Главная
Новости
Строительство
Ремонт
Дизайн и интерьер




29.04.2019


25.04.2019


22.04.2019


11.02.2019


17.01.2019


29.12.2018


29.12.2018


04.12.2018


25.10.2018


26.09.2018





Яндекс.Метрика
         » » Изменение физико-механических свойств скальных и полускальных пород под влиянием гидротермальных процессов и выветривания

Изменение физико-механических свойств скальных и полускальных пород под влиянием гидротермальных процессов и выветривания

13.12.2017

Физико-механические свойства скальных и полускальных пород могут существенно изменяться под влиянием вторичных процессов — гидротермальных и выветривания. Породы, измененные гидротермальными процессами, обычно имеют локальное распространение — на отдельных участках или в пределах определенных зон, где они подверглись воздействиям гидротермальных растворов. Однако изменения свойств таких пород могут распространяться на большие глубины (сотни метров) и проявляться двояко. В одних случаях происходят повышение их плотности, уменьшение пористости — породы становятся монолитными, повышается их прочность. В других случаях под влиянием гидротермальных растворов происходят разложение пород, вынос неустойчивых компонентов, привнос новых; в результате метасоматоза изменяется их минеральный состав, а это приводит к уменьшению плотности, повышению пористости и снижению прочности. Образуются участки и зоны ослабленных пород, которые представляют большой интерес при инженерно-геологической оценке условий строительства сооружений. Выявление и оконтуривание таких ослабленных участков и зон являются важнейшей задачей при инженерно-геологических изысканиях.
Как видно из табл. III-18, с увеличением степени серпентинизации плотность пород уменьшается, что связано с изменением их минерального состава — образованием более легких минералов (серпентина по пироксену и амфиболу). Из табл. III-19 следует, что гранитизация гнейсов приводит также к уменьшению их плотности. Это связано с замещением тяжелых минералов — амфибола, граната, биотита — более легкими — кварцем и микроклином.
При инженерно-геологических исследованиях на участке Шульбииской ГЭС на Иртыше обнаружено, что кремнисто-серицитовые и углисто-глинистые сланцы и кварц-полевошпатовые песчаники такырской свиты палеозоя в локальных зонах гидротермального изменения резко отличны но своим внешним признакам и свойствам от основной массы пород. Наблюдается либо осветление пород от темно- до светло-серого, либо окрашивание их в розовато-бурые и розовато-вишневые топа. По плагиоклазу и калиевому полевому шпату видно развитие каолинита. Уменьшается содержание в породах углистого вещества и соединений железа. В результате таких изменений средняя плотность минеральной части пород уменьшилась от 2,75 до 2,66 г/см3, а средняя плотность пород — от 2,62—2,67 до 2,46 г/см3. Пористость пород увеличилась до 7—10%, тогда как наиболее типичные ее значения у неизмененных пород равны 2—3%. Среднее значение предела прочности на сжатие неизмененных пород в водонасыщенном состоянии равно 77 МПа, а пород гидротермально измененных — 21 МПа. Следовательно, в рассматриваемом случае гидротермальные процессы снизили прочность пород более чем в 3,5 раза (рис. III-34). Коэффициент размягчаемости при этом снизился от 0,8 до 0,4 и меньше.
В зоне выветривания неизмененных пород обычно образуется щебенисто-глыбовый элювий, тогда как в породах гидротермально измененных элювий существенно глинистый, причем мощность зоны интенсивного выветривания здесь значительно больше. В табл. III-20 приводится сопоставление показателей свойств пород неизмененных, гидротермально измененных и выветрелых. Из этих данных следует, что гидротермальные процессы оказали большее влияние на породы такырской свиты, развитые на участке Шульбинской ГЭС, чем выветривание.
Еще более глубокие изменения скальных пород под воздействием гидротерм установлены на участке Семипалатинской ГЭС. Состав пород и характер их изменения в основном те же, что и на участке Шульбинской ГЭС, но близость участка к крупному гранитному интрузиву обусловила более глубокое изменение пород и их физико-механических свойств. Так, например, коэффициент крепости пород (определенный методом ИГД) снизился с 8—13 у неизмененных пород до 4—5 у гидротермально измененных. Соответственно водопоглощение увеличилось от 0,5—4 до 7—11 %, а плотность снизилась с 2,50—2,75 до 2,40 г/см3.

Примеров ослабления горных пород под воздействием гидротермальных процессов известно сравнительно много, хотя в инженерно-геологическом отношении они изучены недостаточно. Характерным в этом отношении является район Красноярской ГЭС на Енисее. Здесь граниты, являющиеся основанием сооружений, в пределах определенных зон под влиянием гидротермальных процессов претерпели существенные изменения. Так, например, прочность неизмененных гранитов на сжатие составляет 130 МПа (среднее из 246 определений), у гранитов слабо каолинизированных она равна 103 МПа (среднее из 31 определения) и у каолинизированных — 60 МПа (среднее из 23 определений).

