Показатели плотности и влажности некоторых пород

Таблица 5.1

	Плотность минеральной части, г/см3	Плотность в естественном сложении, г/см3	Естественная влажность, доли, ед.	Объем пор, %
Название пород
Гранит Порфирит Базальт Гнейс Мрамор Песчаник Известняк Аргиллит Глина кембрийская Глина майкопская Глина ленточная Лёсс Песок Торф	2,65—2,70	2,65—2,70	-	-
	2,70—3,0	2,7—2,9	-	-
	2,82—2,95	2,8—2,9	-	-
	2,67—2,72	2,65—2,70	-	-
	2,70—2,73	2,70—2,72	-	-
	2,64—2,70	2,2—2,5	0,01—0,1	5—15
	2,40—2,70	2,3—2,6	0,01—0,05	2—8
	2,63—2,86	2,1—2,2	0,05—0,2	15—30
	2,68—2,78	2,1—2,2	0,1—0,25	25—35
	2,68—2,72	1,75—1,85	0,15—0,30	28—36
	2,70—2,74	1,87—1,93	0,2—0,35	35—40
	2,67—2,69	1,50—1,70	0,08—0,18	44—52
	2,64—2,66	1,60—1,72	0,15—0,22	38—43
	0,5—0,7	-	-	-

Плотность скелета пород оценивается показателем ρ_с= q_m / v_m+v_n который определяется расчетным путем по формуле р_с = ρ/ 1+w. Показатель р_с используется для оценки истинной плотности насыпных сооружений по глубине и по простиранию с целью определения их однородности по прочности, сжимаемости и водопроницаемости. Он удобен и для определения коэффициента разрыхления пород при экскавации и отвалообразовании.

Размерность всех трех показателей р, р_m и р_с — кг/м³ или г/см³.

Сравнение этих показателей дает возможность судить о пористости пород. Для скальных пород характерно равенство р_m = р = р_с, а для песчано-глинистых неравенство р_m >р> р_с.

Показатель плотности пород используется при расчетах напряженного состояния, создаваемого вышележащими породами, в виде γ = gp, где γ — удельный вес, Н/м³; g — ускорение свободного падения.

Для песков (в особенности водонасыщенных) трудно определить плотность, соответствующую естественному или искусственному сложению, поскольку отбор ненарушенных проб связан с большими сложностями. В связи с этим определяют плотность при максимально плотном и максимально рыхлом состояниях для одной и той же влажности.

Показатели характеризуют относительную плотность, а также способность песков к уплотнению.

Пористость песчано-глинистых, а иногда и полускальных пород оценивается двумя показателями:

объемом пор

n = (р_m - р_с / р_m) *100

и коэффициентом пористости

е = р_m - р_с / р_с =n / 1-n

которые также дают представление об их плотности.

Относительная плотность песков I_d, в долях единицы определяется отношением: I_d = е_так - е/ е_так - e_min

где е_так и e_min — коэффициенты пористости, отвечающие предельно рыхлому и предельно плотному состояниям; е — коэффициент пористости естественного или приобретенного состояния песка.

При I_d > 0,66 песок считается плотным (малосжимаемым), при I_d < 0,33 песок рыхлый (сильносжимаемый с высокой водопроницаемостью). Наиболее часто в естественных условиях встречаются пески средней плотности, у которых 0,33 ≤ I_d ≤ 0,66. Способность песков к уплотнению оценивается коэффициентом уплотняемости: и = е_так - e_min / е_так

Чем больше значение этого коэффициента (чем оно ближе к 1), тем песок более уплотняем, т. е. больше может уменьшиться его пористость при внешнем воздействии (особенно динамическом).

5.2. Влажность и влагоемкость. Влажность имеет большое практическое значение для оценки состояния пород. Она представляет отношение массы воды, содержащейся в порах к массе скелетной части породы, высушенной при температуре 105°С и зависит от состава пород и их плотности (см. табл.5.1).

Горные породы могут быть охарактеризованы естественной влажностью, или влажностью в определенном состоянии. Для глинистых пород большое значение приобрели влажности двух характерных состояний — предел текучести — влажность, при которой глина переходит в текучее состояние, и предел пластичности, характеризующий переход от пластичного к полутвердому состоянию глины. Разница между этими характерными влажностями называется числом пластичности. Пределы текучести и пластичности определяют в лабораторных условиях на глинистых образцах нарушенного сложения и используют для косвенной оценки состава пород, так как они отражают их гидрофильность, зависящей от минерального и гранулометрического состава. По числу пластичности производится классификация глинистых пород, которая принята в СНиП для установления их номенклатуры. К глинам относятся разности, у которых число пластичности более 0,17, к суглинкам (песчанистым глинам) — от 0,07 до 0,17, к супесям (глинистым пескам) — от 0,01 до 0,07.

