая разрабатывать ее теоретиче­ские основы.

В 1933 г. при Геологическом институте Академии наук СССР был организован гидрогеологический отдел с сектором инженерной геологии. На базе его и ряда других организаций в 1939 г. был соз­дан Всесоюзный научно-исследовательский институт гидрогеологии и инженерной геологии (ВСЕГИНГЕО), который в настоящее время преобразован во Всероссийский институт с тем же названием. Этот ведущий научный центр страны в течение многих лет оказывает плодотворное организационное и методическое влияние на даль­нейшее развитие гидрогеологии и инженерной геологии.

Решающее значение в становлении инженерной геологии как самостоятельной науки имело издание основополагающих трудов Ф.П. Саваренского, Г.Н. Каменского, М.М. Филатова, И.В. Попова, Н.В. Коломенского, В.А. Приклонского, Е.М. Сергеева, В.Д. Ломтадзе, Г.С. Золотарева, В.И. Осипова, В.Т. Трофимова и других.

Инженерная геология за период своего развития по содержанию и методам исследований стала конкретной комплексной наукой, владеющей наиболее современными научными и прикладными ме­тодами для решения различных задач.

1. ПРИНЦИПЫ ИЗУЧЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИИ ГОРНЫХ ПОРОД КАК ГРУНТОВ В ИНЖЕНЕРНОЙ ГЕОЛОГИИ. В инженерной геологии исследуются именно те особенности состава, строения и свойств горных пород, которые определяют их прочность, деформируемость, устойчивость и водопроницаемость. Необходимо также учитывать искусственные факторы, возникаю­щие при строительстве различных сооружений и определяющие усиление или ослабление природных процессов и явлений.

Под прочностью понимается свойство горных пород сопротив­ляться разрушению под действием нагрузки. Деформируемость харак­теризуется изменением формы сложения и объема горных пород под нагрузкой, а устойчивость — их способностью сохранять данное физи­ческое состояние, прочность или равновесие, несмотря на действие различных сил. Водопроницаемость — свойство пород фильтровать воду.

При инженерно-геологическом изучении горных пород особое внимание следует уделять:

1. изучению разреза горных пород в пределах зоны влияния со­оружения;

2. выделению в разрезе всех разновидностей пород, существенно различающихся по своим петрографическим признакам и строитель­ным качествам, независимо от их мощности и распространенности;

3) изучению физического состояния и физико-механических свойств горных пород;

4. изучению пород в их естественном залегании, при естествен­ном сложении, влажности и обводненности;

5. выявлению изменения состава, состояния и свойств пород ПОД влиянием сооружений и прогнозу этих изменений.

В инженерно-строительной практике любые горные породы, используемые как естественное основание, среда или строительный мате­риал для различных сооружений, обычно называют грунтами. В инженерной геологии грунтами называют любую горную породу, рассматриваемую с инженерно-строительной точки зрения. Горные породы как грунты — это образования земной коры, возникающие и из меняющиеся в неразрывном взаимодействии с окружающей естественной или искусственной средой (инженерными вооружения­ми). Под воздействием окружающей среды в горных породах проис­ходят непрерывные количественные изменения, которые приводят к существенным качественным изменениям их свойств

Грунт — это условное прикладное наименование любой горной породы. Раздел инженерной геологии, в котором излагаются основы инженерно-геологического изучения горных пород, нередко назы­вают грунтоведением или инженерной петрологией.

Классификация горных пород в инженерной геологии необхо­дима:

1. для разделения многообразия горных пород на группы, суще­ственно различающиеся по генетическим и петрографическим при­знакам и строительным качествам, чтобы давать предварительную инженерно-геологическую оценку горных пород;

1. для построения инженерно-геологических карт и разрезов;

2. для определения состава, методики и направления инженер­но-геологического изучения горных пород;

4) для выбора методов улучшения свойств горных пород. Существуют классификации общие и специальные.

Общие классификации предназначаются для различных от­раслей строительства. Они разработаны с учетом нескольких или многих признаков горных пород. Наиболее известны классификации Н.Н. Маслова, Е.М. Сергеева и Ф.П. Саваренского. Об­щие классификации дополняются специальными.

Специальные классификации разработаны применительно к запросам той или иной отрасли строительного дела. Они основыва­ются на учете одного признака горных пород и подразделяют их в этом случае сравнительно детально.

Инженерно-геологическая классификация горных пород должна основываться на учете генетических и петрографических особенностей пород и их физико-механических свойств различные генетические и петрографические типы горных пород подразделяются на группы, существенно отличающиеся но своим строительным качествам и физико-механическим свойством - прочности, деформируемоемости, устойчивости и водопроницаемости. В классификации по Сваренскому выделяется пять групп горных пород характерными физико-механическими свойствами: I — твердые скальные породы; П — относительно твердые полускальные породы; Ш — рыхлые несвязные породы; IV — мягкие связные породы; V — породы особого состава. При детальном рассмотрении выделенных групп горных пород отчет­ливо прослеживается изменение их строительных качеств от первой группы к пятой.

