Загальні уявлення про фізико-механічні властивості скельних і напівскельних порід.
Фізико-механічними властивостями гірських порід слід називати такі, котрі визначають їхній фізичний стан, відношення до води і закономірності зміни міцності й деформації. Відповідно розрізняють властивості фізичні, водні й механічні. Їх виражають і оцінюють за допомогою певних показників – характеристик.
Фізичні властивості характеризують фізичний стан гірських порід, тобто якісну визначеність, що проявляється в їхній щільності, вологості, пористості, консистенції, тріщинуватості, закарстованості і вивітрілості в умовах природного залягання. Щільність, вологість, пористість і консистенція характеризують також стан порід у земляних спорудах і відвалах. Дані про фізичні властивості гірських порід дозволяють якісно оцінювати їхню міцність і стійкість.
Водні властивості гірських порід проявляються в їхній здатності змінювати стан, міцність і стійкість при взаємодії з водою, поглинати і утримувати воду або фільтрувати її. Знаючи водні властивості гірських порід, можна прогнозувати зміни їхньої міцності та інших властивостей, а також розвиток яких-небудь геологічних процесів. Деякі показники таких властивостей порід безпосередньо використовуються при різноманітних інженерних розрахунках, наприклад, при розрахунках витрат води на фільтрацію, притоків води до будівельних котлованів і водозаборів, параметрів водопонижувальних установок, для оцінки можливостей розвитку суфозійних явищ тощо.
Механічні властивості визначають поведінку гірських порід в умовах впливу на них зовнішніх зусиль – навантажень. Ці властивості дозволяють безпосередньо оцінювати міцність і деформаційність гірських порід. Показники механічних властивостей гірських порід використовуються для різних інженерних розрахунків, наприклад, при розрахунку осідань споруд за величиною і в часі, стійкості укосів і природних схилів, при визначенні тиску гірських порід на підпірні споруди або кріплення гірничих виробок.
Дослідження фізико-механічних властивостей гірських порід мають не лише інженерне значення, але й загальне геологічне. Вони дозволяють в цілому розширити їхню геологічну вивченість. Фізико-механічні властивості відображають ті зміни, котрих гірські породи зазнали в історії їхнього геологічного розвитку під впливом процесів вивітрювання, гравітаційного й хімічного ущільнення, тектонічних сил.
Перш ніж перейти до розгляду фізико-механічних властивостей скельних і напівскельних гірських порід, необхідно звернути увагу на особливості їх будови. В об’ємі будь-якої гірської породи виділяється об’єм мінеральної частини – її скелет – і об’єм пор, пустот, каверн, тріщин та інших порожнин. Вони можуть бути частково або повністю заповненими повітрям, газами або водою. Загальний об’єм всіх пустот у породі визначає її шпаруватість, а пустоти, що мають капілярні (діаметр пор <1 мм, ширина тріщин <0,25 мм) або субкапілярні розміри (діаметр пор <0,0002 мм, ширина тріщин <0,0001 мм), виражають їхню пористість.
Важливо зазначити, що пористість у гірських породах розподілена більш-менш рівномірно, тобто в кожній точці ділянки, зони, шару або товщі вони обов’язково наділені тією чи іншою пористістю, тоді як інші види пустот – тріщини й каверни – розподілені нерівномірно: в одному місці вони можуть бути, в іншому відсутні. У скельних і частково напівскельних гірських породах пористість в цілому не порушує їхньої монолітності, вона приблизно однакова і в зразку, і в умовах природного залягання порід. Зі збільшенням пористості порід знижуються їхня міцність і стійкість, підвищуються вологоємність і здатність до деформацій. Пустоти великих розмірів зазвичай завжди порушують масивність, монолітність порід, а тріщини обумовлюють розчленування їх на окремості різних розмірів і форми.
Скелет скельних і напівскельних порід складається з кристалів мінералів, їх уламків, а також із уламків порід і органічних решток. Ці складові частини можна розглядати як певні структурні елементи, котрі в скельних і напівскельних породах поєднані між собою структурними зв’язками. В магматичних, метаморфічних і осадочних хемогенних породах ці зв’язки виникають у процесі кристалізації і перекристалізації складових частин породи – мінералів. У осадочних порід такі зв’язки утворюються при цементації, в результаті твердіння в’язких речовин, що утворюють плівки на поверхні часток або заповнюють пори між ними, при кристалізації солей, котрі випадають за певних умов із водних розчинів або при перекристалізації мінералів, що складають породу. В ущільнених глинистих породах, що за своїми щільністю і властивостями наближаються до скельних і напівскельних, структурні зв’язки можуть бути обумовлені крім цементації також силами молекулярного притягання (ван-дер-ваальсівські сили).
