Полная или частичная перепечатка материалов разрешена только с ссылкой на сайт http://alseidaprojekt.ru

Горные породы.

Строители в своей практической деятельности, как при производстве строительных работ, так и в процессе проектирования сооружений, постоянно имеют дело с горными породами, которые представляют собой мине­ральный агрегат и служат средой, основанием и материалом для возведения различных сооружений. Как известно, в этом случае горные породы назы­вают грунтами. Разные горные породы обладают различными свойствами и в то же время для каждой из них эти свойства достаточно выдержаны. При использовании горных пород как строительных материалов или оснований сооружений накоплены обширные знания об их свойствах. Наличие у гор­ных пород сходных признаков позволило объединить их в классы, группы и виды. Классификация горных пород построена по генетическому признаку: магматическое, осадочное и метаморфическое происхождение.

 

Магматические горные породы.

Магматические горные породы возникают в результате кристаллизации магмы (силикатного расплава) при ее остывании в недрах Земли и на ее поверхности. В зависимости от условий образования выделяются: глубин­ные (интрузивные), жильные, излившиеся (эффузивные) и вулканогенные (пирокластические) породы .

Глубинные (интрузивные) породы формируются внутри ранее образованных пород в условиях высокого давления, медленного и равномерного остывания магмы нередко при деятельном участии растворенных в ней га­зов и паров. В этом случае происходит спокойная кристаллизация магмы, и образуются полнокристаллические или яснокристаллические структуры по­род и массивная текстура.

Установлено, что минералы кристаллизуются в определенном порядке в зависимости от химического состава исходной магмы (основная или кис­лая), температуры плавления и ряда других факторов.

Кристаллизация основной магмы происходит в следующем порядке: оливин - пироксен - амфиболы - биотит - калиевый полевой шпат - муско­вит - кварц; кислой магмы: анортит - плагиоклазы - калиевый полевой шпат - мусковит - кварц.

Жильные породы образуются при кристаллизации магмы в трещинах горных пород, зачастую в гидротермальных условиях. Кристаллизация обычно происходит без дифференциации магмы, что приводит к образованию характерной полнокристаллической структуры и массивной текстуры.

Излившиеся (эффузивные) породы образуются на поверхности Земли при низких давлениях и температурах, при быстром охлаждении и дегаза­ции расплава магмы. В таких условиях невозможна полная дифференциа­ция, часть расплава застывает в виде аморфной стекловатой массы, и обра­зуются неполнокристаллические породы порфировой структуры.

Часто кристаллизация имеет две фазы: медленную - в глубине земной коры, когда образуются отдельные кристаллы минералов, а затем быструю -на поверхности, когда происходит интенсивное остывание расплава. В этом случае образуется неравномерно-кристаллическая (порфировидная) струк­тура. При образовании излившихся пород формируются и другие виды структур (афанитовая, офитовая, ортофировая и др.). Зачастую излившиеся породы обладают повышенной пористостью (пористая текстура).

 

Наименование структур и текстур магматических горных пород различного генезиса.

Вулканогенные породы образуются при вулканических извержениях как на континентах, так и в морских бассейнах. Расплав магмы быстро остывает с одновременной интенсивной потенцией растворенных газов и паров. В данных условиях образуются вулканические высокопористые породы, а также специфические рыхлые породы (пепел, куски застывшей лавы, обломки пород).

Пирокластические породы представляют собой скопление осевшего на поверхность материала, выброшенного при вулканических взрывах.

Особенности строения магматических горных пород определяют в значительной степени их инженерно-геологические свойства. Строение же горных пород определяется структурой и текстурой. Под структурой понимают размер, форму, характер поверхности слагающих горную породу эле­ментов (минеральных частиц или их агрегатов), характер и степень взаимо­связи между ними.

По агрегатному состоянию компонентов различают структуры: кристаллические (гранит), стекловатые (вулканическое стекло), смешанные (порфириты).

По размеру частиц выделяют крупно- (больше 5 мм), средне-(1-5 мм) и мелкокристалдические (меньше 1 мм) структуры. Если состав­ные части различимы только в микроскопе, то к названию структуры добав­ляется слово «микро»; к кристаллическим структурам часто добавляется слово «скрыто». Своеобразным является порфировый тип структуры, отли­чающийся наличием частиц различных размеров. Как правило, в преобла­дающую мелко- и скрытокристаллическую массу такой породы вкраплены крупные кристаллы отдельных минералов (кварцевый порфир).

