Водные свойства горных пород

Наличие в грунтах того или иного вида воды определяет их вод­ные свойства: влагоемкость, естественную влажность, водоотдачу, недостаток насыщения и водопроницаемость.

Влагоемкость — способность горных пород вмещать определен­ное количество воды. По влагоемкости все породы можно разделить на сильно влагоемкие (торф, ил, суглинок, глина), слабо влагоем­кие (мел, рыхлые песчаники, мергель, мелкозернистые пески, лёсс и лёссовидные породы) и невлагоемкие (изверженные и массивные осадочные породы, галечник, крупнозернистый песок).

Максимальное содержание воды в породе при полном насыще­нии ее пор носит название полной влагоемкости. Величина полной влагоемкости выражается в процентах по отношению к массе сухой породы.

Капиллярной влаеоемкостью называют максимальное количе­ство воды, удерживаемое породой в капиллярных порах. Для мел­козернистых песков и глинистых грунтов капиллярная влагоемкость мало отличается от полной влагоемкости. Определение капилляр­ной влагоемкости производится следующим образом. Высокую ко-

62

лонну труб заполняют породой, насыщают ее водой и дают воде стечь. По прекращении стока воды из зоны капиллярного поднятия? берут пробу породы (100 г) и помещают ее в предварительно взве­шенную фарфоровую чашечку. Чашечку с породой взвешивают, высушивают породу до постоянной массы и вычисляют капилляр­ную влагоемкость (W_K) в процентах по формуле

где q\ — масса влажной породы в г; q — масса сухой породы в г.

Максимальная молекулярная влагоемкость — количество пле­ночной воды, которое удерживается на поверхности частиц пород в виде пленок.

Максимальной гигроскопической влажностью, или максималь­ной гигроскопичностью, называют максимальное количество гигро­скопической воды, удерживаемой породой при полном насыщении воздуха водяными парами. Количество гигроскопической воды наи­большее в грунтах, обладающих большей суммарной поверхностью, частиц.

Для характеристики пород весьма важно знать их естественную-влажность, т. е. влажность породы в естественных условиях Вели­чина ее зависит от условий залегания и физических свойств поро-. ды, а также от водною и теплового режимов земной коры в дан­ном районе. Естественная влажность определяется высушиванием образца породы при температуре + 110° С до постоянной массы. От­ношение веса влаги, содержащейся в грунте, к массе сухого грунта, выраженное в процентах, является показателем естественной влаж­ности. Часто массовое значение естественной влажности заменяют объемным выражением, что дает возможность сопоставить ее с ве­личиной пористости и судить о степени насыщения породы водой. Для перевода массового выражения естественной влажности в объ­емное можно пользоваться формулой

V = W-D, . (IV-5)

где V — влажность в объемных единицах, W — влажность в массо­вых единицах, D — объемная масса сухой породы.

Например, если влажность глины в массовых единицах равна 25%, пористость — 52%, объемная масса—1,29, то ее объемная-влажность V=25-1,29 = 32%.

Водоотдача — свойство породы отдавать свободную воду по'д влиянием силы тяжести. Численно водоотдача равна разности меж­ду полной и максимальной молекулярной влагоемкостью и выра­жается в долях объема. Величина водоотдачи всегда меньше величины пористости и зависит от размера зерен пород. Для круп­нозернистых песков и гравия она мало отличается от пористости и достигает 26—28%; водоотдача мелкозернистых грунтов значитель­но меньше.

Для определения водоотдачи в сосуд с краном определенной: емкости насыпают породу и насыщают ее водой. После этого откры-

63

вают кран сосуда и дают стечь свободной воде. Отношение объема стекающей воды к объему всей породы соответствует величине во­доотдачи. После того как из породы вытечет свободная вода, в ней остается капиллярная, гигроскопическая и пленочная вода, удер­живаемая силой сцепления, превышающей силу тяжести.

Наряду с водоотдачей различают еще одно понятие — недоста­ток насыщения, который представляет собой разность между пол­ной влагоемкостью или пористостью и естественной влажностью и характеризует способность породы аккумулировать воду.

В приведенном выше примере при пористости породы 42% и объемной влажности ее 18% недостаток насыщения составит JA = 42—18 = 24%, или в долях объема 0,24.

Недостаток насыщения — величина переменная во времени, за­висящая от ряда метеорологических факторов. При интенсивных атмосферных осадках естественная влажность породы в зоне аэра­ции возрастает, и в соответствии с этим уменьшается величина не­достатка насыщения; она в это время оказывается меньше водоот­дачи. В засушливое время, когда преобладает испарение, естествен­ная влажность породы снижается и может быть даже меньше максимальной молекулярной влагоемкости. Лишь средние за год величины недостатка насыщения и водоотдачи могут считаться приблизительно равными.