2. ОСНОВНЫЕ ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ТИПЫ СКАЛЬНЫХ И ПОЛУСКАЛЬНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД, ВЛИЯНИЕ ВЕЩЕСТВЕННОГО СОСТАВА, ТРЕЩИНОВАТОСТИ И ВЫВЕТРИЛОСТИ НА ИХ СВОЙСТВА.ОСНОВНЫЕ ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ТИПЫ. Скальные горные породы характеризуются высокой прочно­стью, малой деформируемостью и водопроницаемостью, высокой устойчивостью и сопротивляемостью воздействию различных факторов. Генетически они подразделяются на магматические, мета­морфические и осадочные прочносцементированные.

Полускальные горные породы отличаются от скальных пониженными показателями физико-механических свойств благодаря особенностям состава, строения и физического состояния (трещиноватости, выветрелости и др.). К этой группе горных пород относят­ся: 1) трещиноватые и выветрелые магматические, метаморфические и осадочные прочносцементированные; 2) обломочные слабосцементированные; 3) глинистые литифицированные; 4) органогенные и органогенно-хемогенные; 5) пирокластические и эффузивно-осадочные сцементированные.

Магматические интрузивные и эффузивные породы в зависимости от состава магмы, условий ее остывания и кристаллизации в земной коре отличаются различным минеральным составом и структурными связями, от которых прежде всего зависят их физико-механические свойства. По содержа­нию в магматических породах кремнезема (в виде кварца и в силикатных соединениях) различают породы кислые (SiO₂ — 65—75 %), средние (SiO ₂ — 52—65 %), основные (SiO ₂ — 40—52 %) и ультраосновные (SiO ₂ — меньше 40 %).

Физико-механические свойства метаморфических пород зависят от глубины их преобразования под влиянием высоких температур и давлений, действия горячих растворов и летучих компонентов. В пределах областей регионального метаморфизма выделяют три группы фаций: — высокотемпературные фации; — средне- и низкотемпературные фации; — фации высоких давлений.

Прочность и устойчивость осадочных сцементированных горных пород зависит от их состава, типа цементации и состава це­мента, структурных и текстурных связей, количества и состава при­месей и включений, степени выветрелости и трещиноватости. По происхождению осадочные сцементированные породы разделяются на следующие четыре группы: 1) пирокластические; 2) обломочные; 3) глинистые; 4) органогенные и хемогенные.

В составе пирокластических пород присутствует осадочный и пирокластический материал, т. е. продукты вулканической деятель­ности. В зависимости от их содержания среди пирокластических пород выделяют туфы, туффиты и туфогенные породы.

Скальные и полускальные обломочные породы образуются в результате цементации обломочного материала в процессе его нако­пления. Они подразделяются по содержанию обломков преобла­дающих размеров и степени их окатанности (см таб). Кроме того, среди них выделяют: 1) мономинеральные, состоящие более чем на 90% из одного минерала; 2) олигомиктовые (малосмешанные), в которых один из минералов составляет от 60 до 90%; 3) полимиктовые (сильносмешанные), когда порода состоит из смеси обломков различных минералов.

Среди полимиктовых песчаников обычно различают: а) собственно полимиктовые; б) аркозовые, характеризующиеся высоким содержанием плагиоклазов и темноцветных минералов.

Важнейшей составной частью рассматриваемых типов пород является цемент, скрепляющий обломочный материал в сцементированную горную породу. По времени образования цемент может быть первичным, т.е. образовавшимся одновременно с осаждением обломочного материала, и вторичным, когда цементация обломоч­ного материала произошла после его отложения. По минеральному составу различают цемент глинистый, кремнистый, опаловый, хал­цедоновый, кварцевый, карбонатный, железистый, пиритовый, глауконитовый, фосфатный, сульфатный и др.

Тип цементации предопределяется количеством цемента в породе. Когда цемент обильный, характер цементации породы базальтовый или поровый, когда цемента мало, он скапливается в местах сближения зерен обломочного материала — контактовый тип цементации.

Среди глинистых пород выделяются только полускальные породы. В эту группу входят разновидности повышенной степени литификации (см таб).

Из скальных и полускальных горных пород органогенного и хемогенного происхождения наибольший практический интерес в инженерно-геологическом отношении представляют карбонатные породы (см таб).

Условия образования карбонатных пород отражаются на одно­родности или неоднородности их состава, структурных и текстур­ных особенностях, а это, в свою очередь, определяет прочность, деформируемость, устойчивость и другие свойства, важные для оцен­ки строительных качеств. Для карбонатных пород наиболее харак­терны следующие структуры:

Микрозернистая (скрытокристаллическая) порода состоит из мельчайших зернышек кальцита, размером менее 0,01 мм. Кристаллически-зернистая порода состоит из кристаллических зерен карбонатных минералов. Органогенная порода состоит из известковых раковин или их обломков. Если органические остатки представлены обломками, то различают детритусовую органогенную структуру (размер обломков 0,1 мм) и шламовую (размер обломков меньше 0,1 мм). Обломочная порода состоит из обломков более древних карбонатных пород. В зависимости от размера и формы обломков различают известковые брекчии, конгломераты, гравелиты и песчаники. Оолитовая порода состоит из мелких оолитов (округлых зернышек), формирующихся при осаждении карбонатного вещества вокруг некоторых центров – пылинок, песчинок и т.п. Практический интерес представляют также породы кремнистые. Они состоят почти целиком из минералов кремнезема сингенетического происхождения — опала, халцедона, и кварца. Главные разновидности кремнистых пород — диатомиты, трепелы, опоки, спонголиты, радиоляриты и яшмы.

