Механика скальных грунтов и скальных массивов

Определение ненарушенных скальных грунтов и их геологическая классификация.

Физико-механические характеристики.

Геомеханическая классификация ненарушенных скальных грунтов

1.1. В геологии под термином «горная порода» (Ананьев, Пота­ пов, 2001), обычно понимается любая составляющая земной коры, которая представляет собой многокомпонентную систему природ­ ного образования, включающую твердую, жидкую и газообразную фазы. Горная порода состоит из минералов, образующих компози­ цию более или менее постоянного и характерного для данной поро­ ды состава. Этот состав, а также характер механических связей между минеральными частицами определяют свойства горных по­ род. По минералогическому составу различают мономинеральные и полиминеральные породы. Большинство пород принадлежит ко второй группе. Примерами мономинеральных пород являются пес­ чаник, известняк, мрамор, гипс и др. Можно выделить несколько важнейших групп породообразующих минералов, оказывающих существенное и притом различное влияние на свойства пород:

1)кварцевые минералы - кварц, кремень, халцедон и др.;

2)силикатные материалы - полевой шпат, пироксен, слюда и пр.

3)карбонатные и глинистые минералы - кальцит, доломит, као­ линит и т.д.;

4)легкорастворимые минералы - гипс, галит и т.п.

Наивысшей прочностью и наименьшей деформируемостью об­ ладают кварцевые породы с кремнистой цементацией (кремнистые песчаники, кварциты). Высокую прочность имеют силикатные по­ роды, у которых, однако, с повышением содержания слюдистых минералов показатели прочности снижаются. При наличии в поро­ де глинистых и легкорастворимых минералов прочность и упругие свойства породы резко уменьшаются.

3) формирование - рыхлые осадки начинают уплотняться и приобретать свои собственные свойства, в результате чего образу­ ются осадочные породы обломочного происхождения (галечники, пески, глины). Из осадков, получившихся в результате выпадения солей из водных растворов, формируются породы химического происхождения (известняки, мергели, гипс, каменные соли). Одно­ временно на поверхности земли идет активная жизнедеятельность растительных и животных организмов. После их отмирания из ос­ татков постепенно образуются породы органогенного происхожде­ ния (известняки-ракушечники, опоки, торф).

Минеральный состав осадочных пород очень разнообразен: об­ ломки различных пород, первичные материалы исходных пород, вторичные минералы - продукты разрушения первичных матери­ алов и т.д. Минералы осадочных пород могут находиться в крис­ таллическом, аморфном и коллоидном состояниях. Большинство осадочных пород - полиминеральные.

Метаморфические породы образуются, как уже упоминалось, в условиях большого давления и высокой температуры при наличии химически активных газов и растворов в так называемой зоне ме­ таморфизма. Зона метаморфизма находится в земной коре под по­ ясом выветривания на земной поверхности, где происходит меха­ ническое и химическое разрушение магматических и осадочных пород, и поясом цементации, где рыхлые осадки уплотняются, це­ ментируются и преобразуются в осадочные породы. Это зона начи­ нается приблизительно с глубины 1 км и простирается в глубь зем­ ной коры.

Метаморфические породы отличаются большим разнообразием, обусловленным, с одной стороны, многообразием исходного матери­ ала, а с другой - воздействием различных факторов метаморфизма.

Форма залегания метаморфических пород соответствует форме залегания горных пород, из которых они образовались. В случае оса­ дочных пород метаморфические породы образуют слои, а в случае магматических пород сохраняется их прежняя форма залегания. В метаморфических породах выделяются два типа пород: массив­ ные (зернистые) - кварцит и мрамор; сланцеватые - гнейс, различ­ ные сланцы. Их минеральный состав часто соответствует минераль­ ному составу первичной породы

Все горные породы характеризуются строением, к которому от­ носят размеры, форму, взаимное расположение и способ соедине­ ния слагающих их минеральных частиц. Важнейшими признаками строения пород являются их структура и текстура (Турчанинов и др., 1977).

Под структурой понимают степень кристаллизации пород (их кристаллическое или аморфное строение), размеры, форму мине­ ральных частиц и характер связей между ними. По степени крис­ таллизации пород выделяют: полнокристаллические, неполнокри­ сталлические, стекловатые, порфировые и обломочные структуры.

Полнокристаллическим породам свойственна полная раскристаллизация всех составляющих их минералов. Неполнокристалличес­ кие породы состоят частично из кристаллических зерен, частично из аморфной стекловатой цементирующей массы. Стекловатые породы полностью состоят из стекловатой массы В породах порфировой структуры в общую стекловатую или кристаллическую массу вкрап­ лены крупные зерна. Породы обломочной структуры состоят из сце­ ментированных обломков первичных пород, из которых они образо­ вались. Свойства пород неполнокристаллической, порфировой и обломочной структур существенно зависят от характера цементации

исостава цементирующего (стекловатого) вещества. Различают сле­ дующие основные типы цементации: базальный - зерна минералов, не соприкасающиеся друг с другом, погружены в стекловатую массу; контактный - цемент присутствует только по контактам соприкосно­ вения зерен; цементация в этом случае обычно слабая, а прочность пород невысокая; поровый - минеральные зерна непосредственно со­ прикасаются друг с другом, а поры между зернами заполнены цемен­ том, что по сравнению с предыдущим типом увеличивает прочность цементации; коррозионный - цементирующее вещество въедается в минеральные зерна, а не только заполняет промежутки между ними; прочность цементации очень высокая.

