лекция 2 (основы инженерной геологии)

Тема лекции № 2

Основные свойства горных пород (грунтов)

Адрес: Адрес: 460018, г. Оренбург, пр. Победы, 13, ОГУ, ОГУ

Исполнитель: Ломачевская Е. Д., доцент кафедры геологииИсполнитель: Ломачевская Е. Д., доцент кафедры геологии

Образцы грунтовОбразцы грунтов

минералыминералы

минералыминералы

План

Основные определения

1.Горные породы представляют собой природные геологические образования, состоящие из агрегатов минералов. По составу и условиям образования все горные породы делятся на три типа - магматические, осадочные и метаморфические.

2.Грунты – это все горные породы, как объект инженерной деятельности человека (Сергеев Е.М.). В производственной практике вместо термина «горная порода» более широко употребляется термин «грунт».

В описании горной породы значительное место занимает характеристика ее внешнего вида: сложения (текстуры) и строения (структуры).

Под текстурой понимается совокупность признаков, характеризующих неоднородность породы в пласте (в массиве). Она обычно определяется расположением и соотношением механических, минералогических и структурных элементов в пласте породы. Различают следующие виды текстур:

однородные (массивные, поровые);неоднородные (слоистые – параллельные, линзовидные и др.).Под структурой горных пород понимают их строение, определяемое следующими

признаками:формой и характером поверхности слагающих породу частиц;относительным расположением и взаимоотношением их в породах;характером связи (внутренние структурные) между частицами породы,

оказывающей сопротивление при механическом воздействии на нее.

Классификация грунтов (ГОСТ 25100-95)

Классификация грунтов построена на генетической основе с учетом характера структурных связей и петрографических особенностей горных пород. Структурные связи формируются при генезисе и в процессе геологической «жизни» горных пород.

По ГОСТ 25100-95 горные породы относятся к различным классам (основные: 1 класс – скальные (группы скальных и полускальных грунтов), 2 класс – дисперсные грунты), а именно: магматические (интрузивные) горные породы относятся к скальным грунтам, магматические (эффузивные) – к скальным и полускальным грунтам; метаморфические горные породы относятся к скальным грунтам; осадочные горные породы относятся к скальным, полускальным и дисперсным грунтам, дисперсные делятся на связные мягкие и несвязные рыхлые.

Скальные грунты очень плотные; массивные; невлагоемкие; нерастворимые; водопроницаемые по трещинам; крепкие и прочные; практически несжимаемые; изотропные или анизотропные.

Полускальные грунты плотные; массивные; иногда мелкопористые; невлагоемкие или слабовлагоемкие; водопроницаемые по трещинам; высокой или средней прочности; слабосжимаемые; часто изотропны. За исключением каменной соли, гипса и известняков – другие грунты нерастворимые.

Дисперсные грунты по сравнению со скальными и полускальными характеризуются значительно меньшей прочностью и устойчивостью и большей деформируемостью. Некоторые из них сильноводопроницаемы. Эти группы охватывают разнообразные генетические типы осадочных пород главным образом четвертичного возраста. Они отличаются большой изменчивостью водно-физического состояния и свойств. Со слоистостью осадочных пород связана анизотропия, которая обусловлена структурными особенностями породы (например, лёссы, ленточные глины).

Отбор монолитов грунта

Таблица 2.1. Минимальные размеры монолитов грунта, отбираемых из буровых скважин

ГрунтыМинимальная

высота монолита, мм

Минимальный диаметр монолита,

мм

Размер нарушенной периферийной

зоны, мм

Скальные 60-70 40 3

Крупнообломочные - 200 20

Пески:плотные; рыхлые

100 90 10

Глинистые:твердые;

полутвердые;

150 90 10

Глинистые:тугопластичные;

пластичные;мягкопластичные;

150 100 10

Показатели физико-механических свойств грунтов

Свойства горных пород определяются совокупностью их физических и механических свойств. Для оценки поведения горных пород во взаимодействии с сооружением необходимо иметь цифровые характеристики, или показатели их свойств. Большинство показателей определяются на образцах грунтов в их естественном состоянии, так называемых монолитах (при естественной структуре, пористости и влажности).

Физические свойства грунтов

К основным физическим свойствам грунтов относят: плотность, влажность, пористость и коэффициент пористости.