ВЛИЯНИЕ ВЕЩЕСТВЕННОГО СОСТАВА, СЛОЖЕНИЯ И СОСТОЯНИЯ ПОРОД НА ИХ СВОЙСТВА

При инженерно-геологической оценке скальных и полускальных горных пород большое значение имеет минеральный состав, так как от него зависят плотность, прочность, твердость, сжимае­мость и устойчивость против выветривания.

Прочность, твердость, устойчивость и ряд других свойств минералов определяются суммарной энергией их кристаллической решетки. На разрушение минералов должно быть затрачено такое же количество энергии, какое выделилось при их образовании. Чем большей энергией обладает минерал, тем выше его сопротивляе­мость разрушению и соответственно больше энергии требуется на нарушение его кристаллической решетки. Наличие различных дефектов в кристаллической решетке минералов способствует их большей деформации и разрушению под влиянием внешних воздействии.

Наиболее устойчивым против выветривания из основных по­родообразующих минералов является кварц; менее устойчивыми – мусковит, ортоклаз, микроклин; умеренно устойчивыми - натрово-кальциевые полевые шпаты (альбит, олигоклаз, амфиболы, пироксены, кальцит). Малоустойчивыми являются кальциево натровые по­левые шпаты (плагиоклазы, оливин, биотит, гипс).

Прочностные, деформационные и другие свойства горных по­род обычно ниже, чем свойства слагающих их минералов: горная порода всегда имеет пористость, микротрещиноватость и другие «дефекты», т. е. явные и скрытые зоны ослабления физико-механических свойств. Устойчивость горных пород против вывет­ривания зависит от ассоциации слагающих минералов. Среди плагиоклазовых пород более устойчивыми являются диориты, затем габб­ро и диабазы, менее устойчивыми — базальты. Среди пород, не со­держащих полевые шпаты, быстрее выветриваются слюдистые — биотит и мусковит. За слюдистыми следуют хлоритовые, затем тальковые. Темноцветные силикаты выветриваются раньше светлых, а основные породы — быстрее кислых.

Твердость — это прочность минералов и горных пород на вдавливание. Следовательно, прочность есть общее свойство тела, а твердость — частный случай проявления прочности. Обычно прочность и твердость минералов значительно выше, чем горных пород. В минералогии при характеристике твердости обычно поль­зуются шкалой твердости Мооса. Большинство породообразующих минералов скальных пород обладают высокой прочностью и при воздействии на них внешней нагрузки ведут себя как упругие хруп­кие тела, не проявляя никаких остаточных деформаций и разрушаясь при напряжениях, достигающих предела упругости.

Вещественный состав осадочных пород определяется не только минеральным составом обломков пород, но также составом приме­сей и цемента. Наличие примесей имеет наибольшее значение для карбонатных пород, а состав цемента — для пород обломочных сцементированных. Так, примеси кремнезема в известняках по­нижают их растворимость и повышают прочность. Поэтому кремнистые известняки плотного сложения, обычно очень прочные и устойчивые, классифицируются как породы скальные. Примесь доломита также повышает строительные качества известняков, так как при этом понижается их растворимость и повышается прочность. Однако примеси и включения гипса, ангидрита и других легкорастворимых солей в карбонатных породах всегда вызывают снижение их прочности. Глинистое вещество в известняках понижает проч­ность, хотя несколько затрудняет растворимость. По мере увеличе­ния содержания глинистого вещества известняки переходят в карбонатно-глинистые породы. Все эти разновидности относятся уже к полускальным породам.

Важнейшей составной частью обломочных сцементированных пород является цемент. Различные конгломераты, брекчии и осо­бенно песчаники и алевролиты с кремнистым, карбонатным или железистым цементом относятся к скальным породам. Конгломераты, песчаники и алевролиты с глинистым, гипсовым или другими слабыми цементами относятся к полускальным породам. Они имеют пониженную прочность и водонеустойчивы.

На устойчивость и прочность скальных и полускальных пород существенное влияние оказывают также их структура и текстура. Наиболее прочны и устойчивы породы, имеющие полнокристаллическую равномерносреднезернистую или мелкозернистую структуры. Породы крупнозернистые, грубозернистые более податливы к разрушению, как при механическом воздействии, так и при резких изменениях температуры.

Текстура горных пород определяется пространственным рас­положением их компонентов и степенью монолитности. Породы массивного сложения, массивной текстуры обычно отличаются большей устойчивостью к выветриванию и меньшей анизотропией механических свойств. Породы слоистые, сланцеватые, с беспорядочной текстурой легче разрушаются при выветривании и механическом воздействии.

Изучение состава и строения горных пород производится на образцах. Образцы могут характеризовать определенные типы и раз­новидности горных пород, а также полный их разрез в пределах строительной площадки или массива. При этом исследования долж­ны быть комплексными, т. е. состав, строение и физико-механические свойства пород должны определяться по одним и тем же образцам.

Скальные и полускальные горные породы в зависимости от ус­ловий образования могут иметь разные формы залегания и образо­вывать различные по размерам и форме массивы, пачки или слои различной мощности и выдержанности по простиранию. Условия и форма залегания пород определяются соотношением с другими породами в разрезе и степенью нарушенности первоначального залегания тектоническими движениями.

