u_lectures

различными физико-механическими свойствами, которые определяют условия строительства на этих породах.

При изучении песчаных и глинистых пород очень важным является установление процессов, под влиянием которых формируется физическое состояние и свойства пород во время их образования в земной коре. Кроме того, необходимо учитывать дисперсность этих пород, т.к. с изменением дисперсности меняются свойства пород.

Большое значение на формирование прочностных свойств, особенно глин, имеют структурные связи. Многие глинистые породы могут разжижаться или размягчаться при встряхивании или под влиянием других механических воздействий, а потом самопроизвольно восстанавливать свое состояние и прочность. Такие обратимые явления называют тиксотропными. Важным показателем способности пород к тиксотропии является время восстановления их физического состояния и прочности после механического воздействия. Тиксотропия может резко изменять устойчивость и прочность глинистых пород и вызывать нарушение устойчивости сооружений.

Гранулометрический состав характеризует осадочные породы в отношении их дисперсности, т.е. размеров слагающих частиц (табл. 9). Он выражает процентное содержание в породе групп частиц (фракций) различных размеров, взятых по отношению к весу абсолютно сухой породы [4].

111

Тонкую фракцию определяют методом отмучивания – по скорости падения частиц в воде. Эти частицы от крупных фракций резко отличаются по составу – это глинистые минералы, образующие группу водных силикатов, имеют, как правило, чешуйчатую, листоватую форму.

В зависимости от размера зерен выбирают методы определения гранулометрического состава (табл. 10).

Результаты гранулометрического анализа обычно представляют в виде таблиц, в которых указывают процентное содержание каждой фракции. Затем строят графики, наибольшей популярностью пользуется изображение гранулометрического состава в виде интегральной (кумулятивной) кривой (рис. 23).

Рис. 23. Интегральные кривые гранулометрического состава глинистых пород: 1 – однородной; 2 – неоднородной

Мерой неоднородности гранулометрического состава песчаных и глинистых пород служит коэффициент неоднородности:

112

н = ,

где d60 – контролирующий диаметр, а d10 – действующий или эффективный диаметр, которые определяются по кумулятивной кривой.

При коэффициенте неоднородности >3 для песчаных пород и >5 для глинистых, они считаются неоднородными.

Физико-механические свойства песчаных и глинистых пород отличаются по своим показателям от скальных и полускальных пород. Вместо влажности для характеристики описываемых классов вводится понятие консистен- ции. Глинистые породы при той или иной влажности приобретают определенную подвижность (деформируемость). Различные влажности называют пределами консистенции. Наиболее важными являются предел пластичности и предел текучести.

Предел текучести соответствует такой влажности, при незначительном превышении которой глина из пластичного состояния переходит в вязкотекучее.

Предел пластичности соответствует такой влажности, при которой глинистая порода нарушенного сложения из полутвердого состояния переходит в пластичное.

Интервал влажности, при котором глинистая порода находится в пластичном состоянии, называется числом пластичности W. При W > 17 % – высокопластичная или глина; при W от 7 до 17 % – среднепластичная, суглинок; при W от 1 до 7 % – слабопластичная, супесь.

Пластичность зависит, главным образом, от минерального состава их тонкодисперсной части, т е. частиц менее 0,002 мм.

Для ориентировочного суждения о состоянии глинистых пород в условиях естественного залегания определяется коэффициент консистенции B:

= п р,

где W – естественная влажность горной породы; Wр – нижний предел пластичности; Iп – число пластичности.

При взаимодействии с водой резко меняются свойства песчаных и особенно глинистых пород, у которых теряется связь между частицами, и они могут размокать или распадаться.

Некоторые глинистые породы (особенно гидрослюды и монтмориллониты) при взаимодействии с водой увеличиваются в объеме (до 25–30 %) – набухают. Величину набухания выражают в долях единицы или процентах от начального образца породы по приращению высоты образца в результате набухания.

113

Изменение свойств глинистых пород происходит и при потере влаги породой. Изменение объема пород при усадке происходит до определенного предела влажности, ниже которого объем породы не изменяется.

Набухание пород связано с их влагоемкостью – способность поглощать и удерживать воду (см. гл.1.2.1).

Особое значение для характеристики глинистых и песчаных пород имеет водопроницаемость (см. гл.1.2.1). На водопроницаемость, как указывалось выше, большое влияние оказывают пористость и различные примеси. Если к чистому песку добавить 10 % глины, то водопроницаемость уменьшится на

73 % (рис. 24).

Рис. 24. Зависимость проницаемости горных пород от содержания глинистых час-

тиц

В инженерной геологии коэффициент фильтрации Kф рассматривается как скоростная единица, исходя из закона Дарси. При напорном градиенте i, равном единице, коэффициент фильтрации равен скорости потока V. Движение воды в глинистых породах начинается только тогда, когда напорный гра-

диент достигает определенной величины, называемой начальным градиентом:

= ф( − пр).