Под текстурой горных пород понимают особенности их строения, обусловленные пространственным расположением слагающих породу элементов. Текстура характеризует способ заполнения пространства горной породой, расположение и распределение компонентов породы в заполняе­мом ею пространстве.

По способу (степени) заполнения пространства различаются тексту­ры: плотные, или массивные (гранит), полосчатые (пегматит) и пористые (базальт).

По расположению компонентов породы в пространстве выделяют однородные и неоднородные текстуры. Текстура называется однородной, если все компоненты в образце горной породы расположены относительно рав­номерно, без явной ориентировки или группировки. В неоднородных текстурах в зависимости от условий образования та или иная группировка или ориентировка компонентов в пространстве существует. Среди неоднород­ных текстур различают, к примеру, слоистую, флюидальную (при этом раз­личные минералы «выстроены» в одном направлении - виден застывший поток магмы - лавы), полосчатую и др. Излившиеся породы по степени измененности делятся на кайнотипные, имеющие свежий, не измененный состав и строение, и палеотипные -измененные породы. Название палеотипных пород образуется путем при­соединения к названию соответствующей кайнотипной породы слова «порфи», если в составе преобладают калиево-натриевые полевые шпаты, или «порфирит», если преобладают плагиоклазы. При распознавании кайно- и палеотипных пород надо обращать внимание на следующие черты их строения:

  • 1) текстура кайнотипных пород часто бывает пористой, палеотипных - плотной (вторичное уплотнение, заполнение пор вторичными минералами);
  • 2) вулканическое стекло, характерное для кайнотипных пород, в палеотипных часто рас кристаллизовывается и возникает очень мелкозернистая кристаллическая структура;
  • 3) кристаллические вкрапленники в палеотипных породах обычно сильно изменены.

Одной из наиболее важных характеристик, определяющих свойства магматических пород, является их химический состав, формирующий минералогический состав и облик породы.

В основу классификации магматических пород по химическому со­ставу положены данные о содержании в них двуокиси кремния (в % по массе). В связи с этим выделяют породы ультракислого, кислого, среднего, основного и ультраосновного состава.

Для глубинных магматических пород характерными формами  являются батолит, лакколит, штоки, дайки, для жильных - жилы секущие и напластования; для излившихся пород - покровы, потоки, купола.

Для рационального использования горных пород в строительной практике в качестве оснований инженерных сооружений проводят инженерно-геологические исследования, включающие определения физических, водных, прочностных и деформационных свойств горных пород.

 Комплекс­ные инженерно-геологические исследования осуществляются как в лабора­торных условиях, так и в полевых. Состав исследований определяют в зави­симости от генезиса пород и их строения с учетом сложности общих геоло­гических условий, а также в зависимости от типа проектируемого сооруже­ния и стадии его проектирования.

В связи с этим все магматические породы с точки зрения использова­ния их в строительстве имеют много общего. Общность их физико-механических свойств обусловлена наличием структурных кристаллизаци­онных связей между минеральными зернами. Все магматические породы имеют высокую прочность, значительно превосходящую нагрузки, извест­ные в инженерной практике, не растворяются в воде и практически водоне­проницаемы, если они монолитны (без трещин).

В то же время трещиноватость и склонность массивов к выветрива­нию резко ухудшают строительные свойства магматических пород. У раз­личных типов магматических пород эти свойства различны.

Для оценки степени выветрелости используют отношение объемной массы образца выветрелого грунта к объемной массе невыветрелого образца того же грунта. По степени выветрелости фунты бывают: невыветрелые; слабовыветрелые; тре­щиноватые; выветрелые; сильновыветрелые.

Прочность магматических горных пород оценивается по пределу прочности при одноосном сжатии и в водонасыщенном состоянии: очень прочные, прочные, средней проч­ности, малопрочные.

Прочность интрузивных пород колеблется в довольно значительных пределах. Так, прочность грунтов, не затронутых выветриванием, от 50 до 270 МПа, а средние значения, как правило, выше 100 МПа.

Как указывалось ранее, прочность всех магматических горных пород существенно зависит от того, находятся эти породы в виде монолита или являются трещиноватыми. В зависимости от трещиноватости прочность магматической горной породы, например, гранита, может изменяться в широких пределах: от 186 МПа до 10 МПа.

Прочность излившихся пород в значительной степени зависит также от их пористости. Наиболее прочными породами (временное сопротивление сжатия достигает 500 МПа) являются скрытокристаллические базальты. Особую группу пород составляют вулканические туфы, среди которых встречаются как очень слабые, так и прочные.

 

Осадочные горные связные породы.