Отже, у скельних і напівскельних гірських породах структурні зв’язки можуть бути головним чином конденсаційно-кристалізаційними або просто кристалізаційними, або цементаційними. Як у першому, так і в другому випадку вони виникають в результаті взаємодії між іонами або атомами кристалів мінералів, між іонами, атомами і молекулами кристалів мінералів і цементуючої речовини породи. Тому з точки зору фізичної природи ці зв’язки можна розглядати як результат взаємодії іонів, атомів і молекул, що складають породи, тобто по своїй природі вони не відрізняються від зв’язків, котрі діють всередині кристалів мінералів, що складають гірські породи. Структурні зв’язки справляють великий вплив на властивості скельних і напівскельних гірських порід. Міцність і стійкість їх залежать не лише від міцності кристалів мінералів, уламків мінералів і порід, але також і від міцності і стійкості структурних зв’язків. Останні можуть мати міцність вищу або нижчу від міцності елементів, що складають породу; бути водостійкими або неводостійкими; значно опиратися впливу агентів вивітрювання або бути в цьому відношенні слабкими.
Міцність структурних зв’язків у скельних і напівскельних порід залежить від взаємодії міжатомних сил у місцях контактів різних фаз. У цих порід енергія зв’язку в таких контактах велика, але мінлива. У повнокристалічних рівномірно-дрібнозернистих і середньозернистих породах загальна площа контактів велика, а міжатомні відстані і сили між кристалами дорівнюють таким же всередині кристалів. Тому міцність структурних зв’язків у таких породах особливо висока і може бути навіть вищою від міцності власне кристалів. Це пояснюється наявністю у кристалів спайності і дефектів у кристалічній гратці. У великозернистих і нерівномірно зернистих породах, а також у осадочних зцементованих загальна площа контактів може бути малою, а міжатомні відстані і сили мінливими у зв’язку з нерівностями поверхні кристалів і уламків, різними їх розмірами і ступенем кристалічності, гідратованістю цементу і т.д. Тому міцність структурних зв’язків у таких породах може бути відносно зниженою.
Скельні й напівскельні породи завдяки структурним зв’язкам є монолітними і характеризуються високою та порівняно високою міцністю і твердістю. Однак структурні зв’язки в таких породах незворотні. Якщо монолітність таких порід порушена вивітрюванням, тріщинуватістю і т.д., то структурні зв’язки, як правило, не відновлюються, міцність і стійкість порід порушуються, а деформаційні здатності різко підвищуються.
Ці особливості скельних і напівскельних порід істотно відрізняють їх від інших типів порід, і тому їх необхідно враховувати при вивченні фізико-механічних властивостей.
Фізичні властивості. Найголовнішими фізичними властивостями скельних і напівскельних порід є щільність (густина) і пористість, а у напівскельних і вологість. Ці властивості взаємозалежні і в цілому виражають їхній фізичний стан, тобто якісну визначеність. Крім того, для характеристики фізичного стану цих порід велике або навіть вирішальне значення має також ступінь їхньої вивітрілості, тріщинуватості й закарстованості. Показники фізичних властивостей скельних і напівскельних порід істотно визначають їхній опір руйнуванню, деформаціям і взаємодію з водою. Вивчення фізичних властивостей гірських порід необхідне як для попередньої, так і для остаточної їхньої інженерної оцінки.
Щільність (густина). Щільністю гірської породи є її маса в одиниці об’єму. Щільність виражається в кг/м3, частіше в г/см3. Оскільки в об’ємі будь-якої гірської породи виділяються об’єм мінеральної частини, тобто її скелет, і об’єм пор, пустот, каверн, тріщин та інших порожнин, частково або повністю заповнених водою, повітрям, або газами, то для характеристики і оцінки щільності гірських порід використовують три показники: щільність мінеральної частини породи (щільність часток) , щільність породи і щільність сухої породи (щільність скелету породи) .
Щільність мінеральної частини породи (щільність часток породи) чисельно дорівнює відношенню маси мінеральної частини породи (без врахування маси води в її порах) до її об’єму (без врахування об’єму пор). Величина щільності мінеральної частини породи визначається її мінеральним складом і виражає середньозважену щільність мінералів, що складають породу. У більшості випадків ця величина змінюється в порівняно вузьких межах – від 2,60 до 2,75 г/см3. Щільність мінеральної частини породи не відображає безпосередньо їхнього фізичного стану і не використовується в інженерних розрахунках, але вона необхідна для обчислення інших важливих показників їхніх властивостей, наприклад, пористості. Порівнюючи щільність мінеральної частини породи зі щільністю породи, можна судити про ступінь її ущільненості і пористості, тобто про фізичний стан.