Пределы пластичности вместе с естественной влажностью используются для определения консистенции глинистых пород, характеризующей их физическое состояние. Она оценивается показателем консистенции, который представляет собой следующее отношение характерных влажностей

I_L = W-Wp / W_L -Wp

где W_L и W_p — влажности на пределе текучести и пластичности; W — влажность исследуемой глины (естественная).

В соответствии со СНиП глинистые породы по показателю консистенции подразделяются на:

Твердые ................. I_L < 0

Полутвердые ............... I_L = 0 – 0,25

Тугопластичные ............ I_L = 0,25 - 0,50

Мягкопластичмые ........ I_L = 0,50 - 0,75

Текучепластичные ......... I_L = 0,75 - 1,00

Текучие ................. I_L > 1,0

Консистенцию учитывают при определении несущей способности глинистых пород, поэтому изучение ее имеет большое практическое значение. При этом следует иметь в виду, что строго она определяет физическое состояние глинистых пород, у которых отсутствуют цементационные структурные связи.

Консистенция глинистых пород зависит от их минерального и гранулометрического состава, плотности и влажности, а также от состава поровой воды и характера структурных связей между минеральными частицами.

В л а г о е м к о с т ь горных пород определяется способностью их вмещать и удерживать данное количество воды в различных условиях. Различают породы влагоемкие, которые могут удерживать воду вокруг минеральных частиц (глинистые породы) и невлагоемкие, вмещающие воду, но отдающие ее при свободном истечении (крупные пески, галечники, трещиноватые и закарстованные породы). Промежуточное положение занимают мелкозернистые, пылеватые и глинистые пески.

Для песчано- глиннстых пород определяют полную W_n молекулярную W_мм и капиллярную W_к влагоемкости.

Полная влагоемкость характеризует влажность пород при полном насыщении всех их пустот водой. Расчет ее можно провести по формуле

W_n =np_в / p_т (1-n)=ep_в /p_т

где п — объем пор; е — коэффициент пористости; р_m — плотность минеральной части; p_в — плотность воды.

В о д о н а с ы щ е н и е горных пород характеризуется степенью заполнения пор водой, для чего используется отношение определенной влажности породы W к ее полной влагоемкости W_n, т. е. G = W/W_n , G = W p_т / ep_в.

Показатель степени водонасыщения используют в качестве классификационного признака песчано-глинистых пород (G < 0,5 - маловлажные, G = 0,5-0,8 - влажные и G > 0,8 — водонасыщенные), а также для косвенной оценки их прочности, деформируемости и устойчивости. Физическое состояние пород во многом зависит от степени заполнения порового пространства флюидом. В зависимости от G изменяется просадочность, размокаемость, набухание, сжатие, сопротивление сдвигу, ползучесть.

5.3. Выветрелость и трещиноватость. Выветривание горных пород приводит к изменению их состава, монолитности и, как следствие, прочности, деформируемости, водопроницаемости. Как известно, выветривание может быть физическим, приводящим к механической дезинтеграции пород, и химическим, в результате которого происходит изменение их состава. Глубина проникновения процесса выветривания составляет 200 - 300 м, а иногда достигает 1 км.

Особое значение имеет зона выветривания до глубины первых десятков метров, в пределах которой нарушение сплошности горных пород приводит к существенному уменьшению прочности и увеличению водопроницаемости. Породы, подвергшиеся или подверженные процессам выветривания, образуют древнюю или современную кору выветривания. В горной практике большоe значение приобретает и современный процесс выветривания, в связи с искусственным раскрытием больших площадей горных пород открытыми работами и формированием новых техногенных массивов (отвалов, терриконов).

При инженерно-геологической оценке степени выветрелости Н.В. Коломенский и В.Д. Ломтадзе выделяют по глубине 4 зоны (снизу вверх).

1. Зона монолитных пород, разбитых тектоническими тре­щинами или трещинами разгрузки.