Для оценки плотности горных пород используют три показателя плотности: плотность породы (ρ), плотность скелета породы при естественной пористости (ρd) и плотность минеральной части породы (ρs).

Плотность. Плотность породы - это отношение массы грунта (включая массу воды в его порах) к занимаемому этим грунтом объему:

(2.1)

где ρ – плотность породы при естественной влажности, г/см3;g – масса образца грунта при естественной влажности, г;V – объем, занимаемый этим грунтом (включая объем пор), см3.

,V

g

Получим составляющие массы и объема образца грунта:

(2.2)

(2.3)

где gп, g s – масса пор породы с воздухом и с пластовой водой и абсолютно сухая масса грунта, соответственно, г;

Vп, Vs – объем не сообщающихся пустот грунта, заполненный воздухом и пластовой водой и объем минеральной части грунта, соответственно, см3.

Плотность скелета породы при естественной влажности - это отношение массы сухого грунта к объему, занимаемому этим грунтом (включая объем пор):

(2.4)

Плотность минеральной части породы (или удельная масса) – это отношение массы сухого грунта к объему его твердой части:

(2.5)

,sп ggg

,sп VVV

,V

gsd

.s

ss V

g


Влажность. В природных условиях в грунтах всегда содержится вода, но ее количество, т.е. влажность (W), может изменяться в широких пределах (%).

Влажность равна отношению массы воды, содержащейся в грунте, к массе сухого грунта или – процентное содержание воды в породе:

(2.6)

Если влажность определена по естественным образцам породы, она называется естественной – Wест.

Косвенный показатель плотности скелета породы можно выразить через показатели плотности и влажности породы, а именно:

(2.7)

При инженерно-геологических исследованиях пластичность глинистых грунтов выражают показателями — верхним и нижним пределами пластичности.

Верхний предел пластичности (граница текучести, WТ) грунта соответствует его влажности, при которой грунт переходит из пластичного состояния в текучее.

Нижний предел пластичности (граница раскатывания, WР) грунта соответствует его влажности, при которой грунт переходит из пластичного состояния в полутвердое.


%,100gs

пgW

.)01,01( Wd

Интервал влажности – это разность между WТ и Wр, которая называется числом пластичности грунта Ip , доли единиц или %:

(2.8)Это число в значительной мере характеризует степень глинистости породы.Если число пластичности > 17 %, - это глина; при 7÷17 % – суглинок; при 1÷7 %

порода слабо-пластичная – супесь.По пределам пластичности, числу пластичности и естественной влажности судят о

естественной) консистенции грунта В(Ip):

(2.9)

Если «W>Wт», то глинистая порода после нарушения естественного сложения - текучая, если «Wр<W<Wт» – пластичная, если «W<Wр» – твердая.

Пористость.Пористость (n) – это отношение объема всех мелких и не сообщающихся пустот в

данном образце породы ко всему объему образа (%):

(2.10)


,PTp WWI

,W-W

)(рТ

рp

WWI

,V

Vn n

Выражение пористости породы получают через показатели плотности скелета породы и ее минеральной части:

(2.11)

Коэффициент пористости.Коэффициент пористости (ε) – это отношение объема пор к объему твердой части

грунта (доли ед.):

(2.12)

Коэффициент пористости песчаных и глинистых пород – это одна из основных характеристик, используемых при расчетах осадок сооружений.

Водные свойства грунтов Важнейшими свойствами всех грунтов, определяющими их отношение к воде,

является влагоемкость, водопроницаемость, капиллярность.Полная влагоемкость (Wmaх) – это влажность грунта, выраженная в долях единиц,

при полном заполнении его пор водой.


.1ns

d

,1 n

n

V

V

s

n

Максимальная молекулярная влагоемкость (Wm) – способность грунта удерживать в себе пленочную или гигроскопическую воду, тесно связанную с частицами грунта. Она остается в грунте, если его прессовать в течение 10 минут под давлением 6,4 МПа. Давление отжимает остальную воду, менее прочно связанную с грунтом. По разности полной и максимальной молекулярной влагоемкости находят количество воды, которое может отдать грунт при дренировании. У песков эта разница называется водоотдачей. Она характеризует водообильность насыщенного водой песчаного грунта и должна учитываться при расчетах добычи подземных вод.