Щільність (густина) гірської породи чисельно дорівнює відношенню маси породи (із врахуванням маси води в її порах) до об’єму породи (із врахуванням об’єму пор). Іншими словами, це маса одиниці об’єму породи з непорушеною будовою і природною вологістю. Щільність породи виражають у тих же одиницях, що і щільність її мінеральної частини (кг/м3 або г/см3).
Щільність сухої породи (щільність скелету породи) чисельно дорівнює відношенню маси сухої породи (без врахування маси води в її порах) до об’єму породи (з врахуванням об’єму пор). Її виражають у тих же одиницях, що й щільність породи. Оскільки природна вологість скельних порід мала, то при характеристиці їхньої щільності часто визначають масу одиниці об’єму сухої породи (щільність скелету) і називають її просто щільністю породи. Природно, що таке визначення щільності не є точним. Щільність скелету напівскельних порід може істотно відрізнятися від їхньої щільності, тому що природна вологість цих порід у деяких випадках може досягати 15-20% відсотків і більше.
Щільність породи зв’язана зі щільністю її скелету наступним виразом:
, (9.1)
де – вологість породи (в долях одиниці).
Щільність гірських порід визначається щільністю їх мінеральної частини, отже, мінеральним складом, пористістю і вологістю. Оскільки у більшості скельних порід пористість і природна вологість дуже малі (долі й одиниці відсотків), то їхня щільність залежить головним чином від щільності мінеральної частини. У порід напівскельних пористість і природна вологість можуть вимірюватися не лише одиницями, але й десятками відсотків, тому їхня щільність може значно відрізнятися від щільності мінеральної частини, що характеризує їх як менш щільні у порівнянні зі скельними породами.
Інтрузивні породи мають більшу щільність і вужчі межі її зміни в порівнянні з їхніми ефузивними аналогами. Це пояснюється головним чином щільнішою і досконалішою їх кристалізацією, тобто структурними особливостями.
Щільність метаморфічних порід також визначається в основному їхнім мінеральним складом, оскільки пористість у цих порід мала. За абсолютними величинами щільність у цих порід зростає зі збільшенням ступеня метаморфізму.
Щільність скельних і напівскельних осадочних гірських порід змінюється в широких межах залежно від їхнього петрографічного складу, структурно-текстурних особливостей, ступеня літифікації, а також залежно від того, в якому структурно-тектонічному районі вони поширені. Щільність піщано-глинистих порід у цілому дещо нижча, ніж карбонатних. У кожному з цих типів порід спостерігається певна закономірність у зміні їхньої щільності залежно від ступеня літифікації. Така ж закономірність спостерігається у порід уламкових. Пісковики зазвичай мають щільність 2,50-2,65, а піщані сланці – 2,60-2,70 г/см3.
На щільність карбонатних порід великий вплив справляють домішки глинистої речовини, кремнезему, ступінь доломітизації і особливо їхня структура. Щільні кристалічні зернисті вапняки можуть мати щільність 2,80-3,00 г/см3, а вапняки органогенної структури – 1,70 г/см3, зрідка більше.
На зміну щільності порід впливає і їхній вік, тобто тривалість перетворення під впливом процесів літифікації. Наприклад, метаморфічні сланці й кварцити палеозою Південного Сахаліну характеризуються середньою щільністю 2,55-2,85 г/см3, піщано-глинисті відклади мезозою того ж району мають щільність 2,20-2,60 г/см3, а такі ж відклади палеогену й неогену – 2,00-2,50 г/см3.
Щільність порід гірсько-складчастих районів завжди вища, ніж платформенних. Нерідко на платформах породи певного петрографічного складу мають малий або середній ступінь літифікації, а в складчастих районах досягають гранично високого, і це позначається на зміні їхньої щільності.
Щільність гірських порід є найважливішою характеристикою їхнього фізичного стану. Чим вона менша, і особливо в порівнянні зі щільністю їхньої мінеральної частини, тим більшою є пористість, вологоємність порід і, можливо, нижчою є міцність. Значення щільності порід широко використовуються при різноманітних інженерних розрахунках. Наприклад, при розрахунках розподілу напружень від власної ваги у гірських породах, їхньої стійкості на схилах і в укосах, стійкості зсувів, підпірних стінок, при визначенні гірничого тиску та ін. Тому названий показник фізичних властивостей належить до розрахункових.
