КлассА. Грунты с жесткими связями

(твердые породы)

Класс объединяет магматические, метаморфические и твердые осадочные горные породы. В абсолютном большинстве случаев они являются поликристаллическими телами. Свойства твердых горных пород определяются: минералогическим составом кристаллических выделений и химическим составом связывающего (цементирующего) вещества; строением - размером, формой, взаимным расположением и способом срастания минеральных частиц; различного рода дефектами строения - наличием слабых мест, трещин и т.д.

Твердые горные породы - наиболее прочные. Временное сопротивление одноосному сжатию водонасыщенного образца породы превышает 50 кг/см² часто измеряется сотнями и даже тысячами кг/см². Высокая начальная прочность данных пород в основном обусловлена силами сцепления, достигающими на площадях непосредственного (истинного) контакта величин, значительно превышающих прочность на разрыв самих минеральных зерен.

Эти силы возникают или одновременно с кристаллическими (минеральными) зернами, например в процессе раскристаллизации магматических силикатных расплавов, или же значительно позже при геологическом уплотнении и метаморфизме горной породы, или, наконец, в результате цементации и последующей кристаллизации цементирующего вещества.

Кристаллизационные силы сцепления иногда сочетаются с коагуляционными, существование которых возможно при большем отдалении частиц друг от друга. В этом случае говорят о коагуляционно-кристаллических связях. Возникновение кристаллизационных связей первым способом, очевидно, характерно для магматических, а вторым и третьим способами - для твердых осадочных и метаморфических пород.

Коагуляционно-кристаллические связи свойственны для затвердевших (окаменевших) глинистых пород. Они возникают на основе первоначальной коагуляционной структуры глин в процессе их уплотнения и цементации. Твердые горные породы деформируются по законам, приближающимся к законам деформации твердых тел. Однако полного сходства между ними нет: необратимые (пластические) деформации начинаются уже на начальных ступенях нагрузок и быстро возрастают с ростом напряжений и продолжительностью их действия. На мгновенно приложенные нагрузки твердые породы реагируют как хрупкие или упругие тела, а на длительно действующие напряжения - как пластические тела.

Твердые породы водопроницаемы по трещинам, реже по порам и полостям карстового происхождения (закарстованные известняки, гипсы и некоторые другие породы). Как правило, они водостойки, но всегда в той или иной мере снижают показатели прочности при водонасыщении.

Структура. По характеру связей между минеральными составляющими твердые породы подразделяются на кристаллически-зернистые и обломочные сцементированные.

Прочность связей в первой подгруппе пород обычно выше прочности самих зерен, поэтом плоскости излома рассекают минеральные зерна. По этой же причине прочность и устойчивость горных пород в значительной мере зависят от крупности зерен и других структурных особенностей. Мелкозернистые породы, как правило, обладают более высокой прочностью, чем породы того же минералогического состава, но более крупнозернистого и особенно неравномерно зернистого строения. Так, например, временное сопротивление сжатию крупнозернистого мрамора колеблется в пределах 800-1200 кг/см², а мелкозернистого известняка часто превышает 2500 кг/см². Прочность диабаза обычно не выше 3000 кг/см², а прочность литого (искусственного) диабаза, зернистость которого мельче, выше 5000 кг/см².

Прочность и стойкость пород обломочных и сцементированных определяется главным образом характером цементации и составом цементирующего вещества. Различают следующие основные типы цементации:

· базальный тип - зерна не соприкасаются непосредственно друг с другом, а заключены в общую массу цемента; прочность и устойчивость породы в этом случае зависят исключительно от свойств цемента;

· контактный тип - цемент существует только на контактах частиц; такие породы обычно обладают невысокой прочностью и стойкостью;

· цемент пор - зерна непосредственно контактируют друг с другом, а промежутки (поры) между зернами заполнены цементом; породы с таким строением отличаются повышенной прочностью.