Характеристикой водопроницаемости грунта является коэффициент фильтрации (Кф), т.е. скорость прохождения воды через грунт при градиенте напора равном единице. Коэффициент фильтрации выражают в см/сек или м/сут. Большое влияние на водопроницаемость раздельно-зернистых пород оказывает их сложение. В зависимости от сложения различают однородную водопроницаемость, одинаковую во всех направлениях, и неоднородную, изменяющуюся с изменением направления (вдоль слоистости и нормально к слоистости). Нередко слабо сцементированным пескам, заключенным среди пластических глинистых пород, свойственна трещиноватость, которая резко повышает их водопроницаемость. Плывунность — способность водонасыщенных дисперсных пород приобретать текучее состояние при обнажении их горными выработками. Плывунные свойства присущи водонасыщенным пескам и проявляются обычно при динамическом воздействии на породы, вскрытые в ходе горных работ.


Капиллярная влагоемкость – способность грунта заполнять только капиллярные поры в результате поднятия капиллярной воды снизу, от свободного уровня воды. Полная и капиллярная влагоемкости для одного и того же вида грунта могут значительно изменяться в зависимости от его плотности, характера сложения и структуры. Поднятие воды в тонких капиллярах грунтов над уровнем ненапорных вод имеет важное инженерное значение. Капиллярные воды размягчают глинистые грунты, испаряясь, способствуют их засолению.

Кроме этого, важнейшими свойствами глинистых грунтов являются липкость, размокание, набухание и усадка.

Водоустойчивость – способность горных пород сохранять свое физическое состояние и прочность при увлажнении или изменении влажного режима. Особое значение для глинистых пород имеют и такие ее свойств как липкость, пластичность, размокание, набухание, усадка и др.

Липкость (клейкость, прилипаемость). Липкость – способность грунтов при определенном содержании воды прилипать к предметам и инструментам. Проявляется она при влажности выше нижнего предела пластичности.

Под размоканием понимают явление потери связанности и несущей способности при впитывании влаги, ослабляющей или разрушающей структурные связи в грунте.

Набухание и усадка грунтов. Глинистые грунты при увлажнении увеличиваются в объеме – набухают, а при уменьшении влажности происходит уменьшение их объема – усадка (см. лабораторный практикум).


Механические свойства грунтов

Свойство горных пород сопротивляться разрушению под действием нагрузки называется прочностью, а свойство их изменять под нагрузкой форму сложения и объем – деформацией. Механические свойства горных пород – это деформируемость и прочность. Их выражают и оценивают деформационными (сжимаемостью) и прочностными (сопротивлением сдвигу) показателями. Они позволяют прогнозировать осадки сооружений, определять устойчивость пород в их основании, а при конструировании фундаментов предельно использовать несущие способности пород.Сжимаемость грунтов изучается на образцах ненарушенной структуры и природной влажности. Испытания на сжимаемость проводятся как в полевых условиях, так и в лабораторных (далее предмет «Механика грунтов»).Результатом компрессионного испытания грунта является получение показателей деформационных свойств грунта: коэффициента сжимаемости (α); модуля общей деформации – Е0; модуля осадки; степени консолидации.

По результатам компрессионных испытаний грунта строится график зависимости ε = f(σн), где ε, и σн, – значения коэффициента пористости и нагрузки, соответственно. Эта зависимость весьма характерна и выражается обычно в виде логарифмической кривой, которая называется компрессионной кривой. Она изображается в прямоугольных координатах (рисунок 2.1).


Рисунок 2.1 – График компрессионных испытаний грунтов

Из рисунка 2.1 видно, что определенному давлению σ1 соответствует коэффициент пористости ε1. При увеличении давления до σ2 соответственно уменьшается коэффициент пористости ε2. На малом участке компрессионной кривой от точки М1 до точки М2 ее можно считать прямой. Тангенс угла наклона этого участка кривой характеризует сжимаемость породы на данном интервале давления.В уравнении 2.13, параметры: ε1, ε2, σ1, σ2 – переменные значения коэффициента пористости и нагрузки, доли единиц и кгс/см2, соответственно.Чем больше коэффициент сжимаемости (α), тем слабее порода, т.к. она более податлива, сильнее уплотняется в пределах заданного интервала давлений.


