Исследование плотности и пористости

Дисперсных горных пород (грунтов)

Общие положения

1.1. Плотность и пористость, наряду с влажностью, являются важнейшими физическими свойствами горных пород. Эти свойства взаимосвязаны и характеризуют состояние пород в условиях естественного залегания и в условиях проведения горных работ.

1.2. Плотность горной породы есть её масса в единице объёма. Единицей плотности в СИ является 1 кг/м³. Для характеристики плотности используются три показателя: плотность горной породы – плотность твёрдых частиц горной породы – и плотность абсолютно сухой горной породы – Необходимость определения трёх показателей плотности – и связана с тем, что горная порода, в общем случае, представляет собой трёхфазную систему. Она состоит: из твёрдых минеральных частиц (твёрдая фаза), а также из жидкости (жидкая фаза) и газов (газовая фаза), располагающихся в порах и пустотах породы. В зависимости от природных и искусственных условий соотношение между объёмами фаз может меняться. Изменение соотношения практически не оказывает влияния на физические свойства скальных пород и в большей степени, иногда значительно, влияет на свойства дисперсных пород.

1.2.1. Плотностью горной породы принято называть её массу единицы объёма в естественном сложении и при естественной влажности. Численно она равна отношению массы породы (включая массу воды и воздуха в порах) ко всему объёму породы (включая объём пор):

г/см³, (1)

где – масса твёрдых частиц, г; – масса воды в порах, г; массу воздуха не учитываем из-за несравнимо малой величины.

– объём твёрдых частиц, см³; – объём пор, см³.

Плотность породы – величина переменная. Она зависит, в основном, от минералогического состава, влажности и характера сложения (пористости) породы:

1) с увеличением содержания тяжёлых минералов общая плотность пород увеличивается, а при увеличении содержания органических веществ – уменьшается;

2) с увеличением влажности плотность породы возрастает, максимальной при данной пористости плотность будет в случае полного заполнения пор водой;

3) с увеличением пористости плотность пород уменьшается.

Плотность породы служит прямым расчётным показателем при определении давления породы на подпорные стенки, устойчивости оползневых склонов и откосов, напряжений в породах основания фундаментов, осадки сооружений и др.

1.2.2. Плотностью частиц горной породы называется масса её твёрдых частиц (скелета) в единице объёма. Численно она равна отношению массы твёрдых частиц породы (исключая массу воды и воздуха в порах) к объёму твёрдых частиц (исключая объём пор):

г/см³ (2)

Величина выражает среднюю плотность минералов, слагающих породу. Плотность большинства пород колеблется от 2,5 до 2,8 г/см³. В зависимости от содержания примесей она может уменьшаться (примеси торфа, гумуса, углистого вещества и др.) или увеличиваться (примеси рудных и нерудных минералов с повышенной плотностью).

Величина плотности частиц не отражает непосредственно физического состояния породы и не используется в инженерных расчётах, но она необходима при определении классификационного положения породы, а также при вычислении других важных показателей физических и механических свойств породы, например, пористости, коэффициента влажности. Сравнивая значения и можно судить о степени уплотнённости и пористости породы.

1.2.3. Плотность скелета горной породы (или плотность сухой породы) – это масса единицы объёма твёрдой части (скелета) породы естественного сложения, иными словами, это масса единицы объёма сухой породы естественного сложения. Численно она равна отношению массы твёрдых частиц породы (исключая массу воды в порах) ко всему объёму породы (включая объём пор).

г/см³ (3)

Величина зависит от минералогического состава и пористости породы. Величина плотности скелета применяется в качестве расчётной характеристики для определения пористости, коэффициента пористости, для характеристики степени уплотнённости породы в теле земляных сооружений (плотин, дамб, насыпей и др.).