В глинистых породах необходимо преодолеть вязкое сопротивление сдвигу физически связанной воды (рис. 25).

Механические свойства по-разному проявляются в песчаных и глинистых породах. Внешняя нагрузка, приложенная к песчаной или глинистой породе, вызывает деформацию сжатия (уплотнения), т.е. компрессию. Вследст-

114

вие этого уменьшается пористость пород, повышается их плотность и объемный вес.

Рис. 25. Графики зависимости скорости движения воды в песчаных и глинистых породах от величины напорного градиента:

1 – для песчаных пород; 2 – для глинистых пород

Для песчаных и глинистых пород, так же, как и для скальных и полускальных, изучают их прочность и деформацию.

Деформацию песков и глин изучают при одноосном сжатии в условиях отсутствия бокового расширения. Такие деформации называют компрессионными, они изучаются в одометрах.

Компрессионные испытания отражаются на компрессионной кривой (рис. 26), которая характеризует степень уплотнения пород (по коэффициенту пористости) при возрастающей нагрузке.

Рис. 26. Компрессионная кривая:

1 – кривая уплотнения; 2 – кривая разуплотнения - набухания

115

По компрессионной кривой можно определить коэффициент сжимае-

Чем больше tg α, тем порода слабее, т.е. она более податлива, сильнее уплотняется в пределах заданного интервала давлений.

Если α < 0,001, то грунт несжимаемый; при α от 0,001 до 0,01 – слабо сжимаемый; при α от 0, 01 до 0,1– средне сжимаемый; если α > 0,1, то грунт сильно сжимаемый.

Мерой компрессионных свойств породы может быть коэффициент от- носительной сжимаемости, выражающий относительную деформацию породы, т.е. представляющий величину сжатия породы от нагрузки σ (кг/см2), отнесенной к первоначальной мощности слоя. Коэффициент относительной

сжимаемости а вычисляется по формуле [4]

о о = 100 ∆ ,

где h – величина, на которую изменилась высота образца, см; h – первоначальная высота, см.

При ао < 1 порода несжимаемая; ао = 1–5 – слабо сжимаемая; ао = 6–20

– средне сжимаемая; ао = 21–60 – повышенная сжимаемость; ао > 60 – сильно сжимаемая.

Прочность песчаных и глинистых пород характеризует их способность сопротивлением сдвигу. Разрушение породы наступает тогда, когда касательные напряжения превышают внутренние силы сопротивления (трение, сцепление).

Сопротивление сдвигу песчаных пород зависит от трения (рис. 27а), глинистых – от трения и сцепления (рис. 27б).

Рис. 27. Диаграммы сопротивления сдвигу пород

116

где угол φ – угол внутреннего трения, С – силы сцепления; σ – нагрузка. Прочность глинистых пород в инженерной геологии принято оценивать

коэффициентам сдвига F – тангенсом угла сдвига, который определяется гра-

фически или рассчитывается по формуле

= = + .

Песчаные и глинистые породы очень чувствительны к реологическим деформациям. Степень определения ползучести или упругости в грунте зависит от отношения времени действия силы к времени релаксации, под которым понимается такой промежуток времени, в течение которого напряжение уменьшается на определенную величину. Если продолжительность действия сил на грунт больше периода релаксации, начинаются деформации ползучести и течения.

Инженерно-геологическая оценка грунтов особых свойств, состояния и состава учитывают те особенности состава и физико-механических свойств, которые определяют условия строительства. Например, илы – это, прежде всего, водонасыщенные осадки, образовавшиеся механическим и химическим путем на дне морей, лагун, болот, озер, поймах рек. Влажность их достигает 70–80 %. Угол естественного откоса стремиться к нулю. Строительство на них возможно в результате уплотнения, укрепления, дренирования вертикальными песчаными дренами.

Торф – это порода органического происхождения, содержащая более 60 % растительных остатков. Торф сильно влагоемкий, чрезвычайно сильно, неравномерно и длительно сжимаемая порода, для которой характерны реологические свойства. При строительстве на торфах применяют различные меры, предостерегающие от сильного и неравномерного сжатия: армированные пояса, осадочные швы, разрезка зданий на отдельные жесткие отсеки, свайные основания и т.д.

Свойства засоленных пород (содержание растворимых солей более 0,3 %) зависят от состава и содержания солей. При выщелачивании воднорастворимых соединений изменяются плотность пород, деформируемость, связность, прочность, устойчивость и водопроницаемость.

117

При проектировании строительства на засоленных породах необходимо знать: степень засоления пород; состав легкорастворимых и среднерастворимых солей; солевой и влажностный режим пород и условия засоления. При строительстве на таких грунтах необходимо тщательное регулирование поверхностного стока и дренаж подземных вод.