При изучении физико-механических свойств скальных и полу­скальных пород необходимо учитывать их напряженное состояние. В условиях естественного залегания горные породы обычно находятся в состоянии всестороннего сжатия, развивающегося под влиянием веса вышележащих горных пород, тектонических сил, температурных градиентов и геохимических процессов. Внутрен­ние напряжения в скальных и полускальных горных породах за­кладываются уже при их формировании и могут сохраняться в тече­ние длительного времени, даже после прекращения действия внеш­них сил или напряжений (например, тектонические движения). Такие внутренние напряжения в горных породах принято называть остаточными (обусловлены гравитационными и в большей степени тектоническими силами, которые действовали на них в течение геологической истории). Гравитационные нагрузки растут от 20—30 до 200-300 кГ/см2 при увеличении глубины залегания пород от 100 до 1000м. В тоже время тектоиические силы вызывают напряжения до десятков тысяк кг на м². Поэтому измерения остаточных напряжений позволяют понимать и объяснять состояние и свойства горных пород на определенных глубинах, а главное, прогнозировать их деформации при разуплотнении или снятии нагрузки.

Наиболее заметным и важным видом изменения пород в зоне разгрузки (разуплотнения) является проявление трещин разгрузки — трещин отпора. Такие трещины возникают в результате упругого расширения пород, со­провождающегося их разрывом, раскрытием скрытых и закрытых трещин. Создается зоны ослабле­ния, вдоль которых нарушается устойчивость пород, возникают оползни и обвалы. Мощность зоны разгрузки (разуплотнения) в скальных и полускальных горных породах по контурам речных долин может изме­нятся от 15 до 50 м.

ВЛИЯНИЕ ТРЕЩИНОВАТОСТИ И ВЫВЕТРЕЛОСТИ ПОРОД НА ИХ СВОЙСТВА

Трещиноватость является одним из решающих факторов при инженерно-геологической оценке скальных и полускальных горных пород и влияет на следующие свойства горных пород: прочность; деформируемость; влагоемкость, водопроницаемость; интенсивность развития процессов выветривания и карстообразования; сейсмостойкость, температурный режим и др

Трещины могут быть тектонического и нетектонического происхождения. Тектонические трещины подразделяются на трещины скалывания, формирующиеся под влиянием касательных сдвигающих – скалывающих усилий, и трещины отрыва, развиваю­щиеся под влиянием растягивающих усилий. Тектонические трещи­ны скалывания обычно скрытые или закрытые, водопроницаемость по ним небольшая. Однако при разработке горных пород по ним мо­гут возникать значительные деформации — отслаивание и смещение больших масс. Тектонические трещины отрыва часто формируются в береговых обрывах, откосах котлованов и подземных выработках. Они обычно открытые и по ним происходят большие притоки под­земных вод. Эти трещины способствуют образованию вывалов, крупных смещений масс горных пород, а также интенсивному раз­витию выветривания на глубину.

Нетектонические трещины по своему происхождению могут быть подразделены на несколько групп: 1) контракционные, возни­кающие в связи с уменьшением объема при остывании магматиче­ских пород; 2) трещины усыхания; 3) трещины напластования; 4) трещины выветривания; 5) трещины разгрузки, возникающие при увеличении объема пород; 6) трещины оползней, провалов и проса­док; 7) искусственные трещины, возникающие при взрывах и обру­шениях.

При инженерно-геологическом изучении трещиноватости скальных и полускальных горных пород необходимо уделять вни­мание следующим основным вопросам: 1.Пространственному расположению трещин; 2.Морфологии трещин для выделения локальных систем трещин; 3.Определению степени трещиноватости пород для количест­венной оценки их раздробленности и разрушенности; 4.Оценке влияния систем трещин на устойчивость местности и проектируемых сооружений.

Для наглядности систематизацию ориентировки трещин сопро­вождают графическими построениями — розами, диаграммами и картами трещиноватости.

Степень трещиноватости горных пород в естественных обнажениях или горных выработках — шурфах, штольнях, шахтах — характеризуется модулем трещиноватости, т.е. числом трещин на один погонный метр высоты или длины обнаженной поверхности пород (получается зоны сильной 5-8трещин/1 погонный м, средней 2-3, слабой 1-2 трещиноватости и монолитные).

Водопроницаемость скальных горных пород значительной степени зависят от их трещиноватости и закарстованности. Сравнительная оценка трещиноватости пород может быть дана по результатам специальных работ (опытные откачки, нагнета­нии и наливы воды в скважины и горные выработки) с целью определения коэффициента фильтрации или удельного водопоглощения.

Под нагрузкой от сооружений в пределах активной зоны их основания трещины смыкаются, и общая осадка сооружений приближается к суммарной мощности трещин. Поэтому такие наблюдения важны для прогноза возможных осадок сооружений, оценки их масштабов и степени равномерности.

При решении инженерно-геологических задач оценка степени выветренности горных пород имеет важное значение, так как она определяет степень их разрушения. При выветривании горных пород изменяются: 1) физическое состояние; 2) минеральный и химический состав; 3) свойства – прочность, твердость, плотность, пористость, влагоемкость, водопроницаемость, водоносность, устойчивость и несущая способность; 4) деформируемость, ее величина и характер.