Водопроницаемостью называют способность горных пород про­пускать через себя воду. Водопроницаемость зависит главным обра­зом от характера и размера пор и пустот, которые в свою очередь определяются типом породы, ее происхождением, литологическим составом и размером частиц, слагающих породу, а также наличием коллоидных частиц. Силы, действующие между ними, стремятся соединить (коагуляция) или разъединить (дисперсия) частицы. Увеличение дисперсности приводит к уменьшению перового про­странства.

Наибольшей водопроницаемостью обладают крупнотрещинова­тые и закарстованные породы (известняки, доломиты), а также крупнозернистые рыхлые породы (галечники, пески). Породы стой­кими трещинами (глинистые сланцы) и рыхлые породы, состоящие из мелких фракций (супеси, суглинки), слабо водопроницаемы.

Большое значение для водопроницаемости горных пород имеют размеры пор. Породы, содержащие мелкие частицы, имеют боль­шую пористость, — например, глины (пористость более 50%) весь­ма слабо водопроницаемы, а галечники, общая пористость которых составляет 20—22%, обладают высокой водопроницаемостью.

Для водопроницаемости большое значение имеют не только крупные фракции грунтов, но и мелкие, с размером частиц от 0,00025 до 0,001 мм, и коллоиды с размерами от 0,00025 до 0,000001 мм. Не останавливаясь подробно на природе этих частиц и их физико-химической характеристике, отметим, что в результате обменных реакций под действием электролитов, находящихся в воде, они образуют агрегаты, играющие существенную роль в водо-проводимости грунтов. Так, присутствие водорастворимых карбона-

64

тов и сульфатов кальция в грунтах некоторых засушливых районов обусловливает водопроницаемость, не соответствующую характери­стике глинистых пород.

Из важнейших свойств глинистых пород следует отметить пла­стичность, набухание, размокание, усадку и просадку.

Под пластичностью следует понимать состояние глинистого грун­та, при котором он способен изменять свою форму при строго опре­деленном содержании связанной воды. При меньшем содержании воды глинистая порода переходит в твердое или полутвердое сос­тояние, при большем — в жидкое и текучее.

Советскими и зарубежными учеными установлено, что причиной пластичности глинистых пород является наличие вокруг частиц грунта водной оболочки, связанной с двойным электрическим слоем на поверхности частиц. Различают два предела пластичности — нижний и верхний. Нижний предел пластичности глинистой породы определяется величиной влажности, при которой грунт, замешен­ный на дистиллированной воде, раскатывается в жгут или прово­локу определенной толщины. Верхний предел пластичности опреде­ляется величиной влажности, при которой, помещенный в фарфоро­вую чашку и разрезанный в ней глубокой бороздой на две части, грунт при встряхивании чашки сливается. При более высокой вели­чине влажности края борозды сливаются без встряхивания и грунт приобретает ярко выраженные текучие свойства.

Разница между верхним и нижним пределами пластичности на­зывается числом пластичности. Чем больше это число, тем пластич­нее порода. По числу пластичности глинистые породы подразделя­ются на классы (табл. 2).

ТАБЛИЦА 2

Класс грунта	Наименование пород	Число пластично­сти	Примечание
I	Высокопластичные (гли­ на)	17
II III	Пластичные (суглинки) Слабопластичные (супе­си) ...	17—7 7—0
IV	Непластичные (пески)	0

По состоянию пластичности глинистой породы можно приблизи­тельно судить о сопротивляемости ее внешней нагрузки, об устой­чивости на откосах и т. д. Так, например, на откосе канала крутиз­ной 45° экраны из глины сползают при верхнем пределе ее пластич­ности. При данной величине пластичности допустимая нагрузка на грунт уменьшается почти в два раза по сравнению с нормаль­ной.

Под набуханием породы следует понимать увеличение объема образца породы (в процентах) при впитывании ею воды к началь-

3 Богомолов Г. В. 65

ному объему. Набухание обусловлено расширением микропор в ре­зультате впитывания воды.

Некоторые глинистые породы из группы монтмориллонитовых при проходке в них горных выработок и скважин настолько увели­чивают свой объем при увлажнении, что сечение выработок умень­шается и очень часто глинистая порода начинает течь в откосах котлована или же из стенок горных выработок. При проходке сква­жин в подобных породах происходит захват инструмента. Пропи­тывая породу, склонную к набуханию, специальными растворами и создавая на ее поверхности водонепроницаемые пленки, можно свести на нет процесс пучения глинистой породы.

Показателем набухания грунта является сила набухания, выра­женная в паскалях. В лабораторных условиях она определяется в компрессионных приборах по методике, приводимой в руководствах по лабораторным исследованиям грунтов.

