Лекция 4. инженерно-геологические особенности горных пород

Магматические породы

Все магматические породы имеют, с точки зрения использования их в строительном деле, много общего. Общность их физико-механических свойств обуслов­лена наличием у магматических пород структурных кристаллизационных связей между минеральными зернами, возникающих в процессе формирования по­роды. Все магматические породы в ненарушенном со­стоянии имеют высокую прочность, значительно пре­восходящую нагрузки, известные в инженерной прак­тике, не растворяются в воде и практически водонепроницаемы. Поэтому они широко использу­ются в качестве оснований сооружений.

Вместе с тем, ряд обстоятельств осложняет строи­тельство на магматических породах. В первую оче­редь к ним относятся трещиноватость и выветрелость массивов. Следует иметь в виду, что хотя показатели физико-механических и деформационных свойств этих пород и являются высокими в зависимости от со­става, структуры и трещиноватости, они могут коле­баться в очень широких пределах.

При инженерно-геологической характеристике ин­трузивных пород большое значение имеет размер зе­рен, так как в общем случае мелкозернистые породы являются более прочными и устойчивыми, чем круп­нозернистыеСвойства интрузивных и эффузивных породопределяются их минеральным составом, структурно-текстурными особенностями и особенно - трещинова-тостью.

Среди интрузивных породнаиболее широко рас­пространены граниты, гранодиориты, кварцевые дио­риты и др. Прочность гранитов на сжатие колеблется в широких пределах. Даже в породах, не затронутых выветриванием,величина временного сопротивления сжатию отдельных образцов изме­ няется от 48 до 270 МПа. В среднем этот показатель гранитов превышает 100 МПа. Показатели деформацион­ных свойств гранитов в массивах целиком определяются их трещиноватостью. По прочностным показа­телям и деформационным свойствам гранодиориты и диориты прибли­жаются к гранитам. Интрузивныепороды основного состава типа габбро по распространению значи­тельно уступают гранитам. Водо­проницаемость интрузивных пород определяется закономерностями распространения в их массе трещин и зон тектонических нарушений. Например, трещиноватые габбровые породы имеют коэффициент фильт­рации до 40 м/сут., тогда как слабо­трещиноватые являются практиче­ски водонепроницаемыми.

Эффузивные породыхаракте­ризуются большим разнообразием состава и условий залегания. Наибо­лее распространены среди них ба­зальты и сопутствующие им андези­ты. Характерные формы залегания базальтов - покровы и потоки. Фи­зико-механические свойства базаль­тов и андезитов весьма различны. Это объясняется разнообразием ми­нерального состава, структуры и текстуры пород. Так, базальты мик­рокристаллической структуры име­ют временное сопротивление сжа­тию до 500 МПа, тогда как в порис­тых базальтах величина данного показателя может быть менее 20 МПа.

Особую группу пород составля­ют вулканические туфы, среди которых встре-чаются как очень слабые разновидности, так и высокопроч­ные.

Метаморфические породы

Среди многообразия проявления метаморфизма наиболее значитель­ны следующие его виды:

1) региональный;

2) контактовый;

3) динамометаморфизм.

По физико-механическим свой­ствам метаморфические горные по­роды во многом близки к магмати­ческим, что обусловлено наличием в них жестких, преимущественно кри­сталлизационных связей. Все мета­морфические породы в ненарушен­ном состоянии имеют прочность, значительно превышающую нагруз­ки, существующие в строительной практике. Метаморфические породы водонепроницаемы, за исключением карбонатных разновидностей.

Среди регионально-метаморфизованных породшироко распро­странены гнейсы, кварцы, кристал­лические сланцы. Реже встречаются мраморы. Наиболее прочными и ус­тойчивыми метаморфическими по­родами являются кварциты, кото­рые обладают очень высокой ме­ханической прочностью. Значения данного показателя для них – 150 - 200 МПа.

Физико-механические свойства гнейсов в зависимости от их струк­туры и текстуры изменяются в ши­роких пределах (при выветривании - очень сильно). Наибольшей стойкостью против выветривания обладают кварцевые гнейсы. Кри­сталлические и метаморфические сланцы образуют группу, предста­вители которой по физико-меха­ническим свойствам наиболее раз­нятся. Общими признаками, отли­чающими их от массивных мета­морфических пород, являются слои­стость и сланцеватость. Сланце­ватость способствует соскальзыва­нию и сползанию сланцев как на природных склонах, так и в искусст­венных выработках.

В зависимости от состава и сте­пени метаморфизма прочностные свойства сланцев изменяются в ши­роких пределах - от нескольких де­сятков МПа у кристаллических по­род до нескольких МПа у гли­нистых.

