2015-01-13
626
Понятие о свойствах горных пород
Изучение горных пород в гидрогеологии и инженерной геологии направлено на исследование состава, строения и свойств горных пород, которые определяют их прочность, деформируемость, устойчивость и водопроницаемость.
Физико-механическими свойствами горных пород называют такие, которые определяют их физическое состояние, отношение к воде и закономерности изменения прочности и деформируемости. Соответственно различают свойства физические, водные и механические. Их выражают и оценивают с помощью определенных показателей – характеристик.
Физические свойства грунтов
Физические свойства характеризуют физическое состояние горных пород, т.е. качественную определенность, проявляющуюся в их плотности, влажности, пористости, консистенции, трещиноватости, закарстованности и выветрелости в условиях естественного залегания.
К основным из физических свойств, изучаемых в гидрогеологии и инженерной геологии, относятся плотность и пористость для всех классов грунтов, а у грунтов полускальных и дисперсных (рыхлых несвязных и мягких связных) – выделяют еще и влажность. Кроме этого выделяют и гранулометрический (зерновой) состав для пород без жестких связей между минеральными составляющими.
|
|
|
Основные характеристики грунтов (скальных и полускальных, рыхлых несвязных и мягких связных) сведены в таблицу 1.1 «Основные характеристики физических свойств горных пород для оценки их физического состояния».
1.1.1 Плотность и показатели плотности – ρs, ρ, ρd
Плотность горной породы есть ее масса в единице объема.
Единицей плотности в СИ является 1000 кг/м3, в метрической - 1 г/см3.
Для характеристики и оценки плотности горных пород используют три показателя плотности (см. таблицу 1.1): плотность породы (ρ), плотность скелета породы при естественной пористости (ρ d) и плотность минеральной части породы (ρ s).
Плотность породы - это отношение массы грунта (включая массу воды в его порах) к занимаемому этим грунтом объему:
| Таблица 1.1 – Основные характеристики физических свойств горных пород для оценки их физического состояния | |||||||
| Коли-чество | Характеристики | Обоз-наче-ния | Определение характеристики | Формулы для вычислений | Еди- ницы изме- рения | ||
| Плотность породы | ρ | Плотность - отношение массы грунта (включая массы воды, воздуха, газов и других жидкостей в его порах) к занимаемому этим грунтом объему | ρ V V | = = = | g/V =(g1 + g2) / (V1 + V2) Vs + Vп m+n | г/см3 | |
| Объем образца грунта ненарушенного сложения при естественной влажности | V | см3 % | |||||
| Плотность минеральной части породы | ρs | Отношение массы сухого грунта к объему его твердой части | ρs | = | gs /Vs = ρd/(1 - (0,01•W•ρd)) где W = Wmax | г/см3 | |
| Плотность скелета породы при естественной пористости | ρd | Отношение массы сухого грунта к объему, занимаемому этим грунтом (включая объем пор) | ρd | = | gs /V = ρ /(1 + (0,01•W)) | г/см3 | |
| ρd | = | ρs /(1 + (0,01W•ρs)) где W = Wmax | |||||
| Влажность весовая | W | Отношение массы воды, содержащейся в грунте, к массе сухого грунта | W W W | === | g2 / g1 = (gп /gs) • 100% [(ρ - ρd) / ρd] • 100% [(1 - ρd / ρs)/ ρd] • 100% | % | |
| Пористость | n | Отношение объема пор к объему всего грунта, включая поры | n n | == | Vп / V = (ε / (1 + ε)) •100% [(1 - (ρd / ρs)] • 100% | % | |
| Коэффициент пористости | ε, е | Отношение объема пор к объему твердой части (скелета) грунта | ε ε | = = | Vп /Vs = n /(1 - n) = n/m (ρs - ρd) / ρd | доли еди-ниц | |
| ε | = | 0,01•W•ρs, где W = Wmax | |||||
| Коэффициент водонасыщения (степень влажности) | SR, G | Отношение объема воды к объему пор грунта - степень заполнения пор водой (ρw - плотность воды, г/см3) | SR | = | W /Wmax | доли еди-ниц | |
| SR | = | (0,01•W• ρs) / (e • ρw) | |||||
| Полная влагоемкость (влагоемких пород) или водоемкость (невлагоемких пор.) | Wmax | Влажность грунта, соответствующая полному заполнению пор водой | Wmax Wmax | == | ε • ρw / ρs [(1 / ρd) - (1 / ρs)] • ρw | % | |
| Коэффициент водоотдачи (для песчаных пород) | Кв, μ | Отношение объема свободно вытекающей (или извлекаемой) из грунта воды (при полном заполнении пор водой) к объему всего грунта | Кв | = | (Wmax - Wm) • 0,01 | доли еди-ниц | |
| Кв | = | (ε • ρw)/ρs - (0,01• Wm) |
Плотность скелета породы при естественной влажности - это отношение массы сухого грунта к объему, занимаемому этим грунтом:
|
|
|
где gs - абсолютно сухая масса грунта, которую получают после вышивания его в термостате при температуре 104 оС, г.
Плотность минеральной части породы (или удельная масса) – это отношение массы сухого грунта к объему его твердой части:
Каждый тип породы может иметь некоторые пределы изменения плотности, при следующем соотношении плотностей ρs > ρ > ρd.
Плотность минеральной части пород служит для вычисления других показателей, плотность породы в целом характеризует плотность ее сложения и поэтому позволяет косвенно судить о прочности, деформируемости и устойчивости.