Щільність гірських порід служить показником різного ступеня їхньої ущільненості і тому використовується при розчленуванні різновікових товщ, комплексів і формацій та кореляції розрізів. Вона може застосовуватися також як показник вторинних змін гірських порід під впливом природних і штучних факторів.
Пористість. Як уже говорилося, пустоти в гірських породах, що мають капілярні й субкапілярні розміри, називаються порами. Загальний об’єм пор в одиниці об’єму породи визначає її пористість
. (9.2)
Пористість скельних порід незначна і зазвичай змінюється від долей відсотка до кількох відсотків, а у напівскельних вона може досягати15-20%.
За загальною пористістю гірські породи підрозділяються на три групи:
1) з низькою пористістю, ;
2) з середньою пористістю, ;
3) з високою пористістю, .
Більшість скельних порід має низьку пористість (малопористі), а породи напівскельні, як правило, середньо пористі.
За часом утворення пористість у гірських породах може бути первинною (сингенетичною) і вторинною (епігенетичною). Первинна пористість виникає в процесі формування породи; наприклад, при вистиганні магматичного розплаву, його кристалізації і перекристалізації виникають мікропори між гранями кристалів мінералів у результаті виділення пари й газів, з’являються мікро тріщини в кристалах мінералів і в цілому в породі. У метаморфічних породах пористість виникає при кристалізації і перекристалізації первинних порід у результаті утворення прихованих мікро тріщин. В осадочних породах вона утворюється при накопиченні осадків і їх діагенетичному перетворенні. Вона складається з пустот між уламками кристалів мінералів, уламками порід, органічними рештками, із пустот, що утворилися на місці органічних решток в результаті їхнього розкладення, а також тих, що виникли внаслідок перекристалізації або неповної цементації осадку при діагенетичному перетворенні його в породу.
Вторинна пористість у гірських породах виникає при їхньому перетворенні в земній корі в результаті перекристалізації елементів, що складають породу, при розкладенні деяких мінералів і органічних решток, повному або частковому розчиненні й вилуговуванні цементу й утворенні прихованих мікротріщин, при гравітаційному ущільненні порід, дегідратації, а також при їхньому розущільнені або внаслідок впливу тектонічних сил.
Необхідно зазначити, що для магматичних і метаморфічних порід головне значення має тріщинна пористість. У ефузивних порід загальна пористість складається з тріщинної пористості і пористості, яка утворюється при виділенні парів і газів; для осадочних порід важливе значення має пористість міжгранулярна, а також та, що виникає в результаті вилуговування. Для осадочних порід загальною закономірністю є зменшення пористості з глибиною, зі збільшенням їхнього віку, тобто тривалістю епігенетичних перетворень, а також залежно від залягання в межах тих чи інших геологічних структур або зон.
Пори можуть бути відкритими, тобто такими, що сполучаються між собою, і закритими. Загальна пористість дорівнює сумарному об’єму пор закритих і відкритих. В гідрогеології та нафтовій геології при вивченні колекторських властивостей гірських порід і можливості руху в порах рідин і газів пори підрозділяють на ефектині та неефективні. Ефективні пори утворюють ефективну пористість порід – частину порового об’єму, по якій може відбуватися рух рідині газів за певного тиску. Неефективна пористість – частина порового об’єму, що не пропускає рідин і газів внаслідок малого розміру пор, їхньої ізольованості або недостатнього тиску.
Вологість. Фізичний стан і властивості порід у значній мірі залежать від їхньої вологості. Вологість визначається відношенням маси води, що заповнює пори, до маси сухої породи. Виражається в долях одиниці.
Якщо вологість визначена по природних зразках породи, вона називається природною. У скельних порід пористість мала, також малою є і їхня природна вологість. Вона змінюється від тисячних до сотих долей одиниці. Тому при дослідженнях скельних порід нею зазвичай нехтують і не визначають. У напівскельних порід природна вологість може досягати 15-20% і більше.
Водні властивості.
Головними водними властивостями скельних і напівскельних гірських порід є їхні водостійкість, вологоємність і водопроникність.
Водостійкість. Водостійкість цих двох груп порід характеризується в першу чергу їхньою розм’якливістю. Будь-які гірські породи при насиченні водою розм’якшуються і знижують свою міцність. Розм’якливість характеризується коефіцієнтом розм’якливості
, (9.3)
де – тимчасовий опір стисканню зразка породи після насичення водою;
– тимчасовий опір стисканню зразка породи до насичення його водою.
Коефіцієнт розм’якливості виражають у долях одиниці і обчислюють з точністю до 0,1. Для порід скельних водостійких він зазвичай не нижчий від 0,9, у порід із пониженою водостійкістю він дорівнює 0,7-0,8. У напівскельних – вапняків і глинистих пісковиків, мергелів, аргілітів – коефіцієнт розм’якливості менший 0,5.