Условные обозначения:

tgα или α – коэффициент сжимаемости (угловой коэффициент), 1/(кгс/см2); или 1/МПа; 1/Па;

S1 – необратимая деформация;S2 – обратимая деформация;Точка М1 – соответствует естественному давлению σ1;Точка М2 – соответствует конечному давлению σ2; А – это результат продолжения прямой М1М2 до пересечения

с осью ординат.

2.13,

)(

)-(

12

21

tga

Прочностные свойства грунтов. Потеря прочности наступает тогда, когда порода претерпевает внешние усилия выше допустимых. Под сопротивлением грунтов сдвигу понимают наименьшее касательное напряжение (τ), при котором грунт, находящийся под нормальным давлением (σн ), срезается.

Сопротивление грунтов сдвигу определяется силами внутреннего трения (tgφ) и силами сцепления (С) между частицами грунта. грунта.

Сопротивление грунта сдвигу определяется по формуле Кулона: (2.14)

Диаграмму сопротивления строят по данным сдвигающих усилий от нормальной нагрузки – τ = f(σн) (рисунка 2.2), которые характеризуют состояние породы, непосредственно предшествующего ее разрушению.


,Ctg

где τ, – сопротивление сдвигу, кгс/см2 или Па; МПа;σ – нормальное удельное напряжение, кгс/см2 или

Па; МПа;tgφ – коэффициент внутреннего трения, доли

единиц;φ – угол внутреннего трения, градусы;

С – удельное сцепление, кгс/см2 или Па; Мпа;ψ — угол сдвига (ψ1, ψ2, ψ3).

Рисунок 2.2 – Графическая зависимость сдвигающего усилия глинистых грунтов от нормальной нагрузки

Список литературы

1. Ломачевская, Е. Д. Гидрогеология и инженерная геология [Электронный ресурс] : учеб. пособие / Е. Д. Ломачевская; М-во образования и науки РФ, Гос. образов. учреждение высш. проф. образования "ОГУ". - Электрон. текстовые дан. (1 файл: 3,91 МБ). - Оренбург : ГОУ ОГУ, 2009. -Adobe Acrobat Reader 5.0.

2.Ломачевская, Е. Д. Гидрогеология и инженерная геология [Электронный ресурс] : лабораторный практикум / Е. Д. Ломачевская; М-во образования и науки РФ, Гос. образов. учреждение высш. проф. образования "ОГУ". - Электрон. текстовые дан. (1 файл: 1,56 МБ). - Оренбург : ГОУ ОГУ, 2009. -Adobe Acrobat Reader 5.0.

3. Ломтадзе В.Д. Физико-механические свойства горных пород. Методы лабораторных исследований: учебное пособие для вузов.– 2-е изд., перераб. и дополн. – Л.: Недра, 1990. – 328 с: ил.

4.Ломтадзе В.Д. Инженерная геология. Инженерная петрология: учебник для вузов. – 2-е изд., перераб. и дополн. – Л.: Недра, 1984. – 511 с: ил.

5.Сергеев Е.М. Методическое пособие по инженерно-геологическому изучению горных пород. Полевые методы: учебное пособие для вузов: в 2 т. Т.1. – 2-е изд., перераб. и дополн. – М.: Недра, 1984. – 423 с: ил.

6.Сергеев Е.М. Инженерная геология: учебник для вузов. – М.: Издательство МГУ, 1982 – 247 с: ил.

7.Маккавеев А.А. Словарь по гидрогеологии и инженерной геологии. – М: ВСЕГИНГЕО, 1961. – 186 с.

Для классификации горных пород и для оценки их поведения во взаимодействии с сооружением необходимо иметь количественные (цифровые) характеристики, или показатели, их свойств, которые получают путем изучения грунтов методами, излагаемыми в специальных руководствах.

Большинство показателей определяются на образцах грунта как в полевых, так и в лабораторных условиях (Слайд 16) (не менее 10÷15 определений) в их естественном состоянии, так называемых монолитах (при естественной структуре, пористости и влажности).

В природных условиях в грунтах всегда содержится вода, но ее количество, т.е. влажность (W), может изменяться в широких пределах.