Осадочные горные связные породы, к которым относятся лессовые, глинистые и биогенные (лесс, супесь, суглинок, глина и торф), обладают целым рядом свойств, существенно отличающих их от других осадочных пород. Наиболее характерной особенностью этих пород является изменение их свойств в зависимости от влажности. В частности, величина их механи­ческой прочности сильно изменяется при изменении влажности. С ростом влажности величина механической прочности уменьшается, а при большом содержании воды порода вообще может потерять механическую прочность и перейти в текучее состояние. Связные осадочные породы при определен­ной влажности становятся пластичными и липкими, они набухают при увлажнении и дают усадку при высыхании. Пористость их, как правило, высо­кая, но, несмотря на это, водопроницаемость этих пород незначительна, т.к. преобладают микропоры. Глины являются хорошим водоупором.

Особо следует сказать о торфе. Торф - своеобразная, геологически молодая, не прошедшая стадии диагенеза, биогенная горная порода, образующаяся в результате отмирания болотной растительности в условиях из­быточного увлажнения и недостаточного доступа кислорода. Отличительными особенностями торфа являются его чрезвычайно высокая влажность и пористость, достигающая в массиве 500 - 1000 % и даже 2000 %, и исклю­чительная сжимаемость под нагрузкой, которая в десятки раз превышает ве­личины сжимаемости минеральных грунтов. Наблюдается четкая зависи­мость физико-механических свойств торфа от его состава, степени разложе­ния и зольности. Торф является водопроницаемым, но несмотря на высокую пористость коэффициент фильтрации его крайне незначителен.

Осадочные скальные (с жесткими связями) горные породы, сцементированные согласно классификации, представлены обломочными, пылеватыми и глинистыми, сцементированными химическими и биохимическими разновидностями.

Для сцементированных пород инженерно-геологические свойства существенно зависят от состава сцементированных обломков и типа цемента. Наиболее высокими прочностными свойствами обладают мелкозернистые песчаники, сцементированные кремнистым цементом. Наи­менее прочными являются обломочные породы, сцементи­рованные глинистым цементом. Породы с карбонатным и глинистым це­ментом могут резко терять свою прочность при водонасыщении. Эти поро­ды отличаются малой пористостью (0,5 - 25 %), слабой морозостойко­стью и практически водонепроницаемы.

Химические и биохимические породы в зависимости от структуры и текстуры обладают существенно разными физико-механическими свойствами. Так, кремнистые породы обладают высокой пористостью, большой влагоемкостью, слабой морозостойкостью, сравнительно высокой прочно­стью в сухом состоянии.

Карбонатные породы (известняки) имеют высокие показатели физико-механических свойств. Наиболее прочными являются массивные мелкозернистые окварцованные известняки и доломиты (100 - 240 МПа). Проч­ность массивов, сложенных карбонатными породами, определяется их трещиноватостью. Характер и интенсивность выветривания известняков (осо­бенно их растворимость в воде) зависят во многом от структурно-текстурных особенностей. Наиболее интенсивно карстуются карбонатные породы с высокой пористостью (крупнозернистые, плитчатые и др. разно­сти), а также с высокой трещиноватостью.

По отношению к воде скальные осадочные горные породы подразделяются на размягчаемые и неразмягчаемые. К скальным неразмягчаемым относятся породы с жесткими кристаллизационными и прочными цемента­ционными связями, водонепроницаемые или водопроницаемые по трещи­нам, водостойкие. Для оценки размягчаемости используют коэффициент размягчаемости являющийся отношением сопротивлений сжатию об­разцов скального грунта в воздушно-сухом и водонасышенном состояниях. Для скальных неразмягчаемых грунтов Крз > 0,75. Такими породами явля­ются магматические (за исключением рыхлых вулканокластических), мета­морфические (кроме глинистых сланцев), осадочные (доломиты, кремни­стые песчаники, брекчии, конгломераты).

К скальным размягчаемым (Крз < 0,75) относятся породы с ослабленными связями, пористые или трещиноватые, некоторые из них растворимы. В эту группу пород входят алевролиты, аргиллиты, известняки, гипс, ангид­рит, мергель, опоки, сильновыветрелые магматические и метаморфические горные породы.

Прочность осадочных скальных (с жесткими связями) грунтов оценивается по временному сопротивлению их сжатию. В зависимости от трещиноватости временное сопротивление сжатию может изменяться от 250 МПа (для нетрещиноватых образцов) для песчаника до 2 -3 МПа для песка.

 

Метаморфические горные породы.