По составу цемент может быть кремнистым, известковистым, глинистым, мергелистым, железистым, гипсовым и т.д. Наименьшей прочностью обладают породы с глинистой, а наибольшей - с кремнистой цементацией. Гипсовая цементация понижает прочность и стойкость пород.

Текстура (сложение) горной породы может быть упорядоченной и неупорядоченной. Первая характерна для большинства осадочных, метаморфических и отчасти для некоторых магматических пород. Такое сложение выражается в слоистости, сланцеватости, плойчатости, флюидальности и т.д.

По поверхностям слоистости, сланцеватости, плойчатости и др. водно-физические свойства и прочность горной породы оказываются отличными от тех же свойств ее в иных направлениях. Благодаря упорядоченной текстуре горная порода приобретает анизотропность водно-физических и механических свойств (текстурную анизотропность). Она является характерной для большинства метаморфических и твердых осадочных горных пород.

В случае неупорядоченного (например, массивно-кристаллического) сложения свойства породы оказываются сходными во всех направлениях. Такие горные породы можно рассматривать как квазиизотропные тела. На показатели прочности горных пород оказывают влияние наличие в них пустот (скважность) и особенно трещиноватость.

Трещиноватость является общим свойством твердых пород, хотя она проявляется в различных случаях с неодинаковой интенсивностью. Из-за трещиноватости сопротивление горных пород на разрыв обычно не превышает и 2% от сил молекулярного сцепления. При этом большое значение имеет не только видимая на глаз трещиноватость, но и скрытная микро- и ультрамикротрещиноватость.

Разрыв легче всего происходит по трещинам. Даже в свежих,монолитных твердых горных породах трещины являются зародышами разрыва, с них начинается разрушение горной породы. По ним проникает вода, которая в тонких трещинах действует как внешняя сила, стремящаяся разрушить породу. Расклинивающее действие воды в тонких и тончайших трещинах лежит в основе размягчаемости твердых горных пород, т.е. уменьшения прочности при водонасыщении.

В том случае, когда трещины расположены в определенном порядке, образуя ориентированную систему или системы трещиноватости, горная порода приобретает анизотропность своих свойств. В этом случае имеют дело с трещинной анизотропностью горных пород. При беспорядочном развитии трещиноватости данное явление не имеет места: механические и водно-физические свойства породы будут примерно одинаковы по всем направлениям горной породы в массиве. Исследования трещиноватости горных пород имеют важное практическое значение. Трещиноватость в значительной мере определяет поведение горных пород в окрестностях горных выработок, механическую их прочность и отделимость от массива, их газо- и водопроницаемость.

Минералогический состав. По минералогическому составу твердые горные породы могут быть подразделены на мономинеральные (мрамор, гипс и др.) и полиминеральные. Мономинеральные породы при прочих равных условиях характеризуются наибольшей стойкостью. С увеличением разнообразия минеральных видов в составе данного типа породы стойкость ее, как правило, уменьшается.

Важнейшими группами породообразующих минералов, оказывающими значительное влияние на механические свойства горных пород, являются:

· легкорастворимые в воде минералы - гипс, галит и др.;

· гидрофильные («влаголюбивые») глинистые минералы - каолинит, иллит, монтмориллонит и др.;

· карбонаты - кальцит, доломит;

· силикаты - полевые шпаты, слюды, амфиболы, пироксены, фельдшпатиды и др.;

· минералы группы кварца - опал, халцедон, кремень, кварц.

С повышением содержания в породе легкорастворимых и глинистых минералов резко ухудшаются показатели стойкости и прочности. Наивысшая стойкость и прочность свойственна кварцевым породам с кремнистой цементацией (кремнистым песчаникам, кварцитам): с повышением содержания кварца растет и твердость горных пород.

Карбонатные породы могут обладать высокими показателями прочности (например, невыветрелые мелкозернистые известняки и доломиты), однако они менее стойки, чем, например, силикатные породы, которым свойственны высокие показатели прочности и стойкости.

