Вопрос 3. Основные физико-механические свойства техногенных горных пород

Показатели физических и механических свойств, скальных и нескальных грунтов между собой довольно значительно разнятся, особенно физические. Характеристики физических свойств выражают физическое состояние грунтов (плотность, влажность и др.) и позволяют их классифицировать по типу, виду и разновидностям. Под механическими подразумевают такие свойства, которые появляются в грунтах под воздействием внешних усилий (давлении, удара). Основные физико-механические свойства горных пород:

Твердость характеризует способность горной породы сопротивляться внедрению в нее резца, пуансона или другого индентора (твердого тела). Твердость породы в целом (агрегатная твердость) отличается от твердости слагающих ее минералов.

Абразивность горных пород — это особое свойство пород, выражающееся в способности изнашивать породоразрушающий инструмент в процессе бурения.

Упругость горных пород — способность породы восстанавливать первоначальную форму и объем после прекращения действия внешних усилий.

Хрупкость горных пород — способность горной породы разрушаться без заметной пластической деформации под воздействием внешних усилий.

Пластичность горных пород — способность породы необратимо изменять, без нарушения сплошности, свою форму и размеры под действием внешних усилий; чаще всего проявляется в условиях всестороннего сжатия породы.

· Установлено, что горные породы, обладающие высокими упруго-пластичными свойствами, разбуриваются медленнее, чем упруго-хрупкие породы.

Устойчивость горных пород — способность породы длительное время сохранять первоначальное положение при вскрытии ее в массиве (при бурении скважин, проходке шахт и других горных выработок); зависит от условий залегания, характера связи между частицами породы, трещиноватости и степени выветривания.

Трещиноватость горных пород — совокупность в породе трещин различного происхождения и разных размеров. Наличие трещиноватости уменьшает прочность породы, но увеличивает ее абразивность.

Влагоёмкость горных пород — способность породы удерживать то или иное количество влаги.

Водопроницаемость горных пород — способность породы пропускать воду при наличии перепада давлений.

Водопоглощение горных пород — способность сухой породы впитывать воду при выдерживании ее в воде при атмосферном давлении и комнатной температуре; определяется как отношение разности в массах свободнонасыщенного и сухого образца породы к массе сухого образца.

Зернистость горных пород — совокупность расположения частиц в породе, которые могут различаться по своему внутреннему строению, форме или размеру. Различаются породы мелко-, среднеи крупнозернистые.

Каверность горных пород — наличие в породе пустот (каверн).

Сланцеватость горных пород — сложение горных пород, делящихся на тонкие плоские параллельные слои, плоские плитки или пластинки.

Слоистость горных пород — повторяющаяся в разрезе неоднородность осадков: по составу, крупности зерна, окраске и другим особенностям.

Влажность горных пород — степень насыщенности водой (пленочной, капиллярной, гравитационной) пор, трещин и других пустот в естественных условиях. Такая влажность называется естественной влажностью. Она выражается в процентах по весу к абсолютно сухой породе и определяется формулой:

Пористость горной породы — отношение объема всех пустот в горной породе к общему объему породы.

Плотностью породы называют отношение массы твердых частиц к их объему.

Отдельную группу составляют — техногенные отложения, создаваемые человеком (отвалы горных разработок, насыпи, дамбы и пр.). По способу накопления различают следующие виды: близки к различным генетическим типам четвертичных отложений. Отвалы горных выработок во многом напоминают гравитационные образования и т. п.

Техногенные отложения. Инженерно-геологические процессы Постоянно растущее воздействие человека на природную среду вообще и на геологическую в частности особенно проявляется в крупных городах. В их пределах происходит существенное изменение инженерно-геологических условий: нивелируется природный рельеф, заменяясь антропогенным; меняется гидрографическая сеть и режим рек. Подземное пространство насыщено инженерными сетями, тоннелями, различными сооружениями и конструкциями; существенно меняется его температурно-влажностный режим. Застройка и покрытия улиц резко меняют условия и соотношения стока, инфильтрации, испарения. Меняются гидрогеологические условия; в пределах мегаполисов образуются огромные депрессионные воронки глубоких водоносных горизонтов. С другой стороны, часто происходит подъем уровня грунтовых вод (подтопление) или образование неглубоко от поверхности новых водоносных горизонтов. Одно из следствий хозяйственно-строительной деятельности — образование техногенных отложений (культурного слоя). Их можно разделить на следующие группы.

Природные образования, перемещенные с мест их естественного залегания различными транспортными средствами, взрывом (насыпные грунты) или средствами гидромеханизации (намывные грунты).

Антропогенные образования, представляющие собой отходы хозяйственно-бытовой и производственной деятельности человека с коренным изменением состава и свойств исходного сырья. Хозяйственно-бытовые отходы представлены свалками бытовых отбросов, строительного мусора и т. п. Промышленные отходы представлены золами и шлаками различного происхождения — топливными, металлургическими; отвалами пустой породы при угледобыче (терриконы), а также шламами — отходами горнообогатительного, электрохимического и других производств (хвостохранилища).

Природные образования, существенно измененные по составу и свойствам в условиях их естественного залегания — например, при цементации, силикатизации, электрохимическом закреплении грунтов и т. п.

Таким образом, техногенные отложения очень разнообразны — от разновидностей, близких к природным, до грунтов, не имеющих природных аналогов. Соответственно разнообразны их свойства, даже в пределах одной группы. За исключением пород третьей группы, то есть для всех насыпных и намывных грунтов, отвалов и свалок характерной общей чертой является повышение их плотности со временем под действием собственного веса — самоуплотнение; это важно, поскольку их основные строительные свойства зависят от плотности. Цементация в таких грунтах отсутствует или незначительна. Длительность процесса самоуплотнения зависит от состава породы (исходного материала) и способа отсыпки, а намывных грунтов — и от характера основания.

Наиболее неблагоприятные по своим свойствам отложения создаются в районах свалок с хозяйственно-бытовыми отходами. В них много химически активных веществ, гниющей органики, при разложении которой могут образоваться токсичные и взрывоопасные продукты. При фильтрации атмосферных осадков через толщу таких отложений возможно загрязнение подземных вод.

Геологическая деятельность человека проявляется также в целенаправленном регулировании процессов. Осуществляются мероприятия по борьбе с оврагообразованием, селями, подмывом берегов рек, абразией, подвижными песками, защите от проявлений карста, суффозии, опасных склоновых процессов. При этом необходимо учитывать, что хозяйственно-строительная деятельность может приводить к существенным изменениям в течение времени и проявлениях природных процессов и вызывать явления, обычно нехарактерные для данных условий. Геологические процессы, тесно связанные с инженерной строительной деятельностью человека, называются инженерно-геологическими. Многие из перечисленных выше процессов, регулируемых разнообразными защитными инженерными сооружениями (противообвальными, противоселевыми, противооползневыми и др.), следует рассматривать как инженерно-геологические.

Из других инженерно-геологических процессов следует назвать уплотнение и разуплотнение грунтов в основаниях сооружений; техногенное выветривание в откосах выемок, карьеров и других выработок; плывуны; проявления горного давления и сдвижения горных пород; просадки лессов в основаниях и бортах каналов; морозное пучение; просадки оснований сооружений на мерзлых грунтах при оттаивании последних; термокарст.