Главная
Численно влажность пород выражают отношением массы воды заполняющей поры породы, к массе сухой породы в долях единицы или в процентах от массы сухой породы
Это весовая влажность Если она определяется по образцам естественной влажности, то ее называют естественной.Влажность пород может быть охарактеризована также через объемную влажность, под которой понимают объем воды, содержащейся в единице объема породы. Численно объемная влажность равна отношению объема волы Vw, содержащейся в породе, к объему сухой породы
Так как плотность воды обычно принимают равной единице, объемную влажность можно определять по формуле Wоб = Wyск. Объемную влажность, так же как и весовую, выражают в долях единицы или в процентах, но не от массы, а от объема сухой породы. Если поры породы полностью заполнены водой, то объем воды в породе равен объему ее пор Wоб = n. Влажность глинистой породы при этом будет соответствовать ее полной влагоемкости, а у песчаных, т.е. у пород невлагоемких, их полной водоемкости.Обозначив весовую влажность, соответствующую полной влагоемкости (водоемкости) пород через Wn, будем иметь Wоб = Wnуск. Объем единицы породы равен объему твердой ее части плюс объем пор, т е 1 = m+n, где n = 1—m.
Так как объем твердой части породы m равен плотности скелета, деленной на плотность минеральной части,
Решая последнее уравнение относительно Wn, получаем следующую формулу для вычисления полной влагоемкости (водоемкости) пород
Если обозначить уск через ум и n, то формула для вычисления полной влагоемкости (водоемкости) пород примет вид
При полном заполнении пор водой ее масса в породе равна объему пор, умноженному на плотность воды, т. е. g2 = е0/(1 + е0)ув, а масса сухой породы — объему твердой части (скелета) породы, умноженному на плотность минеральной части породы, т. е. g1 = 1/(1 + е0)ум, откуда влажность породы, соответствующая ее полной влагоемкости (водоемкости), равна
Если горные породы не полностью водонасыщены, то часть порового пространства будет заполнена воздухом (газами). Объем последнего в таком случае равен разности между объемом воды, соответствующим полному заполнению пор водой, и объемом воды, содержащейся в породе,
Если Wn заменить соответствующим значением, формула примет вид
Влажность песчаных и глинистых пород в условиях естественного залегания может изменяться в сравнительно широких пределах. Так, например, естественная влажность песков в зоне аэрации нередко достигает 4—5 %, в зоне капиллярного увлажнения и насыщения — 27—30 %, а влажность мелкозернистых и тонкозернистых песков в этой зоне может достигать 35—40 %. Естественная влажность глинистых пород изменяется в более широких пределах. Так, например, в современных глинистых осадках озер и морей она достигает 80—90 % и более, в глинистых породах малой и средней степени литификации (глины, уплотненные глины) изменяется от 12—15 до 50—60 %, а в породах высокой и предельно высокой степени литификации (аргиллиты) снижается до 3—5 %. Естественная влажность песков при прочих равных геологических условиях изменяется в зависимости от их гранулометрического состава, наличия примесей глинистых частиц и органического вещества и от плотности сложения. Естественная влажность глинистых пород изменяется в зависимости от степени их дисперсности, т. е. степени глинистости, минерального состава тонкодисперсной части, емкости поглощения и состава обменных катионов, примесей органики и степени литификации.Как отмечено выше, песчаные иглинистые породы в зависимости от влажности могут иметь различное физическое состояние, т е быть абсолютно сухими (в лабораторных условиях), воздушно-сухими, слабовлажными или насыщенными водой. Это изменение состояния определяется влажностью и степенью насыщения. Для характеристики степени насыщения пород водой с тужит коэффициент водонасыщения, выражающий отношение естественной этажности пород к их полной влагоемкости (водоемкости), т.е.
G = W/Wn,
или, заменяя значение Wn соответствующими выражениями, получаем
Коэффициент водонасыщения выражают в долях единицы, его значение может изменяться от 0 до 1. В зависимости от коэффициента водонасыщения породы подразделяют на маловлажные (0—0,5), влажные (0,5—0,8) и насыщенные (0,8—1,0).Коэффициент водонасыщения пород является важной их характеристикой. Так, по строительным нормам и правилам нормативные давления на песчаные породы, используемые в качестве естественных оснований для зданий и сооружений, выбирают в зависимости от значения G.