При изучении глинистых грунтов необходимо учитывать склон­ность их к размоканию, которое является разновидностью набуха­ния. При размокании в большинстве случаев объем породы не уве­личивается. Изменяя характер водного раствора, можно замедлять или ускорять характер и скорость размокания.

Важной чертой лёссов, лёссовидных и глинистых грунтов яв­ляется их склонность к просадке и усадке. Под усадкой понимают уменьшение единицы объема или длины высыхающей породы. Она, как правило, сопровождается растрескиванием породы, приводя­щим к уменьшению ее прочности и устойчивости на стенках отко­сов. При насыщении высохшей породы водой образовавшиеся в ней трещины исчезают и вновь появляются при усыхании. Изменяется и цвет породы от темного до светлого. На территории долины Сан-та-Клара (Калифорния) в результате больших откачек воды из водоносного пласта и понижения уровней воды в скважинах более чем на 33 м произошло осушение глинистых пластов в верхней зоне и их усадка на 1,5 м. Это явление выразилось в опускании земной поверхности в пределах долины. Аналогичные явления наблюдал автор в некоторых районах Венгрии летом 1963 г. и в ирригацион­ных районах среднеазиатских республик.

Под просадкой понимают уменьшение объема или высоты грун­та при смачивании водой под влиянием собственной массы. Проса-дочными свойствами обладают различные грунты, но наиболее ярко они выражены в лёссе и лёссовидных породах, для которых харак­терны отсутствие слоистости, однородный механический состав (частиц меньше 0,01 мм больше 55—60%), большое содержание карбонатов, высокая пористость (свыше 45—50%), наличие сле­дов землероев и корней растений, большая высота капиллярно­го поднятия. В сухом состоянии горные выработки в них сохра­няют вертикальные или близкие к этому естественные утлы от­коса, допустимая нагрузка на сжатие в сухом состоянии свыше 2—2,5 кг/см². Свойства лёссов и лёссовидных пород резко ухуд­шаются при искусственном смачивании, или инфильтрации воды в них.

66

Просадки в лёссах и лёссовидных породах в естественных усло­виях обнаруживаются по наличию различных понижений в районах орошаемого земледелия, городского, транспортного и промышлен­ного строительства и в зоне ирригационных и транспортных кана­лов. Их необходимо учитывать при изысканиях, проектировании и строительстве. При изысканиях также необходимо учитывать гене­зис лёссовидных пород (эоловый, пролювиальный, делювиальный и др.). Замечено, что, если грунты уже подвергались неоднократ­ному промачиванию, в них просадки или совсем не наблюдаются, или проявляются в незначительных размерах. Просадка в лёссе и лёссовидных породах может достигать 1 — 2 м. В зоне ирригацион­ных каналов просадки образуются вдоль берегов в зоне шириною 25 — 30 м и более. На участках, расположенных недалеко от канала, наблюдаются просадки глубиной до 1 м и более. По мере удаления от берегов канала уменьшается величина просадки.

Просадочные явления на территории крупных городов, в райо­нах добычи полезных ископаемых закрытым способом, на массивах орошения и осушения связаны с откачками подземных вод из гор­ных пород и последующим уплотнением последних под массой выше­лежащих толщ или фильтрационного тока воды.

На территории Большого Лондона оседание поверхности земли в некоторых районах достигает 0,25 — 0,5 м. В Италии в долине р. По просадка достигла 0,25 м на площади более 50000 га. По прогноз­ным расчетам просадки на территории Мехико к 2000 г. по ряду районов достигнут 10 м.

Для оценки просадочности глинистых и лёссовидных грунтов Ю. М. Абелев (1956) рекомендует пользоваться показателем проса­дочности М; по данным полевых испытаний

где Si — полная просадка штампа (прибор для определения в по­левых условиях допустимой нагрузки на грунт) после замачивания; S — осадка того же штампа до замачивания.

По данным Ю. М. Абелева, у просадочных лёссов величина М>5.

Для оценки просадочности лёссов в настоящее время использу­ют и другие показатели. Интересующихся этим вопросом отсылаем к специальной литературе.

И. В. Попов (1959) быстрые просадки в лёссах и лёссовидных грунтах объясняет не только уменьшением пористости, но и раст­ворением в них легкоподвижных солей (сульфатов натрия и хлоридов). По его мнению, медленные просадки связаны с по­степенным разрушением в породах гипсового и кальцитового це­мента.

Важными характеристиками грунтов являются также их звуко-, газо- и электропроводность, теплопроводность, играющие сущест­венную роль при гидрогеологических, инженерно-геологических и геотермических расчетах.

3* 67