Приведенные данные показывают, что гидротермальные процессы могут оказывать значительное влияние на изменение физико-механических свойств скальных и полускальных пород. Поэтому при инженерно-геологических изысканиях такие изменения необходимо выявлять, всесторонне исследовать и оценивать.

Физико-механические свойства скальных и полускальных горных пород существенно изменяются и при выветривании. Выше уже было показано, что при выветривании изменяются внешний облик пород, их физическое состояние и состав. Выветривание, в отличие от гидротермальных процессов, приводит к изменению пород и их свойств на больших площадях, т. е. имеет региональное распространение, но развивается главным образом в приповерхностных горизонтах Земли. Поэтому при проектировании и строительстве разнообразных сооружений с такими изменениями пород приходится встречаться значительно чаще.

В зависимости от степени выветрелости пород можно различать определенные стадии их изменения, а в зоне выветривания выделять подзоны. В соответствии с этим и свойства пород — плотность, пористость, водопоглощение, водопроницаемость, прочность, крепость и деформируемость — изменяются в зависимости от степени выветрелости пород. В отличие от гидротермальных процессов выветривание всегда ведет только к разрушению и разрыхлению пород, снижению их плотности и прочности, к образованию участков и зон с более низкими показателями физико-механических свойств. В результате скальные породы переходят в полускальные, а при дальнейшем разрушении в рыхлые несвязные или мягкие связные.

Примеров изменения свойств пород в зоне выветривания очень много, остановимся только на некоторых, характерных. Так, при изучении естественного основания плотины на р. Зее А.Г. Горянский установил следующую закономерность изменения крепости диоритов в зависимости от степени выветрелости.

1. Диорит без следов выветривания, плотность минеральном части 2,81 г/см3, временное сопротивление сжатию 140—160 МПа, коэффициент крепости fкp = 15 (определялся по буримости горных пород при проходке разведочных штолен).

2. Диорит трещиноватый, трещины отдельности через 0,3—0,5 м, fкр = 10.

3. Диорит сильнотрещиноватый, при ударе молотком раскалывается по волосным трещинам на куски размером 2—7см, местами каолинизированный, fкр = 6.

4. Диорит полностью разрушенный, пористость 10—40%, fкр = 2.

Для установления деформационных свойств диоритов в зависимости от степени выветрелости были выполнены полевые испытания опытными нагрузками. При опытах применялись бетонные штампы размером 1х1 м2, нагрузки доводились до 4 МПа. Результаты опытов сведены в табл. III-21. Из таблицы видно, что с изменением степени выветрелости диоритов существенно изменяются их крепость и деформируемость.
Общеизвестно, что с увеличением выветрелости пород повышается их водопоглощение и соответственно понижаются характеристики физико-механическнх свойств. Используя эту зависимость, португальский инженер X.Л. Серафим в докладе на VII Международном конгрессе по высоким плотинам в Риме в 1961 г. привел данные, показанные в табл. III-22 и на рис. III-35 и III-36. Эти данные наглядно свидетельствуют о том, что с изменением выветрелости гранитов закономерно изменяются их водопоглощение и другие свойства. Поэтому X.Л. Серафим предложил считать водопоглощение показателем выветрелости пород.
Интересна попытка польских геологов И. Лиса и С. Пшеньосло найти объективный показатель для оценки степени выветрелости гранита. Исходя из положения, что наименее устойчив в граните биотит и что двухвалентное железо (главным носителем его в граните является биотит) совершенно неустойчиво в зоне окисления, они предложили использовать отношение Fe3+/Fe2+ в качестве показателя степени выветрелости гранита. По данным исследований керна колонковой скважины, пройденной в граните, была установлена зависимость изменения прочности гранитов от степени выветрелости (рис. III-37). Характерно, что у невыветрелых гранитов отношение Fe3+/Fe2+ составляет в среднем 0,4. Как видно из данных, приведенных в табл. III-23 и III-24, с уменьшением степени выветрелости горных пород уменьшается их пористость, повышаются плотность, прочность и упругость.
Японский инженер С. Кудо, используя зависимость между физическим состоянием пород и скоростью прохождения через них упругих волн, создал классификацию пород, позволяющую выделять зоны различной выветрелости и трещиноватости (табл. III-25). Для такого выделения послужили два показателя, обозначающие степень уменьшения упругости пород в условиях естественного залегания. Первый он назвал показателем «степени звучности пород» ед/Ед, а второй — коэффициентом трещиноватости (Ед—ед)/Ед. Здесь и Ед — динамические модули упругости, измеряемые соответственно для образца и для пород в условиях естественного залегания. Из табл. III-25 видно, что чем сильнее выветрелость и трещиноватость пород, тем больше коэффициент их трещиноватости и меньше степень звучности.
Из приведенных данных видна вполне определенная зависимость физико-механических свойств горных пород от степени их выветрелости. Выветривание ведет к снижению строительных качеств пород, поэтому при инженерно-геологических изысканиях всегда необходимо выделять зону выветрелых пород, исследовать и оценивать их свойства. Для этого кроме качественных показателей (внешнего облика, окраски, минерального состава и др.) вполне могут быть использованы различные количественные показатели, характеризующие их физико-механические свойства.