1.3. Пористостьгорных пород

1.3.1. В объёме любой горной породы выделяются объём твёрдых частиц и объём пустот – пор, каверн, трещин и других полостей. Общий объём всех пустот в породе определяет её скважность, пустоты, имеющие капиллярные (диаметр пор менее 1 мм, ширина трещин менее 0,25 мм) и субкапиллярные (диаметр пор менее 0,0002 мм, ширина трещин менее 0,0001 мм) размеры, выражают её пористость. Все породы являются пористыми. По происхождению пор обычно выделяют: а) первичную пористость, образующуюся в процессе формирования породы; б) вторичную пористость, образующуюся в уже сформировавшейся породе в результате выщелачивания, выветривания, тектонических процессов, жизнедеятельности растительных и животных организмов. Поры в породе могут быть связаны между собой и с атмосферой или могут быть изолированы друг от друга и от атмосферы. В первом случае говорят об открытой, во втором – о закрытой пористости. Часть открытой пористости, способной пропускать через поры при определённом давлении жидкости (вода, нефть) и газы, называют эффективной пористостью. Соответственно выделяют и неэффективную пористость.

Для характеристики пористости пород в инженерной геологии (грунтоведении) используют два показателя: абсолютная пористость и коэффициент пористости. Эти показатели характеризуют лишь общий объём пор, но не дают представления о размере и форме пор и характере их расположения в породе.

1.3.2. Абсолютная пористость или пористость – это суммарный объем пор, независимо от их величины, в единице объёма. Пористость численно равна отношению объёма пор в породе ко всему объёму породы и выражается в процентах:

(4)

1.3.3. Коэффициент пористости или приведённая пористость – это отношение объёма пор к объёму твёрдой части породы, выражаемое в долях единицы:

(5)

1.3.4. Значение абсолютной пористости пород (n) изменяется в широких пределах от долей процента до 90 %. По величине пористости породы подразделяются на три группы: 1) с низкой пористостью, менее 5 %, 2) со средней пористостью, и 3) с высокой пористостью, более 20 %. Для скальных пород пористость составляет доли процента. Для полускальных и трещиноватых пород она может достигать . В песчано-глинистых породах пористость колеблется от 20 до 90 % и зависит от размера, формы, степени неоднородности и плотности сложения частиц в породе. В частности, размер пор в крупнозернистых песках будет более крупным, чем в мелкозернистых. В неоднородных породах пористость уменьшается. В таких породах пустоты между более крупными частицами заполнены более мелкими, что вызывает уменьшение объёма пустот и, следовательно, пористости. В песчаных породах пористость составляет 20 ÷ 45 %, в глинистых может достигать 50 ÷ 60 % и более.

Рис. 1. Изменение пористости породы, состоящей из равновеликих частиц шарообразной формы, в зависимости от плотности их сложения: а – наиболее рыхлое сложение (n = 48%; е = 0,92); б – средней плотности сложение (n = 40%; е = 0,67); в – наиболее плотное сложение (n = 26%; е = 0,35)

1.3.5. При инженерно-геологических исследованиях пород необходимо изучать их пористость. Возрастание пористости пород приводит к уменьшению их прочности, уплотненности, сопротивляемости выветриванию, морозоустойчивости, сейсмостойкости. В то же время повышаются деформируемость пород, водопроницаемость, влагоёмкость.

Показатели пористости являются косвенными расчётными показателями. С их помощью вычисляются: плотность породы, коэффициент фильтрации и водоотдачи песков, параметры компрессионной кривой (см. лаб. работу № 5), плотность сложения породы и другие расчетные показатели.

1.4. В геологии плотность и пористость являются важными генетическими признаками породы. Они служат показателями различной степени уплотнённости и литификации осадочных пород. В общем случае, с развитием процессов литогенеза, с увеличением глубины залегания пород и их возраста пористость осадочных пород уменьшается, а плотность, соответственно, увеличивается. Поэтому плотность и пористость используются при классификации и выяснении условий образования пород, при расчленении разновозрастных толщ осадочных пород и при корреляции разрезов. Плотность и пористость могут применяться как показатели вторичных изменений горных пород под влиянием естественных и искусственных факторов.

1.5. В данной лабораторной работе общая плотность породы и плотность частиц горной породы находятся путём проведения лабораторных испытаний породы; плотность абсолютно сухой горной породы и показатели пористости находятся расчётным путём.