В природе практически нет пород, не требующих улучшения свойств при строительстве, поэтому в инженерной геологии применяют различные способы. Применяемые способы делятся на механические (трамбование, виброуплотнение и др.); физические (обжиг, замораживание, глинизация, битумизация и др.); химические (цементация, силикатизация и др.).

Выделяют поверхностные методы учучшения пород с нарушенным строением и глубинные методы укрепления пород в массиве с ненарушенным строением.

Для поверхностного укрепления пород используют методы цементации, битумизации и др. Для глубинного укрепления пород используют физикомеханические (механические и физические), физико-химические и химические методы.

Выбор метода зависит от следующих факторов:

1. группа и петрографический тип горных пород, их физическое состоя-

ние;

2.строительные требования к породе;

3.технические возможности применения того или иного метода в данных конкретных условиях;

4.экономическая выгодность по сравнению с другими методами.

Для скальных и полускальных пород методы улучшения свойств направлены на восстановление монолитности, повышенной устойчивости и прочности, снижение деформируемости и водопроницаемости. Для этих целей применяют глинизацию и битумизацию, для временного улучшения – замораживание.

С целью улучшения свойств рыхлых пород применяют осушение, механическое уплотнение, тампонаж, закрепление силикатизацией и др.

4.1.4. Горно-геологические массивы

Горная порода в массиве представляет собой минеральное тело определенного геологического возраста и происхождения, геометрического очертания и размера, внутреннего строения и вещественного состава. Изменение строения и состава пород в различных точках обуславливают неоднородность

ианизотропность физико-механических свойств [16].

Вмассивах горных пород всегда существуют зоны повышенных и пониженных напряжений, области сжатия и растяжения, что определяет «вековое» деформирование горных пород.

118

На прочность горных пород в массиве оказывают влияние повышение температуры, рост физико-химической активности водных растворов, повышение растворимости при напряжениях, равных критическим, положение в структуре массива. Большое влияние на прочность в массиве оказывают гидрогеологические условия, микротрещины, выветривание.

В горном деле сталкиваются не с отдельными породами, а их толщами, составляющими массивы горных пород, которые отличаются инженерногеологической структурой. Изучая инженерно-геологическую структуру массива, обращают внимание на строение поверхности и, прежде всего, на глубину эрозионного вреза и густоту речной сети; на горно-геологическую ярусность геологического разреза и строение ярусов и, в целом, на структурномеханические особенности.

Рассмотрим, что подразумевается под горно-геологическими ярусами. В геологическом разрезе выделяются толщи, составляющие как бы самостоятельные этажи, сложенные из пород разнородных, но родственных по геотектоническим условиям образования. Они отличаются друг от друга горнотехническими условиями, степенью устойчивости, разрабатываемостью и т.д. – это горно-геологические ярусы.

Ярус с полезным ископаемым называется основным, верхний - покровным (первый от поверхности), ниже основного яруса – нижний.

Открытыми называются массивы, когда основной ярус выходит на поверхность земли. Остальные относятся к массивам закрытого типа.

Главной задачей при выделении горно-геологических ярусов является установление границ между фациальными комплексами. Основанием для такого выделения могут служить детали внутреннего строения массива, как, например, в однородной толще несцементированных пород твердых включений или же прослоев и линз высокопрочных пород, т.е. когда исключается возможность использования при производстве вскрышных работ высокопроизводительной техники непрерывного действия. В ряде случаев основание для выделения горно-геологических ярусов служат условия устойчивости высокопрочных пород в обнажениях горных выработок, определяемых наличием в их толще резкоослабленных пород или поверхностей ослабления и т.д.

Горно-геологическая ярусность массивов пород чаще всего вызывается качественными изменениями условий породообразования и последующих изменений состояния и свойств пород.

По признаку горно-геологической ярусности различаются массивы пород одно-, двух-, трех- и многоярусные.

По петрографическому составу выделяются горно-геологические ярусы двух основных типов:

1) в строении которых принимают участие горные породы только одного из трех петрофизических классов – твердые связные или несвязные;

2) сложенные из пород одного петрофизического класса

119

Тектонические условия залегания пород относятся к числу важнейших структурно-геологических характеристик (рис. 28).

Рис. 28. Основные типы тектонического строения горно-складчатых ярусов массивов горных пород

Выделяются ярусы тектонически ненарушенные (рис. 28а) и нарушенные с моноклинальным залеганием пород (рис. 28б); простого складчатого строения (рис. 28в) и сложного складчатого строения с интенсивно развитыми разрывными нарушениями (рис. 28г); с вторичной складчатостью (рис. 28д), а также сложного строения с внедрением интрузии (рис. 28е).

120