Метаморфические горные породы образуются в результате преобразования осадочных и магматических пород под действием высоких температур и давлений под влиянием внедрения магмы в ранее сформированные породы, а также под воздействием поверхностно-активных веществ (ПАВ). К числу основных факторов метаморфизма относят температуру, давление, флюиды. Флюиды - жидкие или газообразные компоненты магмы или циркулирую­щие в глубинах Земли насыщенные газами растворы. Эти факторы вызывают изменения первоначального строения пород, их химического и минерального состава. Процессы преобразования пород происходят без расплавления по­следних. Характер изменения пород различен: от уплотнения до полной пе­рекристаллизации минералов, слагавших исходные породы. Метаморфиче­ские породы являются вторичными. Степень метаморфизма различна, поэто­му существует довольно большое число переходных пород.

Различают следующие типы метаморфизма:

Контактовый, который развивается на границе интрузии расплава магмы с осадочными породами. Возникающее здесь давление и повышение температуры за счет магмы существенно меняют приконтактовые вмещающие породы (на­пример, известняки переходят в мра­моры, скарны). Нередко формируется сложная горная порода магматит, об­разующаяся из неоднородной смеси магмы и твердых кусков вмещающей породы.

Строение пород контактового метаморфизма кристаллическое, сахаровидное, массивное, слабослоистое. Минеральный состав часто существенно изменяется.

Глубинный (региональный) метаморфизм развивается при совместном взаимодействии на больших глубинах температур, высокого давления и
флюидов. В этом случае минеральный состав пород иногда существенно меняется. Породы приобретают характерное кристаллическое, слан­цевое, полосчатое, плотное строение. Наличие сланцеватости и полосчато­сти существенно сказывается на силе структурных связей в различных направлениях, что обуславливает анизотропию свойств пород;

 Динамометаморфизм, который вызывается высоким давлением при горообразовательных (тектонических) процессах. При динамо-метаморфизме образуются мощные зоны смятия, возникают сложные складки. Формируются специфические горные породы - катаклазиты и милониты, возникающие при разрывных нарушениях в зонах дробления, без явлений перекристаллизации и минералообразования.

Метаморфические породы чаще всего сохраняют форму залегания ис­ходной породы и встречаются в виде пластов, линз, жил, а иногда локаль­ных неправильных форм близ контакта с интрузиями магмы.

Физико-механические свойства метаморфических горных пород во многом близки к магматическим, что обусловлено наличием у них жестких, преимущественно кристаллизационных, связей. Все метаморфические породы, не будучи измененными (сильно выветрелыми, трещиноватыми), имеют прочность, значительно превышающую нагрузки, существующие в строи­тельной практике. Метаморфические породы практически водонепроницае­мы и, за исключением карбонатных разновидностей (мраморы, скарны), не растворяются в воде. Деформируемость и фильтрация этих пород возможны только по трещинам, а также в выветрелых зонах. Для большинства мета­морфических пород характерна  анизотропность свойств, обусловленная их сланцеватостью. Прочность на сжатие - сопротивление сдвигу, модуль упру­гости значительно ниже вдоль сланцеватости, чем перпендикулярно ей.

Свойства метаморфических пород зависят от условий метаморфизма. Наиболее прочными и устойчивыми к выветриванию являются породы ре­гионального метаморфизма, особенно кварциты. Сопротивление кварцитов сжатию превышает 150 - 200 МПа, их пористость ничтожна: величина их водопоглощения и водонасыщения составляет 0,2 - 0,3 %. Кварциты моро­зостойки и очень слабо выветриваются. Близки по свойствам к кварцитам гнейсы, хотя и обладают меньшей морозостойкостью.

Наименее устойчивы к выветриванию глинистые сланцы. Они могут разрушаться при водонасыщении, неморозостойки, хотя устойчивы к хими­ческому выветриванию.

Физические и механические свойства мраморов зависят от их струк­туры и текстуры. Чем более крупнозернистая структура мрамора, тем ниже величина его сопротивления сжатию (от 100 МПа для мелкозернистого до 50 - 60 МПа для крупнозернистого). Прочность мрамора снижается при во­донасыщении и после испытания на морозостойкость. Мрамор очень слабо растворяется в воде, содержащей углекислоту. Существенное влияние на физико-механические (прочностные и деформационные) свойства метамор­фических пород оказывает их трещиноватость. Как и для ранее рассмотрен­ных магматических и осадочных пород повышение трещиноватости масси­ва метаморфических пород ведет к резкому снижению их прочностных свойств.

РИА РБК
Яндекс.Погода