Волога, що проникає в мікротріщини і пори, справляє руйнівну дію внаслідок розклинюючого тиску тонких плівок, який може досягати десятків мегапаскалів і бути більшим від міцності породи на розрив. У осадочних породах вода розм’якшує і розчиняє цементуючу речовину, це також позначається на зменшенні їхньої міцності.
Більшість осадочних порід при зволоженні або насиченні водою здатна в тій чи іншій мірі змінювати об’єм. Зміна об’єму порід у їхній поверхневій і внутрішній частинах неоднакова внаслідок неоднакового зволоження. Тому в них виникають напруження, що викликають розширення існуючих мікротріщин, утворення нових і в цілому зниження міцності. Багаторазові насичення й наступні висушування створюють «втому» порід від внутрішніх напружень, які повторюються. Певне зменшення міцності після насичення водою спостерігається у всіх типів порід і характеризує той чи інший ступінь їхньої водостійкості. Як правило, чим нижчою є пористість порід, тим вища їхня водостійкість.
Вологоємність. Це здатність гірських порід поглинати й утримувати певну кількість води. Скельні породи невологоємні, напівскельні зазвичай слабко вологоємні і лише деякі з них середньовологоємні. Хоча скельні й напівскельні породи в цілому слабко вологоємні, здатність їхня до поглинання невеликої кількості води все ж має практичне значення для побічної, непрямої оцінки їхньої морозостійкості. Під час досліджень вологоємності цих порід визначають їх водопоглинання Wп, водонасичення Wн і коефіцієнт водонасичення Кн.
Під водопоглинанням розуміється здатність породи поглинати (вбирати) воду при зануренні в неї за звичай них умов, тобто при атмосферному тиску й кімнатній температурі. Кількісно водопоглинання дорівнює відношенням маси поглиненої води до маси абсолютно сухої породи, виражається в долях одиниці
Wп=.
Під водо насиченням розуміється здатність породи поглинати (вбирати) воду при зануренні в неї в особливих умовах – під вакуумом, при підвищеному тиску або при кип’ятінні, тобто здатність породи вбирати максимальну кількість води. Водо насичення завжди більше від водопоглинання, бо при насиченні порід за особливих умов повітря і гази в мікротріщинах і порах менше заважають проникненню в них води. Водо насиченням зазвичай визначають відкриту пористість породи. Відношення водопоглинання до водонасичення називають коефіцієнтом водонасичення породи
Кн = Wп/ Wн.
Якщо коефіцієнт водонасичення більший від 0,8, то такі породи вважаються морозонестійкими.
Водопроникність. Це властивість гірських порід пропускати крізь себе воду за наявності гідравлічного напору.
Скельні породи проникні лише по тріщинах. У напівскельних породах рух води відбувається як по тріщинах та інших пустотах, так і частково за певних напорів по мікротріщинах і порах. Загальна водопроникність будь-яких гірських порід тим більша, чим більша їхня шпаруватість і більші розміри пустот і тріщин, які її визначають. Вона залежить також від напору, під впливом якого здійснюється рух води.
Водопроникними слід вважати такі породи, котрі за реально існуючих або проектованих напорів пропускають чи будуть пропускати воду. Водонепроникні – не будуть пропускати. В цілому водопроникність залежить від властивостей порід (шпаруватість і розміри пор), гідрогеологічних умов (діючий напір) і властивостей води (в’язкість). Мірою водопроникності порід служить коефіцієнт фільтрації Кф (це питання розглядалося в курсі «Гідрогеологія»).
Закон Дарсі, його витратна і швидкісна форми запису.
Проникність розраховують за формулою
Кп =,
де Кп – коефіцієнт проникності, см2; – кількість рідини, що профільтрувалася через породу за 1 с, см3; – довжина шляху фільтрації, см; – в’язкість рідини при температурі досліду, пуаз?; – площа поперечного перетину, см2; – перепад тиску, напір, МПа; – час, с.
Коефіцієнти фільтрації і проникності пов’язані між собою наступною залежністю:
Кф = Кп,
де – щільність (густина) рідини.
Запитання для самоконтролю..
1. Назвіть показники основних фізичних властивостей гірських порід.
2. Що таке водні властивості порід?
3. Які властивості порід належать до фізико-механічних?
4. Чим обумовлені структурні зв’язки між частками скельних і напівскельних порід?
5. Дайте означення щільності гірської породи, щільності часток породи і щільності сухої породи.