Повышение содержания слюдистых минералов, увеличение крупности зерен и появление вулканического стекла снижают показатели прочности и стойкости силикатных пород.

На грунты с жесткими структурными связями большое влияние оказывают процессы выветривания. Они приводят не только к механическому распаду горной породы, но также к химическому разложению минеральных составляющих и появлению глинистых и некоторых других малостойких минералов. Все это, вместе взятое, снижает прочность и стойкость, повышает водопроницаемость горных пород. Горные породы, подверженные выветриванию, составляют кору выветривания. Мощность коры выветривания в толщах магматических и некоторых метаморфических пород достигает 100 м и более.

В осадочных породах, отличающихся, как правило, большей стойкостью к выветриванию, мощность коры выветривания значительно меньше, обычно не более 10-20 м. По характеру развития различают площадной и линейный типы коры выветривания, последний связан обычно с зонами повышенной тектонической раздробленности, контактовыми образованиями и т. д.

В строении коры выветривания наблюдается вертикальная зональность. Под влиянием резких колебаний температуры и состояния влажности породы, замерзания и оттаивания появляется верхняя зона механического разрушения горных пород. При инженерно-геологическом изучении коры выветривания определяют ее тип, мощность, строение и влияние процессов выветривания на водно-физические и механические свойства горных, пород.

Водно-физические характеристики. Важнейшими водно-физическими показателями являются пористость, плотность, водонасыщенность и водопроницаемость. У твердых горных пород различают общую, закрытую и открытую пористость. Пористость называется закрытой, если поры изолированы друг от друга и не сообщаются между собой и наружной средой.

При открытой пористости такая связь существует. С увеличением открытой пористости возрастают водопоглощение, водо- и газопроводимость и снижаются показатели прочности и стойкости. В зависимости от размера пор общая пористость подразделяется на макропористость (размер пор > 1 мм) и микропористость (размер пор < 1 мм). Поры диаметром < 0,1 мм называются субкапиллярными, а от 0,1 мм до 1 мм капиллярными. В осадочных породах, например, в карбонатных породах, крупная пористость именуется кавернозностью. Она образуется путем выщелачивания горной породы подземными водами [7].

Плотность D твердых горных пород обычно выражают отношением объемного веса скелета к удельному весу породы:

.

С понижением пористости породы повышаются показатели ее прочности. Для твердых горных пород большое значение имеет их способность поглощать воду. Чем выше эта способность, тем сильнее проявляется размягчающее действие воды на породу и тем ниже ее морозостойкость.

Естественную (природную) влажность породы W выражают отношением веса поглощенной воды g_w к весу абсолютно сухой породы g_S:

.

Водопроницаемость. Вода в породах может передвигаться под действием:

· силы тяжести (гравитационное передвижение); капиллярных сил, развивающихся при наличии поверхности раздела вода - воздух;

· адсорбционных сил, развивающихся на поверхности раздела твердых частиц и воды;

· капиллярно-осмотических сил, обусловленных разностью концентраций, растворенных в воде веществ;

· электрического тока, вызывающего электроосмотическое передвижение;

· температурных градиентов, вызывающих конвекционную циркуляцию, термоосмотическое и термокапиллярное движение;

· испарения;

· промерзания породы;

· разности парциальных давлений паров воды.

В инженерной геологии обычно имеют дело с гравитационным движением воды в горных породах, обусловленным разностью напоров в разных точках потока подземных вод. Водопроницаемость горных пород характеризуется коэффициентом фильтрации К_ф, численно равным скорости гравитационного перемещения воды V при градиенте фильтрации I, равным единице:

К_Ф= .

Гравитационное движение подземных вод в твердых горных породах происходит главным образом по трещинам, реже по порам, а в закарстованных толщах (известняках, гипсах) - по полостям карстового происхождения (кавернам и пустотам более крупного размера).

