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 крупнозернистые Свойства интрузивных и эффузивных пород определяются их минеральным составом, структурно-текстурными особенностями и особенно - трещинова-тостью.

Среди интрузивных пород наиболее 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 породы характеризуются 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 пород широко 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-метаморфизованных наиболее 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.

Динамометаморфизованные это 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 пород во 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 пород являются 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.