Основные физические свойства горных пород

Главнейшими физическими свойствами горных пород являются плотность минеральной части и плотность породы, пористость, а для пород полускальных, песчаных и глинистых также и влажность. Эти свойства взаимозависимы и в целом выражают физическое состояние пород, т. е. их качественную определённость как в условиях естественного залегания, так и в теле сооружений (плотинах, дамбах, насыпях и др.) и отвалах.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ПЛОТНОСТЬ ГОРНЫХ ПОРОД

Физические характеристики следует определять не менее чем для двух параллельных проб, отбираемых из исследуемого образца грунта.

Плотностью горной породы (ρ) называют её массу в единице объёма при естественном сложении и влажности. Численно она равна отношению массы породы к её объёму.

Метод непосредственных измерений

Определение плотности горных пород методом непосредственных измерений производят в тех случаях, когда представляется возможным вырезать образцы правильной геометрической формы.

Оборудование и материалы

1) весы технические; 2) линейка с делениями или штангенциркуль.

Последовательность определения

1. Из монолита горной породы вырезают, выпиливают или выбуривают образец правильной формы в виде куба, прямоугольного параллелепипеда или цилиндра.

2. Образец измеряют линейкой или штангенциркулем и вычисляют объём V.

3. Взвешивают образец на технических весах с точностью до 0,01 г и получают массу m.

4. Вычисляют плотность горной породы ρ (г/см³) по формуле

ρ = m / V

Расхождение результатов между параллельными определениями допускается в пределах до 0,02 г/см³.

Метод режущего кольца

Этот метод определения плотности применим для мягких горных пород – глин, суглинков, супесей, песков, из которых можно вырезать образец режущим кольцом (ГОСТ 5180–84).

Оборудование и материалы

1) кольцо из некорродирующего металла с заострённым режущим краем, диаметром не менее 50 – 70 мм, высотой не более диаметра и не менее половины диаметра, с толщиной стенок 1,5 – 2 мм; 2) штангенциркуль; 3) нож; 4) весы технические.

Последовательность определения

1. Кольцо-пробоотборник смазывают с внутренней стороны тонким слоем вазелина или консистентной смазки.

2. Верхнюю зачищенную плоскость образца грунта выравнивают, срезая излишки грунта ножом, устанавливают на ней режущий край кольца и винтовым прессом или вручную через насадку слегка вдавливают кольцо в грунт, фиксируя границу образца для испытаний. Затем грунт снаружи кольца обрезают на глубину 5—10 мм ниже режущего края кольца, формируя столбик диаметром на 1—2 мм больше наружного диаметра кольца. Периодически, по мере срезания грунта, легким нажимом пресса или насадки насаживают кольцо на столбик грунта, не допуская перекосов. После заполнения кольца грунт подрезают на 8—10 мм ниже режущего края кольца и отделяют его.

Грунт, выступающий за края кольца, срезают ножом, зачищают поверхность грунта вровень с краями кольца и закрывают торцы пластинками.

При пластичном или сыпучем грунте кольцо плавно, без перекосов вдавливают в него и удаляют грунт вокруг кольца. Затем зачищают поверхность грунта, накрывают кольцо пластинкой и подхватывают его снизу плоской лопаткой.

3. Кольцо с грунтом и пластинками взвешивают.

4. Обработка результатов.

Плотность грунта r, г/см³, вычисляют по формуле

r = (m₁ – m₀ – m₂) / V,

где m₁ — масса грунта с кольцом и пластинками, г;

т₀ — масса кольца, г;

m₂ — масса пластинок, г;

V — внутренний объем кольца, см³.

Расхождение результатов между параллельными определениями допускается в пределах до 0,02 г/см³.

Цифровые данные записывают в журнал:

№№ п/п	Дата	Лабораторный номер образца	Номер выработки	Глубина отбора образца грунта, м	Номер	Номер пластинок
кольца	верхней	нижней

Масса кольца с грунтом и пластинками m1, г	Масса кольца m0, г	Масса пластинок, г	Масса грунта, г	Объем грунта V, см3	Плотность грунта r, г/см3
верхней	нижней	образца	средняя

Метод взвешивания в воде

Этот метод определения плотности горных пород наиболее точный, он может применятся в тех случаях, когда не представляется возможным вырезать образцы геометрически правильной формы (ГОСТ 5180–84).

Оборудование и материалы

1) весы технические; 2) весы технические, приспособленные для взвешивания образца породы в воде, или специальные гидростатические весы; 3) парафин; 4) нож; 5) нитки и фильтровальную бумагу.

Последовательность определения

1. Вырезают образец грунта объемом не менее 50 см³ и придают ему округлую форму, срезая острые выступающие части.

2. Образец обвязывают тонкой прочной нитью со свободным концом длиной 15—20 см, имеющим петлю для подвешивания к серьге весов.

3. Парафин, не содержащий примесей, нагревают до температуры 57–60°С.

4. Обвязанный нитью образец грунта взвешивают.

5. Образец грунта покрывают парафиновой оболочкой, погружая его на 2–3 с в нагретый парафин. При этом пузырьки воздуха, обнаруженные в застывшей парафиновой оболочке, удаляют, прокалывая их и заглаживая места проколов нагретой иглой. Эту операцию повторяют до образования плотной парафиновой оболочки.

6. Охлажденный парафинированный образец взвешивают.

7. Затем парафинированный образец взвешивают в сосуде с водой. Для этого над чашей весов устанавливают подставку для сосуда с водой так, чтобы исключить ее касание к чаше весов (или снимают подвес с чашей с серьги, уравновесив весы дополнительным грузом). К серьге коромысла подвешивают образец и опускают в сосуд с водой. Объем сосуда и длина нити должны обеспечить полное погружение образца в воду. При этом образец не должен касаться дна и стенок сосуда.

Рис.1.1 Схема гидростатического взвешивания образца.

8. Взвешенный образец вынимают из воды, промокают фильтровальной бумагой и взвешивают для проверки герметичности оболочки. Если масса образца увеличилась более чем на 0,02 г по сравнению с первоначальной, образец следует забраковать и повторить испытание с другим образцом.

9. Плотность грунта r, г/см³ вычисляют по формуле

где

т — масса образца грунта до парафинирования, г;

V₁ – объём запарафинированного образца грунта, см³;

V₂ – объём парафиновой оболочки, см³.

Объём парафинированного образца гранта определяется по формуле:

где

ρ_w – плотность воды, 1г/см³;

m₁ – масса грунта в парафиновой оболочке, г;

m₂ – масса грунта в парафиновой оболочке в воде г;

Объём парафиновой оболочки определяется по формуле:

где

r_n — плотность парафина, принимаемая равной 0,900 г/см³;

Расхождение результатов между параллельными определениями допускается в пределах до 0,02 г/см³.

Цифровые данные записывают в журнал:

№№ п/п	Дата	Лабораторный номер образца грунта	Номер выработки	Глубина отбора образца грунта, м

Масса, г	Плотность, r, г/см3
грунта до парафинирования	парафинирован-ного грунта	парафинирован-ного грунта в воде	контрольное взвешивание парафинирован-ного грунта	образца	средняя

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2