Приборы и материалы

Колба-пикнометр, дистиллированная вода, термометр, песчаная баня, весы технические с разновесами, сито с диаметром отверстий 2 мм, ёмкость с парафином, нож, нитки, столик-подставка, образцы породы.

3. Определение плотности горной породы ρ

Методом парафинирования

3.1. Подготовительная работа

3.1.1. Подготовить табл. 1 для записи наблюдений.

3.1.2. Из монолита глинистой породы вырезать образец произвольной формы не менее 3 см³ и зачистить ножом выступающие части.

3.1.3. Образец обвязать ниткой таким образом, чтобы остался свободный конец длиной 20÷25 см.

3.2. Последовательность выполнения работы

3.2.1. Образец с ниткой взвесить на технических весах и результат занести в табл. 1.

3.2.2. Образец погрузить в парафиновый расплав и быстро (иначе образец нагреется, и парафин на нём будет плавиться) вынуть. После застывания плёнку парафина для удаления пузырьков загладить. Операцию повторить 3–4 раза для создания сплош-ной парафиновой оболочки вокруг образца.

3.2.3. Запарафинированный образец взвесить на технических весах и результат занести в табл. 1.

3.2.4. Запарафинированный образец подвесить за коромысло весов и, используя столик-подставку для ёмкости с водой, взвесить его в дистиллированной воде, результаты занести в табл. 1.

Таблица 1

Результаты определения плотности породы методом

парафинирования

Наименование	Обозначение	Единицы измерения	Значения
Масса образца породы	без парафина		г
покрытого парафином		г
покрытого парафином в воде		г
Плотность горной породы		г/см3

3.3. Обработка результатов

3.3.1. После заполнения табл. 1 рассчитать плотность породы по формуле

г/см³, (6)

где – плотность парафина, – плотность воды,

4. Определение плотности частиц горной породы

Пикнометрическим методом

4.1. Подготовительная работа

4.1.1. Подготовить табл. 2 для записи наблюдений.

Таблица 2

Результаты определения плотности частиц горной породы

пикнометрическим методом

Наименование	Обозначение	Единицы измерения	Значения
Масса пикнометра		г
Масса пикнометра с породой	m1	г
Масса пикнометра с породой и водой после кипячения	m2	г
Масса пикнометра с водой	m3	г
Масса породы		г
Масса породы с учётом поправки на гигроскопическую влажность		г
Плотность минеральных частиц породы		г/см3

4.1.2. Колбу-пикнометр просушить в сушильном шкафу.

4.1.3. Пробу породы, находящуюся в воздушно-сухом состоянии, растирают и просеивают через сито с диаметром отверстий 2 мм.

4.1.4. Из просеянной и перемешанной пробы породы отобрать навеску около 15 г.

4.2. Последовательность выполнения работы

4.2.1. Определить массу сухого пикнометра и занести результат в табл. 2.

4.2.2. Осторожно высыпать через воронку в колбу-пикно-метр заготовленную пробу.

4.2.3. Определить массу пикнометра с пробой (m₁) и занести результат в табл. 2.

4.2.4. Заполнить пикнометр с породой дистиллированной водой на 2/3 объёма и прокипятить в течение 0,5 часа на песчаной бане для удаления воздуха.

4.2.5. После кипячения пикнометр охладить, дополнить его дистиллированной водой до мерной черты.

4.2.6. Определить массу пикнометра с водой и породой (m₂) и занести результат в табл. 2.

4.2.7. Вылить воду, тщательно вымыть пикнометр и заполнить пикнометр прокипяченной дистиллированной водой до мерной черты и взвесить (m₃). Результаты занести в табл. 2.

4.3. Обработка результатов

4.3.1. Массу минеральных частиц породы рассчитать по формуле

= m₁ – m, (7)

где m₁ – масса пикнометра с пробой породы; m – масса пустого пикнометра.

4.3.2. Рассчитать массу частиц породы с учётом поправки на гигроскопическую влажность:

г (8)

4.3.3. Зная массу пробы породы , массу пикнометра с водой и массу пикнометра с водой и пробой породы , можно рассчитать величину плотности частиц породы по формуле

г/см³, (9)

где – плотность воды, .

5. Расчёт плотности сухой породы