Среди контактово-метаморфизованныхнаиболее распространен­ной породой, образующейся при термальном контактовом метамор­физме, являются роговики. Для них характерна полная перекристалли­зация исходного материала. Обычно это темные плотные породы, имею­щие однородную текстуру "и мелко-зернистую структуру. В инженерно-геологической практике роговики рассматриваются как весьма благо­приятные основания для ответст­венных сооружений. От пород ин­трузии их выгодно отличают мень­шая трещиноватость и большая однородность. Характерной породой этой группы также является мрамор. Физические и механические свойст­ва мраморов зависят от их структу­ры и текстуры. Временное сопро­тивление сжатию мраморов в сред­нем составляет 100 МПа.

Динамометаморфизованныеэто раздробленные (типа, брекчии)-,иногда перетертые породы, в раз­личной степени сцементированные. Сопротивление сдвигу этих пород невелико благодаря сланцеватой текстуре, наличию раздробленных прослоев и хлоротизации. Они ин­тенсивно выветриваются, относи­тельно легко размываются, постав­ляют материал для осыпей и других склоновых процессов. Глинистые брекчии являются слабыми порода­ми, и из оснований ответственных сооружений, особенно плотин, уда­ляются. Осадочные сцементированные сильнолитифицированные горные породы.

Инженерно-геологические осо­бенности осадочных сцементиро­ванных породво многом опреде­ляются крупностью сцементирован­ных обломков или частиц, харак­тером цемента и степенью литификации породы. Наиболее характер-

ными цементами в терригенных по­родах являются кварцевый, желези­стый, карбонатный и глинистый. Гораздо реже встречаются породы, сцементированные гипсом. Наибо­лее прочные из них - кварцевый и железистый цементы.

Карбонатный цемент также об­ладает высокой прочностью, но рас­творяется в воде. Особенно важно при оценке физико-механических свойств учитывать высокую раство­римость гипсового цемента. Глини­стый цемент малопрочен. По степе­ни литификации осадочные сцемен­тированные породы подразделяются на сильно- и слаболитифицированные, а также на химические и био­химические (органогенные) различ­ной степени литификации.

Осадочные сцементированные сильнолитифицированные породы:крупнообломочные - конгломе­раты. Прочность их зависит от мно­гих факторов. Встречаются доста­точно прочные (сопротивление сжа­тию - до 100 МПа) и малопрочные конгломераты. Для прочных цемен­тов служит основой полимиктовыи среднезернистый песчаник, для ма­лопрочных - известковый, известково-глинистый, известково-железистый (сопротивление сжатию - от 3 до 25 МПа); мелкообломочные- песчаник. Наибольшей прочностью обладают кварцевые песчаники с кремнистым или железистым цементом. Вели­чина сопротивления сжатию -150 - 200 МПа. Наименее прочные, обычно сцементированные глини­стым цементом, имеют величину данного показателя 1 - 2 МПа.

Пылеватые и глинистые сце­ментированные породы.Типич­ными представителями сцементиро­ванных пород пылеватого и глини­стого состава являются алевролиты и аргиллиты. Они образуются в про­цессе метаморфизма при окаменении песчано-пылеватых и глини­стых пород вследствие их уплотне­ния, воздействия температуры, кристаллизации коллоидов. Большое влияние на прочностные показатели алевролитов и аргиллитов оказыва­ют состав и тип цемента. В зависи­мости от цемента алевролиты и ар­гиллиты образуют обширный ряд последовательных переходов от слабопрочных разностей, близких по своим свойствам к плотным гли­нам, до окварцованных пород, проч­ность которых превышает 100 МПа. По базальным поверхностям але­вролиты и аргиллиты легко вывет­риваются, часто образуют на скло­нах подвижные осыпи из плитчатой щебенки.

Типичным представителем крем­нистых породявляются опоки. Об­щими инженерно-геологическими особенностями опок являются: высокая пористость (45 - 60 %); большая влагоемкость (50 - 70 %); сравнительно высокая прочность в сухом состоянии (25 - 35 МПа) и значительное ее уменьшение при водонасыщении;

слабая морозоустойчивость. С некоторой условностью к оса­дочным сильнолитифицированным породам можно отнести трепел. По характеру деформации он ведет себя как порода с жесткими кристаллиза­ционными связями, но в то же время в водонасыщенном состоянии обла­дает пластичностью, что типично для дисперсных пород. При порис­тости трепелов 55 - 65 % они имеют прочность на сжатие в сухом со­стоянии 7 - 10 МПа, в водонасы­щенном - 0,5 - 1 МПа.