2. Глыбовая или грубообломочная зона, представленная трещиноватыми породами (в результате физического выветривания), отдельные блоки которых имеют размеры в несколько десятков дециметров. Трещины открытые, или заполнены песчано-глинистым материалом из верхних зон. Водопроницаемость этой зоны значительная, коэффициент фильтрации составляет иногда более 100 м/сут. Прочность и деформируемость пород здесь определяется с учетом интенсивности и характера трещиноватости.

3. Мелкообломочная (щебенистая) зона, в пределах которой горные породы сильно трещиноватые и представлены отдельными кусками размером от 5 - 10 до 20 - 30 см. Минеральный состав изменен (химическое выветривание). Прочность пород в этой зоне в большинстве случаев можно характеризовать коэффициентом внутреннего трения, т. е. ее можно рассматривать как квазиоднородную среду. Водопроницаемость здесь уменьшается и характеризуется коэффициентом фильтрации от нескольких миллиметров в сутки до первых метров в сутки.

4. Зона дресвяно-песчаная, в которой «материнская» порода неузнаваема. Вторичные минералы составляют основную массу. Порода приобрела свойства песчано-глинистых отложений.

Показателями выветрелости горных пород являются различные отношения между показателями выветрелых и невыветрелых разновидностей одной и той же породы.

Наибольшее распространение и признание получили следующие показатели.

1. Степень выветрелости С_в = р_в / р_е, где р_в - плотность выветрелой породы; р_е - плотность невыветрелой породы.

2. Показатель выветрелости п_в = W_в- W_e / W_e, где W_в и W_e - влажность выветрелой и естественной породы.

3. Коэффициент удельной трещиноватости для каждой системы трещин

К_ут = n_т /L,

где n_т число трещин данной системы, замеренных по перпендикуляру на расстоянии L, м.

4. Коэффициент разупрочнения К_Р = R_c^e - R_c^в / R_c^e где R_c^e и R_c^в - прочность на одноосное сжатие невыветрелой и выветрелой породы.

5. Коэффициент выветрелости (по СНиП) Квк =К₁ - К₀ / К₀

где К₁ - отношение массы частиц размером менее 2 мм к массе частиц более 2 мм после испытания на истирание во вращающемся полочном барабане; К₀ — то же до испытания на истирание.

При К_вк = 0,0 - 0,5 породы считаются невыветрелыми, при К_вк = 0,5-0,75 - слабо выветрелыми и при К_вк = 0,75 - 1 — сильновыветрелыми.

По значениям указанных показателей оценивают изменение состояния горных пород, устанавливают закономерности процесса выветривания и разрабатывают прогнозы изменения свойств горных пород, особенно в искусственных откосах угольных и рудных карьеров, длительная устойчивость которых во многом зависит от степени и скорости изменения состояния пород, слагающих их.

При оценке взаимодействия горных пород с различными сооружениями и прогнозе их устойчивости исключительно важное значение приобретает трещиноватость. Она характерна главным образом для скальных и полускальных пород и определяет их физическое состояние, пространственную неоднородность и анизотропию. Нарушение сплошности пород трещинами различного происхождения оказывает определяющее значение на такие важные их свойства как прочность, деформируемость, пустотность, проницаемость, устойчивость при выветривании и карстообразовании, категорию трудности разработки и др.

По своему происхождению трещины делятся на две группы, тектонические и нетектонические. Первые образуются в результате воздействия на породы тектонических напряжений сжатия (трещины скалывания) и растяжения (трещины разрыва). Для них характерны: а) строгое пространственное расположение с формированием нескольких взаимно пересекающихся систем трещин, которые закономерно сочетаются со структурно-петрографическими и тектоническими элементами пород (слоистостью, сланцеватостью, складками, нарушениями и т. д.); б) большая протяженность и выдержанность. В этой группе выделяют особый тип трещин — кливаж (от английскою слова «кливаж» — раскол). Это система густых параллельных трещин, секущих слоистость или согласных с ней.

Нетектонические трещины могут образоваться при остывании магматических пород за счет неравномерного уменьшения объема (трещины первичной отдельности), при уплотнении осадочных пород (трещины напластования), в результате разрушения пород при выветривании (трещины выветривания) или при разгрузке реками, котлованами, горными выработками (трещины разгрузки), оползневые трещины на склонах и откосах, трещины сдвижения и горного давления, усыхания, трещины, образующиеся при искусственных взрывах, и др. Нетектонические трещины отличаются очень большим разнообразием, часто имеют хаотическое распространение, невыдержанную протяженность, поэтому их изучение и оценка влияния на свойства пород очень сложные.