Механические свойства. Твердые горные породы всегда в большей или меньшей мере обладают упругими свойствами, т.е. способностью накапливать механическую энергию в потенциально обратимой форме. Однако необратимые пластические деформации, появляются уже на начальных стадиях нагрузок. По этой причине зависимость между действующими напряжениями и деформациями имеет нелинейный характер, и горные породы не имеют четко выраженного предела прочности.

Соответственно диаграмма «напряжение - деформация» для пород сходна с таковой для упруго-пластических тел (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Диаграмма «напряжение-деформация» для

упруго-пластического тела (П.М. Цимбаревич)

Твердым горным породам присущи следующие деформации:

· упруго-линейные деформации, следующие почти мгновенно за приложением нагрузки и носящие обратимый характер: диаграмма для таких деформаций представляет прямую наклонную линию, выходящую из начала координат.

· нелинейно-упругие деформации, особенностью которых является криволинейная зависимость между напряжением и деформацией: кривая медленной разгрузки следует за кривой нагрузки в обратной последовательности и возвращается в начальную точку 0. Важной особенностью упругого последействия является его зависимость не только от величины нагрузок, но и длительности их действия.

· пластические деформации, происходящие длительное время вслед за приложением нагрузки и носящие необратимый характер (остаточные деформации). Пластические деформации зависят от продолжительности действия, величины и скорости возрастания напряжений.

Упругая часть деформаций твердых тел связана с объемными деформациями (сжатием и расширением) кристаллических решеток минеральных зерен. Природа пластических деформаций значительно сложнее. Пластические деформации поликристаллических тел являются суммарным результатом следующих групп явлений:

· сдвиговых деформаций кристаллических зерен - явлений внутри кристаллизационного скольжения, двойникования, изгиба и некоторых других;

· диффузионных процессов, имеющих место при наличии «вакантных» (т.е. не занятых) мест в узлах кристаллических решеток минеральных зерен и других дефектов строения последних и происходящих в форме переноса вещества (атомов) путем последовательного замещения «вакантных» мест в направлении деформирующей силы;

· пограничных процессов - явлений относительного перемещения зерен и блоков, полигонизации (дробления зерен на большое количество мелких с самостоятельной ориентировкой их кристаллических решеток), рекристаллизации и некоторых других.

Таким образом, пластические деформации твердых горных пород в отличие от упругих деформаций сопровождаются изменениями внутреннего строения и сложения породы, а иногда и минералогического состава.

Общая деформация твердых горных пород слагается из двух частей:

· не зависящей от длительности действия нагрузки и связанной с объемными деформациями минеральных зерен (упругие деформации);

· зависящей от длительности нагрузки и обусловленной изменениями формы минеральных зерен и внутреннего строения породы, (пластические деформации).

В общем виде суммарная деформация твердых тел выражается так:

где f₁(σ) - упругая часть деформаций; f₂(σ, t) - пластическая часть деформаций.

При явлениях пластической деформации может иметь место непрерывный рост деформаций при постоянной нагрузке. В этом случае пластическая деформация приводит в конце концов к разрушению тела. Явление роста деформации при постоянной нагрузке получило наименование ползучести или крипа (рис. 1.5).

Ползучесть может быть вызвана и таким напряжением, которое меняется по произвольному закону. В обобщенном («классическом») виде кривая ползучести состоит из трех отрезков, соответствующих трем основным стадиям пластической деформации.

Рис. 1.5. Классическая диаграмма ползучести твердых тел

Начальный отрезок кривой ползучести ab характеризует обычный процесс деформации от мгновенно приложенной нагрузки. Здесь наблюдается постепенное уменьшение скорости возрастания деформации. Второй отрезок кривой ползучести bc соответствует установившемуся состоянию пластического течения (ползучести) с постоянной скоростью ползучести. Третий отрезок кривой ползучести се характеризует возрастание скорости деформации и наступление момента разрушения материала (точка d).

