Физические свойства грунтов

Понятие о свойствах горных пород

Изучение горных пород в гидрогеологии и инженерной геологии направлено на исследование состава, строения и свойств горных пород, которые определяют их прочность, деформируемость, устойчивость и водопроницаемость.

Физико-механическими свойствами горных пород называют такие, которые определяют их физическое состояние, отношение к воде и закономерности изменения прочности и деформируемости. Соответственно различают свойства физические, водные и механические. Их выражают и оценивают с помощью определенных показателей – характеристик.

Физические свойства грунтов

Физические свойства характеризуют физическое состояние горных пород, т.е. качественную определенность, проявляющуюся в их плотности, влажности, пористости, консистенции, трещиноватости, закарстованности и выветрелости в условиях естественного залегания.

К основным из физических свойств, изучаемых в гидрогеологии и инженерной геологии, относятся плотность
и пористость для всех классов грунтов, а у грунтов полускальных и дисперсных (рыхлых несвязных и мягких связных) – выделяют еще и влажность. Кроме этого выделяют и гранулометрический (зерновой) состав для пород без жестких связей между минеральными составляющими.

Основные характеристики грунтов (скальных и полускальных, рыхлых несвязных и мягких связных) сведены в таблицу 1.1 «Основные характеристики физических свойств горных пород для оценки их физического состояния».

 

1.1.1 Плотность и показатели плотности – ρs, ρ, ρd

 

Плотность горной породы есть ее масса в единице объема.

Единицей плотности в СИ является 1000 кг/м3, в метрической — 1 г/см3.

Для характеристики и оценки плотности горных пород используют три показателя плотности (см. таблицу 1.1): плотность породы (ρ), плотность скелета породы при естественной пористости (ρd) и плотность минеральной части породы (ρs).

Плотность породы — это отношение массы грунта (включая массу воды в его порах) к занимаемому этим грунтом объему:

 

 

 


Таблица 1.1 – Основные характеристики физических свойств горных пород для оценки их физического состояния
 
Коли-чество Характеристики Обоз-наче-ния Определение характеристики Формулы для вычислений Еди- ницы изме- рения
Плотность породы ρ Плотность — отношение массы грунта (включая массы воды, воздуха, газов и других жидкостей в его порах) к занимаемому этим грунтом объему ρ     V   V   =     =   =   g/V =(g1 + g2) / (V1 + V2)     Vs + Vп   m+n   г/см3
Объем образца грунта ненарушенного сложения при естественной влажности V см3 %  
Плотность минеральной части породы ρs Отношение массы сухого грунта к объему его твердой части ρs   =   gs /Vs = ρd/(1 — (0,01•W•ρd)) где W = Wmax г/см3
Плотность скелета породы при естественной пористости ρd Отношение массы сухого грунта к объему, занимаемому этим грунтом (включая объем пор) ρd = gs /V = ρ /(1 + (0,01•W)) г/см3
ρd   =   ρs /(1 + (0,01W•ρs)) где W = Wmax
Влажность весовая W Отношение массы воды, содержащейся в грунте, к массе сухого грунта W W W === g2 / g1 = (gп /gs) • 100% [(ρ — ρd) / ρd] • 100% [(1 — ρd / ρs)/ ρd] • 100% %
Пористость n Отношение объема пор к объему всего грунта, включая поры n n == Vп / V = (ε / (1 + ε)) •100% [(1 — (ρd / ρs)] • 100% %
Коэффициент пористости ε, е Отношение объема пор к объему твердой части (скелета) грунта ε ε = = Vп /Vs = n /(1 — n) = n/m (ρs — ρd) / ρd доли еди-ниц
ε = 0,01•W•ρs, где W = Wmax
Коэффициент водонасыщения (степень влажности) SR, G Отношение объема воды к объему пор грунта — степень заполнения пор водой (ρw — плотность воды, г/см3) SR = W /Wmax доли еди-ниц
SR = (0,01•W• ρs) / (e • ρw)
Полная влагоемкость (влагоемких пород) или водоемкость (невлагоемких пор.) Wmax Влажность грунта, соответствующая полному заполнению пор водой Wmax Wmax == ε • ρw / ρs [(1 / ρd) — (1 / ρs)] • ρw %
Коэффициент водоотдачи (для песчаных пород) Кв, μ Отношение объема свободно вытекающей (или извлекаемой) из грунта воды (при полном заполнении пор водой) к объему всего грунта Кв =   (Wmax — Wm) • 0,01   доли еди-ниц
Кв = (ε • ρw)/ρs — (0,01• Wm )

Плотность скелета породы при естественной влажности — это отношение массы сухого грунта к объему, занимаемому этим грунтом:

 

 

где gs — абсолютно сухая масса грунта, которую получают после вышивания его в термостате при температуре 104 оС, г.

 

Плотность минеральной части породы (или удельная масса) – это отношение массы сухого грунта к объему его твердой части:

 

 

Каждый тип породы может иметь некоторые пределы изменения плотности, при следующем соотношении плотностей ρs > ρ > ρd.

Плотность минеральной части пород служит для вычисления других показателей, плотность породы в целом характеризует плотность ее сложения и поэтому позволяет косвенно судить о прочности, деформируемости и устойчивости.