При уплотнении глинистой породы малой степени литификации, насыщенной водой, определенное количество воды из нее выжимается вначале сравнительно быстро и легко, соответственно и процесс уплотнения имеет свободный характер. При влажности породы, равной максимальной молекулярной влагоемкости, скорость и характер ее уплотнения резко изменяются, так как отжатие физически связанной воды сопряжено с затратой больших усилий. Следовательно, влажность при максимальной молекулярной влагоемкости отражает такое состояние глинистой породы, при котором резко изменяются ее свойства, ее деформируемость. На основании многочисленных исследований можно утверждать, что максимальная молекулярная влагоемкость — это один из важных показателей свойств глинистых пород, служащий мерой изменения их качеств в процессе уменьшения влажности при уплотнении. Для многих глинистых пород она близка влажности на пределе пластичности.

Заключение

Для оценки водоемкости песчаных пород необходимо знать их полную водоемкость, максимальную молекулярную влагоемкость и водоотдачу. Показатели полной и максимальной молекулярной влагоемкости в известной мере зависят от вещественного состава пород и характеризуют их гидрофильность.

Водопроницаемость песчаных и других обломочных, а также глинистых пород (как и любых других) зависит от их гранулометрического и минерального состава, его однородности, состава обменных катионов, степени уплотненности, скважности и размера пор, гидродинамических условий (действующий напор) и свойств воды (вязкость). Водопроницаемость также влияет на изменение механических свойств (прочность, деформируемость и др.), а также вызывают развитие различных процессов и явлений.

Водоустойчивость глинистых пород может быть охарактеризована скоростью и характером размокания в воде, процентным содержанием легкорастворимых соединений и их составом, значением, силой и влажностью набухания, влажностью усадки.

Механические свойства горных пород всецело обуславливаются всей совокупностью их физических свойств и должны изучаться и оцениваться в комплексе с их физическими свойствами и с учетом требований, предъявляемым к грунтам при проектировании и строительстве конкретного объекта.

Закон уплотнения выражает зависимость между коэффициентом пористости и внешним давлением и считается справедливым в определенных условиях для различных песчаных и других обломочных и глинистых пород. Сопротивление сдвигу песчаных и глинистых пород зависит главным образом от нормального уплотняющего давления. В этом проявляется одна из характерных закономерностей механических свойств песчаных и глинистых пород.

Заключение

Контрольные вопросы для самопроверки

1. Методы определения плотности горных пород.

2.Поясните понятия «скважность» и «пористость» породы.

3.Какие показатели характеризуют пористость горных пород? Перечислите методы оценки пористости пород.

4.Какие показатели характеризуют влажность горной породы?

5.Особые свойства глинистых пород.

6.Классификация видов воды в горных породах.

7.Какие свойства горных пород называются водными и почему?

8.Влажность и влагоемкость горных пород. Характерные виды влагоемкости.

9.Укажите пределы изменения степени водонасыщения породы.

10.Водоотдача и недостаток насыщения.

11.Показатели водоустойчивости глинистых пород.

12.Как оценивается водоустойчивость скальных и полускальных горных пород?

13.С чем связана способность глинистых пород набухать? Показатели, характеризующие это явление. Усадка грунтов.

14.Дайте общие понятия о механических свойствах горных пород.

15.Какие показатели характеризуют прочность горных пород?

16.Какие показатели характеризуют деформационные свойства горных пород?

Контрольные вопросы для самопроверки

17.Определение модуля деформации грунта по данным и полевых испытаний.

18.График зависимости изменения бокового давления горных пород от вертикальной нагрузки.

19.Компрессионная кривая и параметры, её характеризующие.

20.Порядок компрессионных испытаний горных пород.

21.Схема устройства компрессионно-фильтрационных приборов.

22.Определение коэффициента пористости горных пород при компрессионных испытаниях.

23.На основании каких данных можно судить о состоянии горных пород по результатам компрессионных испытаний?

24.Перечислите основные характеристики деформируемости твердых горных пород.

25.Приведите примеры анизотропии механических свойств горных пород.

26.Определение модуля общей деформации песчаных и глинистых пород по данным компрессионных испытаний.

27.Определение просадочности лёссовых пород по данным компрессионных испытаний.

28.Сжимаемость грунтов. Общие положения. Зависимость между нормальным давлением и коэффициентом пористости грунта.

29.Лабораторные и полевые методы оценки сопротивления грунта сдвигу. Нормативные и расчетные характеристики грунтов.

30.Методика определения прочности горных пород по временному сопротивлению сжатию.Какими показателями пользуются для оценки плотности горных пород.

Documents

лекция 2 (основы инженерной геологии)