При явлениях пластической деформации может иметь место непрерывное падение, (рассасывание) напряжений при сохранении величины деформации, т.е. явление релаксации. Процесс релаксации представляет, по сути дела, ползучесть при напряжении, которое уменьшается во времени пропорционально нарастающей пластической деформации. При релаксации происходит переход упругой деформации в пластическую.

Основными показателями стандартной прочности горных пород являются временные сопротивления сжатию σ_сж, растяжению σ_р, изгибу σ_изг и сдвигу σ_сдв. Показатели прочности твердых горных пород зависят от рода напряжений. Наибольшее значение по величине имеют временные сопротивления на сжатие, наименьшие - на растяжение.

В таблице 1.7. приведены значения временных сопротивлений на сжатие для наиболее распространенных твердых пород.

Некоторые показатели свойств грунтов с жесткими структурными связями показаны в таблице 1.8.

Таблица 1.7. Значения временных сопротивлений на сжатие для наиболее распространенных твердых пород

Породы	Прочность на сжатие кг/см2
А. Магматические
Граниты	370 – 3800 (1500)
Сиениты	1000 – 3400 (2000)
Диориты	1000 - 3000 (2000)
Габбро и диабазы	800 – 3600 (1800)
Базальты	300 - 5000 (1500)
Б. Метаморфические
Гнейсы	800 – 3700 (1600)
Кварциты	3000 - 5000 (4000)
Мраморы	300-2600 (1000)
Кристаллические сланцы	600 – 3000 (1500)
Глинистые сланцы	200 - 1000 ( 450)
Аргиллиты	450 - 1200 ( 850)
Серпентиниты	630 – 1230 (1000)
В. Осадочные
Песчаники кремнистые	Свыше 2000
Известковистые песчаники	200 - 1000
Гипсы	До 500
Ангидриты
Известняки	1500 (950)
Песчаники	1500 (920)
Мергели	90 - 130

Примечание* Цифры в скобках – средние или характерные значения.

Таблица 1.8. Некоторые показатели свойств грунтов с жесткими структурными связями

Грунт	Плотность, г/см3	Пористость, %	Предел прочности при сжатии, МПа	Угол внутреннего трения, градусы
минеральной части	скелета
Скальные грунты
Граниты, сиениты	2,6-2,8	2,5-2,7	0,02-2,0	80-250	80-87
Диориты, габбро	2,7-2,9	2,6-2,8	0,5-1,1	80-280	80-87
Базальты, диабазы	2,9-3,3	2,9-3,0	0,5-5,0	200-350
Гнейсы	2,6-2,7	2,6	0,5-1,0	80-200	60-80
Кварциты	2,7	2,6-2,7	0,3-0,8	100-250	до 85
Мрамор	2,6-2,8	2,4-2,7	0,5-1,0	40-150	60-80
Известняки плотные	2,6-2,7	2,2-2,6	5-7	20-100
Полускальные грунты
Опоки	2,6-2,7	1,65-2,0	20-70	8-50
Трепелы, диатомиты	2,6-2,7	1,5	50-90	2,5-5
Мергели	2,6-2,7	2,4-2,5	20-50	8-50
Туфы	2,6-2,7	1,8-2,2		5-10
Мел	2,6-2,7	1,8-2,0	30-50	2,5-5
Гипс	2,3-2,4		0,5-1,0	2,5-30
Каменная соль	2,1-2,2		0,5-1,0	2-30

Прочность горных пород при двухосном сжатии значительно больше прочности при простом сжатии. При всестороннем сжатии их прочность возрастает еще в большей мере.

Когда рассматриваются упругие (линейные) деформации, основной характеристикой механических свойств горных пород может служить модуль упругости.

При переходе к неупругим деформациям модуль упругости теряет значение основного показателя механических свойств.