Интенсивность выветривания зависит как от свойств самих горных пород, так и от условий окружающей среды, прежде всего климатических, физико-географических и геолого-тектонических. При прочих равных условиях интенсивность выветривания возрас­тает с увеличением поступления тепла и влаги к поверхности пород, с увеличением амплитуды колебаний температуры и частоты пере­хода ее через 0°С. Большое значение при этом имеют наличие и ха­рактер растительности, микроорганизмов, и в целом активность биохимических процессов. Так, при замерзании и превращении воды в лед объем ее увеличивается примерно на 9 %, что вызывает давление на стенки трещин до 1000 кГ/см² и приводит к раскалыванию даже очень прочных пород.

Физическое выветривание обусловливает растрескивание породы, ее раскалывание и разделение на обломки. Интенсивность физического выветривания зависит в значительной степени от окраски пород, их минерального состава, структурных и текстурных особенностей, теплоемкости и теплопроводности, коэффициентов линейного и объемного расширения по­родообразующих минералов и породы в целом.

При химическом выветривании происходит разложение породы с изменением минерального и химического состава, с образо­ванием новых, более устойчивых минералов и накоплением минерального вещества в тонкодисперсном — коллоидном состоянии. Основными агентами химического выветривания являются вода и растворенные в ней углекислота, кислород, органические и другие кислоты. В породе одновременно могут происходить растворение, окисление, гидратация, замещение и гидролиз.

Выделяют четыре основные стадии выветривания горных пород: 1) обломочную, 2) сиаллитную щелочную, 3) сиаллитную кислую, 4) аллитную.

Обломочная стадия – происходит механическое разрушение породы почти без изменения ее минерального и химического состава.

Стадия сиаллитная щелочная является начальной при химическом выветривании. Из выветривающихся горных пород выносятся из все простые растворимые соли — хлориды, сульфаты и карбонаты щелочных и щелочноземельных металлов, начинается гидратация минералов.

Сиаллитная кислая стадия характеризуется длительным вы­мыванием оснований и Si02 из разрушающихся силикатов, вследст­вие чего щелочные условия постепенно сменяются кислыми и начи­нается миграция труднорастворимых соединений АI2Оз, Fе2О3, МnО2 и др. В кислой среде происходит интенсивное разложение силика­тов. При этом продолжающийся вынос магния и калия приводит к разрушению образовавшихся на предыдущей стадии глинистых ми­нералов.

Аллитная стадия характеризуется дальнейшим разложением и упрощением соединений. Силикаты распадаются на простейшие ок­сиды кремния, алюминия и железа, что ведет к формированию лате­ритов - остаточных отложений, обогащенных гидратами оксидов железа и свободным глиноземом. Эта стадия развита преимущест­венно в условиях жаркого и влажного климата тропиков и субтро­пиков.

При инженерно-геологическом изучении выветривания горных пород необходимо: 1.установить общую мощность зоны выветривания и характер ее изменений по простиранию в районе предполагаемого строитель­ства. 2.Расчленить зону выветривания на подзоны с целью выделе­ния наиболее сильно разрушенных пород - подзоны активного вы­ветривания. 3.Обосновать в зависимости от мощности и степени выветрело­сти пород: а) выбор наиболее благоприятных участков для размещения сооружений; б) глубину заложения фундаментов сооружений и прогноз возможных осадок; в) устойчивость выветрелых пород на склонах и откосах котлованов, в подземных выработках и т. д.