Коэффициент водонасыщения характеризует также фазовый состав песчаных и глинистых пород. Здесь надо различать следующие случаи.
1. G = 0. Порода абсотютно сухая, состоит из двух фаз — твердой (скелета породы) и воздуха, заполняющего поры. Такие породы можно получить только в лабораторных условиях высушиванием в термостате при температуре 105—110 °C до постоянной массы.
2. G немного больше нуля, составляет сотые доли единицы или 0,1—0,2. Порода воздушно-сухая, состоит из трех фаз — твердой (скелета породы), воздуха, заполняющего поры, и физически связанной воды, адсорбированной на поверхности частиц породы. Содержание воды зависит от влажности воздуха и гигроскопичности породы. Такие породы встречаются, например, в зоне аэрации, с поверхности земли, на песчаном пляже. В лабораторных условиях эти породы можно получить высушиванием на воздухе. Воздушно сухие песчаные породы рыхлые, сыпучие, а глинистые отличаются наибольшей прочностью связностью и твердостью.
3. G изменяется от 0,1 до 0,5. Порода маловлажная или слабовлажная, состоит из трех фаз — твердой (скелета), воды, физически связанной на поверхности частиц и незначительно заполняющей поры породы, и воздуха. Такие породы в природе встречаются часто в зоне аэрации и иногда в зоне капиллярного увлажнения. Слабовлажные песчаные породы имеют кажущуюся связность, которая быстро исчезает при испарении влаги. Глинистые породы обычно находятся в твердом, полутвердом, тугопластичном или вязкопластичном состояниях. Связность и прочность их повышены, HO могут быть и высокими в зависимости от их плотности, влажности и степени литификации.
4. 0,5 < G < 0,8/0,95. Порода влажная или сильновлажная, состоит из трех фаз — твердой (скелета породы), воды, заполняющей ее поры, и воздуха, адсорбированного на поверхности частиц или защемленного в порах. Такие породы распространены в природе очень широко на различных глубинах и в разных зонах. Физическое состояние их может изменяться в широких пределах в зависимости от плотности, влажности, степени литификации. Например, глинистые породы повышенной или высокой степени литификации (аргиллиты) могут иметь значительную степень заполнения пор водой, коэффициент водонасыщения их может приближаться к единице, но общая влажность при этом остается небольшой. Поэтому они сохраняют твердое, полутвердое или тугопластичное состояние, повышенную связность и прочность.
Глинистые породы малой степени литификации влажные или сильновлажные обычно находятся в явно- или скрытопластичном, мягкопластичном или вязкотекучем состоянии. Связность и прочность их обычно понижены, особенно они уменьшаются при нарушении естественного сложения — структурных связей.
5. G=1. Порода водонасыщена, состоит из двух фаз — твердой (скелета) и воды, полностью заполняющей поры. Такие породы в природе распространены очень широко на разных глубинах, например а зоне капиллярного насыщения, в пределах водоносных горизонтов и т. д. Полностью водонасыщенными являются, как правило, породы, залегающие ниже уровня грунтовых вод. Физическое состояние таких пород, как и в предыдущем случае, может изменяться в широких пределах в зависимости от их плотности, влажности, степени литификации.
В условиях естественного залегания песчаных и глинистых пород наблюдаются следующие закономерности изменения степени их влажности с глубиной. В самых верхних горизонтах земной коры — в зоне аэрации — степень насыщения обычно неполная и непостоянная в различные периоды года в различных географических областях. В области избыточного увлажнения мощность зоны аэрации незначительная, а степень увлажнения пород наибольшая. В областях переменной влажности мощность зоны аэрации обычно больше, а степень влажности пород меньше. В областях недостаточного увлажнения — полусухих и сухих — мощность зоны аэрации наибольшая, а степень влажности пород наименьшая. Ниже зоны аэрации, в зоне насыщения горных пород подземными водами, степень увлажнения их полная и постоянная во времени, хотя с увеличением плотности с глубиной их естественная влажность постепенно уменьшается.