Состав цемента может быть самым разнообразным: кремнис­ тым, железистым, известковым, глинистым, гипсовым и т.д. Наи­ большей прочностью обладают породы с кремнистой и железистой цементацией, наименьшей - с глинистой и гипсовой.

Помимо структуры важнейшим признаком строения горных по­ род является их текстура. Под текстурой (сложением) понимается взаимное расположение структурно-однотипных частей породы в занимаемом ими пространстве. Текстура может быть упорядоченной

инеупорядоченной. Породы упорядоченных текстур породы обычно обладают анизотропией свойств в разных направлениях, например поперек напластования и вдоль него. В случае горных пород неупоря­ доченной структуры (например, массивно-кристаллических) их свойства во всех направлениях практически одинаковы Наиболее часто встречаются следующие текстуры (рис. 1.1): массивная - мине­ ральные частицы породы плотно прилегают друг к другу либо полно­ стью погружены в цементирующее их вещество; в пространстве их

Удельный вес - это вес единицы объема твердой составляющей грунта:

где G-r и Vj - вес и объем твердой составляющей образца грунта. Объемный вес - отношение суммарного веса всех составляю­

щих грунта (твердой, жидкой и газообразной) к объему, занимае­ мому этими составляющими:

где G - вес всех составляющих грунта; V - объем, занимаемый эти­ ми составляющими. Объемный вес всегда меньше удельного и яв­ ляется наиболее часто используемой в инженерной практике ха­ рактеристикой.

Удельная масса - отношение массы твердой составляющей скального грунта к объему, занимаемому твердой составляющей:

где тти VT - масса и объем твердой составляющей образца грунта. Плотность* (объемная масса) - масса единицы объема грунта, которая подсчитывается, как сумма масс всех составляющих

(твердой, жидкой и газообразной), входящих в состав грунта:

где m - масса составляющих грунта; V - объем, занимаемый этими фазами.

Значения удельной массы и плотности грунта можно рассчи­ тать исходя из значений удельного и объемного веса:

где g - ускорение силы тяжести.

*Из рассмотренных физических свойств, характеризующих плотность скальных грунтов,

вдействующих ГОСТ 25100-95 и ГОСТ 5180-84 используется плотность (объемная масса).

В табл. 1.1 представлены значения плотности наиболее часто встречающихся скальных грунтов.

Таблица 1.1

ПЛОТНОСТЬ СКАЛЬНЫХ ГРУНТОВ, г/см’ (Турчанинов и др., 1977)

Наряду с плотностью в механике скальных грунтов использует­ ся понятие пористости, под которой понимается суммарный отно­ сительный объем содержащихся в породе пор (пустот). Обычно по­ ристость выражают в процентах, относя объем пор v к полному объему породы V:

Коэффициент пористости, определяется как отношение объе­ ма пор к объему твердой составляющей скального грунта:

Значения пористости скальных грунтов изменяются от долей процента до 20% и более (табл. 1.2). Различаются грунты с низкой (менее 5%), пониженной (5-10%), средней (10-15%), повышенной (15-20%) и высокой (более 20%) пористостью.

Таблица 1.2

ПОРИСТОСТЬ НЕКОТОРЫХ ХАРАКТЕРНЫХ СКАЛЬНЫХ ГРУНТОВ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ГЕОЛОГИЧЕСКОГО ВОЗРАСТА

И ГЛУБИНЫ ЗАЛЕГАНИЯ ОТ ПОВЕРХНОСТИ (Гудман, 1987)

Наличие пустот в скальном грунте может быть вызвано также

выветриванием.

В этом случае коэффициент выветрелости скального грунта подсчитывается как отношение плотности выветрелого образца грунта к плотности невыветрелого образца того же грунта:

Классификация скальных грунтов по этому параметру пред­ ставлена в табл. 1.3.

Механические свойства скальных грунтов необходимы инже­ нерам для определения реакции скального массива на нагрузку, передаваемую взаимодействующим с ним сооружением. К основ­ ным механическим свойствам скальных грунтов относятся следую­ щие прочностные характеристики.

Предел прочности на одноосное сжатие Rc - напряжение, при котором образец разрушается в поле действия одноосных сжимаю­ щих напряжений. При этом Rc определяется по формуле

где Рраз - разрушающая сжимающая нагрузка; F - площадь попе­ речного сечения испытанного образца.

Эта механическая характеристика наиболее широко использует­ ся в инженерной практике. Для скальных пород значение Rc может достигать 500 МПа (кварциты, базальты), а минимальные значения могут составлять 0,5-1,5 МПа (мергель, гипс в водонасыщенном со­ стоянии). Даже для пород одного петрографического наименования прочность на одноосное сжатие может колебаться в значительных пределах. Обычно прочность на сжатие возрастает с увеличением плотности породы и уменьшается с увеличением влажности.