3.ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СКАЛЬНЫХ И ПОЛУСКАЛЬНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД. Физико-механическими называют свойства горных пород, определяющие их физическое состояние, отношение к воде и законо­мерности изменения прочности, устойчивости и деформируемости. Физические свойства характеризуют физическое состояние гор­ных пород при их естественном залегании или при взаимодействии с различными сооружениями. Данные о физических свойствах гор­ных пород позволяют оценить (рассчитать) их прочность и устойчи­вость. Водные свойства характеризуют отношение горных пород к воде, т. е. их способность поглощать, фильтровать и удерживать во­ду, а также изменять свое состояние, прочность и устойчивость при взаимодействии с водой. Механические свойства определяют поведение горных пород при воздействии на них внешних усилий (на­грузок). Эти свойства позволяют непосредственно оценивать проч­ность и деформируемость горных пород. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА Для инженерной геологии основными физическими свойствами скальных и полускальных горных пород являются удельный вес, объемный вес, пористость, а для полускальных пород также влажность. Эти свойства взаимосвязаны и в целом выражают состояние горных пород как в условиях естественного залегания, так и в образце. Удельным весом горной породы называют вес единицы объема ее твердой части - скелета. Численно удельный вес g_y равен отно­шению веса скелета породы g₁ К объему ее твердой части V₁ в Г/см³: g_y = g_l/V₁. Удельный вес горных пород определяется их минеральным со­ставом и отражает средневзвешенный удельный вес слагающих их минералов. Он изменяется от 2,60 до 2,75 Г/см^З . Объемным весом породы у принято называть вес единицы объема горной породы естественного сложения и влажности. Чис­ленно он равен отношению веса породы к ее объему в Г/см^З: у = (gl + g2) / (V₁ + V₂), где g₁, V_l - вес и объем скелета породы, g2, V₂ - вес воды и объем пор и трещин породы. Большинство скальных горных пород отличается малыми значениями по­ристости и естественной влажности (доли и единицы процентов), поэтому их объемный вес зависит в основном от величины удельно­го веса. Пористость и естественная влажность полускальных пород могут достигать десятков процентов, что обуславливает существен­ное отличие их объемного веса от удельного и меньшую плотность их сложения по сравнению с породами скальными. Пористость определяется общим объемом пор в единице объе­ма породы: n = V₂/ (V_l + У₂). Влажность определяется отношением веса воды g2 в порах и трещинах к весу сухой породы или скелета g1 и выражается в долях единицы или в процентах: W=g2/g1. Влажность скальных пород изменяется от долей процента до нескольких процентов. Поэтому ею обычно пренебрегают и не оп­ределяют. Естественная влажность полускальных пород может дос­тигать 20 % и более и оказывать существенное влияние на их физи­ческое состояние и свойства. ВОДНЫЕ СВОЙСТВА Основными водными свойствами скальных и полускальных горных пород являются их водоустойчивость, влагоемкость и водо­проницаемость. Водоустойчивость характеризуется размягчаемостью горных пород при их насышении водой. Размягчаемость выражается коэф­фициеитом размягчаемости К_р, = отношению вре­менного сопротивления сжатию образца породы после насыщения водой R_сж,в к временному сопротивлению сжатию до насыщения об­разца водой R_сж,с: К_р = Rсж,в / Rсж,с. Для скальных водоустойчивых пород он обычно не ниже 0,9 в долях единицы; у пород с пониженной водоустойчивостью ­0,7-0,8; у полускальных - меньше 0,5. Как правило, чем ниже по­ристость пород, тем выше их водоустойчивость. Однако уменьшение прочности после насыщения водой наблюдается у всех типов пород и характеризует определенную степень их водоустойчивости. Влагоемкость - способность горных пород поглощать и удерживать определенное количество воды. Определение влагоем­кости скальных и полускальныx пород необходимо для оценки их пористости, размягчаемости и морозостойкости. При изучении вла­гоемкости пород обычно определяют их водопоглощение W_n, водо­насыщение W_H и коэффициеит водонасыщеиия К_Н. Под водопоглощением понимается способность породы по­глощать (впитывать) воду при погружении ее в воду в обычных ус­ловиях, т. е. при атмосферном давлении и комнатной температуре. Количественно водопоглощение характеризуется отношением по­глощенной воды к весу абсолютно сухой породы в долях единицы или в процентах. Под водонасыщением понимается способность породы погло­щать (впитывать) максимально возможное количество воды при по­гружении в воду в особых условиях - под вакуумом, при повышен­ном давлении или при кипячении. Величина водонасыщения всегда больше водопоглощения. Коэффициент водонасыщения породы: К_Н = Wп/W_н. При К_Н > 0,8 породы считают морозонестойкими. Водопроницаемостью называется свойство горных пород про­пускать через себя воду. Водопроницаемыми являются такие поро­ды, которые при существующих или проектируемых напорах спо­собны пропускать воду. Мерой водопроницаемости горных пород служит коэффициент фильтрации К_Ф в м/сут: К_Ф = Q/ FI, где Q - расход воды, м^З /сут; F - площадь поперечного сечения породы, м; I- напорный градиент потока. Коэффициент фильтрации является основной расчетной харак­теристикой при расчетах фильтрации, водопритоков, водопониже­ний, дренажей, при прогнозе формирования зоны подтопления, оса­док сооружений во времени и др. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА Свойство горных пород воспринимать не разрушаясь те или иные нагрузки называется прочно­стью, а их свойство изменять под нагрузкой форму сложения и объ­ем - деформацией. Следовательно, прочность и деформируемость ­основные механические свойства горных пород, которые оценивают прочностными и деформационными показателями. Прочность скальных и полускальных горных пород принято оценивать временным сопротивлением сжатию, растижению, сдви­гу (скалыванию) и реже изгибу. При этом возникающие деформа­ции до определенного предела прямо пропорциональны прилагаемым или действующим нагрузкам. Следовательно, отношение на­грузки Р_пр к первоначальной площади образца F_o характеризует предел пропорциональности R_пр, в кГ/см²: R_пр = Рпр / F_o. При нагрузках, не превышающих предела пропорциональности, деформации имеют упругий характер. При нагрузках (напряжениях) выше этого предела породы быстро разрушаются с потерей сплош­ности. В последнем случае проявляется хрупкий характер разруше­ния, а деформации становятся необратимыми. Следует отметить, что у скальных пород в обычных условиях предел пропор­циональности практически равен пределу упругости и пределу вре­менного сопротивления сжатию (растяжению), то есть R_пр = R_y = R_сж. Деформации полускальных пород при сравнительно неболь­ших нагрузках также носят упругий характер. Однако при нагрузке выше предела пропорциональности деформация образца растет быстрее нагрузки. В этом случае получают развитие упруго-вязкие или остаточные пластические деформации, харак­теризующиеся необратимыми изменениями формы образцов пород. Отношение нагрузки Р_max к первоначальной площади образца F_o называют преде­лом прочности породы на сжатие (кГ/см²): R_сж = Р_max / F_o. В типичных полускальных породах после явно выраженных пластических деформаций в процессе пластического течения появ­ляются трещины, наступает разрыв сплошности, происходит хруп­ко-пластическое разрушение. Напряжения, при которых наступа­ют пластические деформации или разрушение горных пород, назы­вают предельными. Физическая природа прочности скальных и полускальных пород определяется в первую очередь их вещественным составом и характером структурных связей. Чем вы­ше суммарная энергия кристаллической решетки минералов, чем выше прочность структурных связей в породе и чем меньше в ней различных «дефектов», тем выше сопротивление породы разрушению. Под деформацией горных пород понимают изменение их фор­мы, сложения и объема. В скальных породах развиты главным об­разом деформации упругие (обратимые). В полускальных поро­дах наряду с упругими деформациями развиты деформации пла­стические (остаточные), когда состояние породы не восстанавлива­ется после снятия нагрузки. Упругие деформации скальных и полускальных пород обу­словлены упругими свойствами их компонентов, характером струк­турных связей и частично свойствами пленок связанной воды или гидратированного цемента, покрывающих частицы осадочных полу­скальных пород. Пластические деформации вызываются необратимыми взаим­ными смещениями компонентов породы, разрушением структурных связей и самих компонентов, уплотнением породы, возникновением и закрытием трещин и других полостей. Для оценки масштабов и степени возможных деформаций скальных и полускальных пород используют различные деформаци­онные характеристики. Основными из них являются модуль упру­гости (модуль Юнга) Е, коэффициент поперечной деформации (коэффициент Пуассона) µ. Модуль упругости Е - это основная характеристика упругих свойств твердых тел, в том числе скальных и полускальных пород. Согласно закону Гука, относительная деформация прямо пpо­порциональна вызывающему ее напряжению. Из этого следует, что модуль упругости является коэффициентом пропорциональности между величиной относительной деформации и значением вызвав­шего ее напряжения.Численно модуль упругости равен значению напряжения (в кГ/см²), которое обусловило относительную деформацию, равную единице. Он, как правило, тем выше, чем выше плотность и меньше пористость пород. Следовательно, у скальных пород его значения выше, чем у полускальных. Коэффициент поперечной деформации (коэффициент Пуас­сона) µ характеризует отношение относительных поперечных де­формаций (расширение) к относительным продольным деформаци­ям (сжатие) образца при определенной нагрузке. Этот коэффициент у скальных и полускаль­ных пород изменяется в ограниченных пределах от 0,1 до 0,4; чем он больше, тем более деформируема порода. Реологические свойства. Реологическими называются такие механические свойства горных пород, которые способны изменять свои характеристики во времени. Они проявляются при развитии процессов пластических деформаций. В связи с этим реологиче­скими свойствами обладают только полускальные породы, так как скальные породы отличаются, главным образом, упругими дефор­мациями и разрушаются хрупко.