Разрушение горных пород при неупругих деформациях происходит в форме сдвига и отрыва (разрыва), сопротивляемость которым может быть охарактеризована внутренним трением и сцеплением.Модули упругости, определенные при испытаниях на сжатие, больше модулей, которые получены при испытаниях на растяжение (табл. 1.9.).

Таблица 1.9. Модули упругости, определенные при испытаниях на сжатие

Породы	Модуль упругости, кг/см2
При растяжении Ер∙104	При сжатии Есж 104
Гранит	7,6	22,2
Песчаник	19,0	31,0
Мрамор	9,1	21,2
Глинистые сланцы	15,1	19,0

Показатели стойкости. Показатели, характеризующие постоянство (устойчивость) прочностных и деформационных характеристик горных пород, получили наименование показателей стойкости.

К данной группе показателей относятся: размягчаемость, морозостойкость, растворимость, выветриваемость и обобщенный коэффициент стойкости.

Размягчаемость - явление уменьшения прочности горной породы под действием воды. Данное явление связано с проникновением воды в тонкие и тончайшие трещины и поры породы и расклинивающим действием пленок воды. Размягчаемость характеризуется коэффициентом размягчаемости η_p, численно равным отношению временного сопротивления одноосному сжатию образца породы после насыщения водой σ_в к временному сопротивлению сжатию до насыщения водой σ_с:

.

Размягчаемость возрастает с повышением пористости и трещиноватости породы и зависит от ее минералогического и химического состава, структуры и некоторых других особенностей межкристаллизационного (цементирующего) вещества.

Особенно сильно размягчаются породы, содержащие глинистые минералы (мергели, глинистые сланцы, мергелистые известняки, а также аргиллиты и алевролиты) или же с глинистой цементацией.

Морозостойкость характеризует способность водонасыщенной горной породы сопротивляться разрушению при ее неоднократном замораживании и оттаивании.

Число замораживаний и оттаиваний, после которых наступает разрушение породы (появление трещин), характеризует морозостойкость породы. Она зависит от объема, характера и распределения открытых пор и трещин, доступных для проникновения воды, а также от прочности связей между зернами.

Морозостойкость при прочих равных условиях выше для пород с равномерным распределением пор и прочной связью между зернами.

Растворимость в воде. По степени растворимости в воде горные породы могут быть подразделены на: легкорастворимые (галоидные соли, гипс, ангидрит), слаборастворимые (карбонатные породы), труднорастворимые и практически нерастворимые (силикатные породы).

Выветриваемость. Известно, что горные породы, будучи обнажены, например, при горных работах, постепенно снижают показатели прочности. Благодаря этому обнажения в горных выработках, вначале вполне устойчивые, со временем начинают деформироваться и затем разрушаются. Данное явление обычно связано с медленно протекающими процессами выветривания [2].

Горные породы выветриваются с различной скоростью. С максимальной скоростью выветриваются глинистые, особенно соленосные, а также углистые и пиритизированные горные породы (аргиллиты, алевролиты и углисто-глинистые сланцы). Наиболее стойкими являются кремнисто-кварцевые породы и мелкозернистые разности силикатных горных пород. Вообще выветриваемость горных пород резко возрастает по мере увеличения степени анизотропности водно-физических и механических свойств, повышения содержания глинистых, растворимых и легкоокисляющихся минералов и общей внутренней неоднородности строения породы.

Выветриваемость горных пород можно, выражать через скорость механического распада горной породы до мелкообломочного состояния. Выветриваемость показывает, насколько сантиметров от свеже обнаженной поверхности распространяется зона механического распада горной породы в течение одного года.

Для характеристики снижения прочности пород, обнаженных горными выработками, введен специальный показатель - обобщенный коэффициент стойкости К_об.

Данный коэффициент характеризует снижение временного сопротивления на сжатие за единицу времени (за год) после обнажения породы выработкой.