4. ОСНОВНЫЕ ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ТИПЫ РЫХЛЫХ НЕСВЯЗНЫХ И МЯГКИХ СВЯЗНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД, ВЛИЯНИЕ МИНЕРАЛЬНОГО СОСТАВА И ДИСПЕРСНОСТИ НА ИХ СВОЙСТВА.

По инженерно-геологической классификации горных пород третью и четвертую группы составляют породы рыхлые несвязные (пески, галечники и др.) и мягкие связные, или глинистые (глины, суглинки, супеси). Свойства песчаных и галечных пород и склонность их к деформаци­ям зависят главным образом от плотности сложения. В связи с этим различают породы рыхлого, среднего и плотного сложения.

Среди глинистых пород выделяют собственно глины и разнообразные глинистые породы. Глинами в инженерно-геологической практике называют тонкодисперсные осадочные породы, в которых содержится не менее 30 % частиц размером меньше 0,002 мм. Они обладают связностью и пластичностью во влажном состоянии, а при высыхании сохраняют приданную им форму.

По условиям образования песчано-галечные и глинистые поро­ды могут быть континентальными, лагунными и морскими. Каждая таких фациальных групп может быть подразделена на Континентальные породы: 1) элювиальные, 2) делювиальные, 3) коллювиальные, 4) аллюви­альные, 5) пролювиальные, 6) ледниковые, 7) водно-ледниковые, 8) озерные, 9) болотные, 10) эоловые, 11) антропогенные. Лагунные породы: 1) собственно лагунные, 2) дельтовые, 3) эстуариевые. Морские породы: 1) неритовые, или осадки шельфа, отлагающиеся на глубине до 200 м; 2)батиальные, или осадки континентального склона, отлагающиеся на глубине от 200 до 3000 м; 3) абиссальные, или осадки ложа Мирового океана, отлагающиеся на глубине более 3000м.

ОБЛОМОЧНЫЕ И ГЛИНИСТЫЕ ПОРОДЫ КАК ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ

Дисперсными называются системы, состоящие из двух или более фаз. В зависимости от степени дисперсности или раздробленно­сти твердой фазы они подразделяются на грубые дисперсии (размер частиц больше 2 мк), тонкие дисперсии (от 2 до 0,1 мк), коллоиды (от 0,1 мк до 1 ммк) и молекулярные системы (мельче 1 ммк). Повышенное содержание тонкодисперсных частиц в породах определяет в значительной степени их «глинистые» свойства и принципиальные отличия свойств глинистых пород от песчаных и других обломочных. Эти отличия особенно существенно проявля­ются в отношении пород к воде, поглотительной способности и связности. Глинистые частицы отличаются высокой гидрофильно­стью.

Поглотительная способность горных пород, особенно глини­стых, имеет сложную природу и обычно состоит из нескольких со­вместно протекающих процессов. Гедройц (1933) предложил различать пять видов поглощения: механическое, физическое, физи­ко-химическое, химическое и биологическое.

Механическое поглощение проявляется в поглощении мелких частиц, взвешенных в воде при ее фильтрации через породу. Физи­ческое поглощение проявляется в адсорбции частицами породы на своих поверхностях различных веществ. Физико-химическое по­глощение заключается в способности породы обменивать некото­рую часть поглощенных катионов или анионов на эквивалентное количество катионов, находящихся в растворе. Химическое погло­щение проявляется в образовании химических соединений в породе при взаимодействии ее частей с окружающим или насыщающим ее раствором. Биологическое поглощение связано с образованием и накоплением в породе различных веществ в результате жизнедея­тельности микроорганизмов, растений и животных.

Глинистые породы могут разжижаться или размягчаться под влиянием механических воздействий, а затем после их прекращения самопроизвольно восстанавливать первоначальное состояние и прочность. Такие обратимые явления называют тиксотропными или тиксотропией (изменение при соприкосновении). Тиксотропные изменения являются результатом разрушения структурных свя­зей, уменьшения их прочности и расслабления породы.

При развитии доста­точно прочных цементирующих связей, особенно конденсационно-кристаллизационного характера, тиксотропия в глинистых породах проявляется довольно слабо и частично. При инженерно­-геологическом изучении глинистых пород учет и оценка их тиксотропных свойств имеют важное значение, так как тиксотропия мо­жет резко изменять устойчивость и прочность глинистых пород при воздействии на них статических и динамических нагрузок и вызы­вает нарушение устойчивости сооружений, значительные их осадки.

ВЛИЯНИЕ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО И ВЕЩЕСТВЕННОГО СОСТАВА ПОРОД НА ИХ СВОЙСТВА

Гранулометрический состав характеризует дисперсность оса­дочных пород и выражает процентное содержание в породе фракций частиц различных размеров по отношению к весу абсолютно сухой породы. Размер частиц фракций обычно выражают в миллиметрах.

К глинистой фракции обычно относятся частицы размером меньше 0,002 мм. При этом выделяют частицы не только опреде­ленного размера, но и особого минерального состава и формы. Именно у частиц размером менее 0,002 мм резко проявляются ха­рактерные «глинистые» свойства: увеличиваются емкость поглоще­ния и гидрофильность, повышаются влагоемкость, пластичность, липкость, высота капиллярного поднятия, уменьшается водопрони­цаемость и т. д.

Пылеватые (алевритовые) частицы размером 0,05-0,002 мм по составу и свойствам существенно отличаются как от глинистых, так и от песчаных. В их минеральном составе обычно преобладает кварц. Глинистые свойства пылеватых частиц выражены слабо, они слабовлагоемки и отличаются заметной водопроницаемостью. Пылеватые породы всегда легко размокают и быстро переходят в плывунное состояние, а при промерзании склонны к пучению.

Песчаные (псаммитовые) частицы размером 2,0-0,05 мм, а также гравийно-галечные и другие крупнообломочные, или псефи­товые, частицы состоят из обломков как минералов, так и пород. В соответствии со степенью окатанности их подразделяют на гравий и дресву, гальку и щебень, валуны и глыбы. По своим свойствам они водопроницаемы, невлагоемки, обладают хорошей водоотдачей.

Мерой неоднородности гранулометрического состава песчаных и глинистых пород служит коэффициент неоднородности К_н = d₆₀ / d₁₀, где d60 - контролирующий диаметр частиц; dlO – действующий (эффективный) диаметр частиц.

Контролирующим диаметром частиц является такой, которого в данной породе меньше 60 % частиц. Под действующим (эффек­тивным) - которого в породе меньше 10 % частиц.

Природа свойств глин и глинистых пород, помимо гранулометрического состава, в значительной степени определяется минеральным составом их тонкодисперсной части. От этого зависит активность физико-химического взаимодействия глин с водой.

В составе тонкодисперсной части (размер частиц меньше 0.002 мм) преобладающую роль играют глинистые минералы (группа водных алюмосиликатов, железистых и магнезиальных силикатов). Из глинистых мине­ралов в глинистых породах встречаются минералы трех групп: каолинита, гидрослюд (иллита) и монтмориллонита.

Минеральный состав рыхлых несвязных пород (песчаных, галечных, гравелистых и др.) существенно отличается от состава гли­нистых пород. В минераль­ном составе песков и алевритов преобладают обломки первичных (реликтовых) минералов - кварца, полевых шпатов, карбонатов.

Важной характеристикой осадочных пород является их струк­тура, которая определяется формой, размерами и относительным содержанием основных компонентов. Знание структуры горных по­род позволяет полнее охарактеризовать степень их однородности, дисперсности, глинистости, а также их инженерно-геологические свойства - влагоемкость, гидрофильность, деформируемость, проч­ность и др.

В строении глин и глинистых пород выделяют следующие ос­новные типы структур: пелитовая, алевропелитовая, псаммопелито­вая, алевритовая и др. Пелитовой структурой отличаются породы морского происхождения, состоящие почти исключительно из гли­нистых частиц. Алевропелитовая структура характеризуется содер­жанием не менее 8 % пылеватых (алевритовых) частиц в основной тонкодисперс­ной глинистой массе породы. Псаммопелитовая структура отличает­ся присутствием в породе кроме алевритовых еще и песчаных час­тиц в количестве не менее 8 % массы (суглинки, песчаные глины). Алевритовая структура характерна для глинистых пород, состоящих преимущественно из пылеватых (алевритовых) частиц с небольшой примесью глинистого вещества.