5. Водные свойства пород

Грунтоведение изучает влияние воды на горные породы в отношении устойчивости, сохранения структуры и прочности, а также способность пород поглощать воду и пропускать ее через себя - т.е. - водные свойства горных пород.

1. Набухание

Под набуханием понимают увеличение объема породы под воздействием воды, что особенно характерно для глинистых пород. При набухании происходит увеличение пористости породы и ее влажности в связи с увеличением толщины гидратных оболочек на поверхности глинистых частиц. Максимальное набухание происходит в дистиллированной воде; по мере увеличения в воде концентрации солей набухание уменьшается.

Для характеристики набухания изучают:

1. давление набухания - давление, которое развивается в породе при ее насыщении водой или раствором;

2. влажность набухания - влажность насыщенной породы;

3. величину набухания - отношение приращения объема набухшей породы к ее первоначальному объему.

V_D= (V_наб - V₀/V₀) * 100%

2. Усадка.

Усадкой называется уменьшение объема породы при высыхании - процесс, противоположный набуханию. Усадка сопровождается образованием в породе трещин, что снижает прочность породы и уменьшает устойчивость пород на естественных склонах, откосах, бортов карьеров и т.д.

Характеристики усадки.

1. Объемная или линейная - уменьшение объема или блины образца породы относительно его первоначального объема или длины:

При этом Vиl прямо пропорционально зависят от начальной влажности.

3.Размокание и размягчаемость пород - процесс распада породы в воде вследствие полной потери связей между частицами.

У некоторых пород размокание вызывает резкое снижение прочности без признаков распада - происходит размягчение образца. Для каждой глинистой породы характерна некоторая критическая влажность. Образцы с влажностью ниже критической размокают, выше - нет. Исследования размокаемости ведут при изучении переработки берегов и изысканиях по трассам каналов.

4.Водопроницаемость.

Под водопроницаемостью пород понимают способность пород фильтровать воду по имеющимся в них трещинам, порам и другим пустотам. Фильтрация - течение воды в порах - происходит под влиянием следующих факторов:

1. силы тяжести (гравитационное движение воды);

2. разности напоров;

3. сжатия породы под влиянием внешнего давления и ряда других факторов.

В механике грунтов движение воды изучается, главным образом, при действии напоров, вызываемых в поровой воде внешней нагрузкой, которая выражается высотой столба воды, вызываемого давлением от внешней нагрузки:

, где Р- внешнее давление.

Введем понятие градиента напора (уклона потока) :

Гидравлический градиент равен отношению потери напора Н₂ – Н₁ к длине пути фильтрацииL.

Рис. 5.1 Схема фильтрации воды в грунтах

Движение (фильтрацию) воды в грунте можно рассматривать, как параллельно-струйное ламинарное (очень медленное) течение в среде с переменной пористостью, которое обуславливает переменную водопроницаемость данной пористой среды.

Ламинарное движение воды происходит с тем большей скоростью, чем больше гидравлический градиент

Явление водопроницаемости характеризуется коэффициентом фильтрации, понятие которого ввел Дарси в 1885 году.

По экспериментальным данным (Жуковский, Пуазель, Дарси, Павловский), объем воды, протекающий через водопроницаемое тело, пропорционален площади поперечного сечения, времени и разности напоров (гидравлическому уклону).

Q = k ^. S ^. I ^. t

Объем, протекающий в единицу времени через единицу поперечного сечения, называется скоростью фильтрации.

, (*)

причем, истинная скорость фильтрации

n_эф.0,1n(эффективную пористость определяют специальными методами).

Таким образом, можно определить, что k_ф- коэффициент фильтрации - численно равен скорости фильтрации при единичном градиенте напора потока.

Коэффициент фильтрации есть функция минералогического и гранулометрического состава грунта, структуры и пористости.

Зависимость процесса фильтрации от механического состава грунта характеризуется понятием начального градиента. Согласно экспериментальным исследованиям, фильтрация воды в глинистых грунтах начинается лишь при достижении градиента напора некоторой начальной величины, преодолевающей внутреннее сопротивление движению, оказываемое водно-коллоидными пленками, окружающими каждую глинистую частицу.

Рис. 5.2. Зависимость скорости фильтрации V от градиента напораI:

I– для песка,II– для глины (в разных масштабах).

На кривой IIможно различить 3 участка: начальный 0-1, когда скорость фильтрации практически равна нулю (V_ф=0), 1-2 – криволинейный, отображающий переходный процесс еще не установившейся фильтрации и 2 - 3 – прямолинейный участок установившегося процесса фильтрации, когда скорость фильтрации пропорциональна действующему градиенту.

Зависимость характера фильтрации от структуры грунта характеризуется различной водопроницаемостью (различной величиной коэффициента фильтрации) в разных направлениях. Такие породы называются анизотропными относительно водопроницаемости.

К_верт.

К_гор.

Для лессов К_верт. > К_гор.

К_верт

. . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . Для ленточных глин К_верт< К_гор.

К_гор.

Рис 5.3 Соотношение вертикальных коэффициентов фильтрации для разных грунтов.

Разница значений водопроницаемости (коэффициента фильтрации) по вертикали и по горизонтали для разных пород может составлять порядки величин. Существует классификация грунтов по водопроницаемости. В гидрогеологии вводится понятие водопроводимости: T = k ^. m

В инженерной геологии рассматривают гидростатические напоры, которые создаются внешней нагрузкой, что приводит к выдавливанию воды из пор.

- интенсивность внешней нагрузки.

Рассмотрим простейшую модель: сосуд заполнен водой, закрыт поршнем с отверстиями, который поддерживается пружиной.

Рис 5.4 Схемы приборов, поясняющие две системы давлений

в водонасыщенных грунтах:

а– схема передачи давлений на скелет грунта,

б- модель сжатия грунтовой массы (вначале вся нагрузка передается на воду,

затем, по мере сжатия, на скелет грунта)

При этом: вода в сосуде - грунтовая вода;

пружина - скелет грунта;

отверстия в поршне - поры грунта.

По мере приложения нагрузки давление сначала передается на воду, которая вытекает через отверстия в поршне, а затем на пружину, которая посте5пенно полностью принимает на себя внешнюю нагрузку, что соответствует состоянию равновесия в грунтовой массе.

Давление на воду - это нейтральное давление. Оно не уплотняет грунт, а создает напор в воде, вызывающий ее фильтрацию: P_W=_в^.h

Давление на пружину (скелет грунта) называется эффективным. Под его действием происходит уплотнение грунта. P_Z= (-_в) ·z- эффективное давление на глубинеz.

Общее давление, передаваемое на грунт (нагрузка) P=P_W+P_Z.

5.Водоотдача

Водоотдача - способность породы отдавать свободную гравитационную воду при снижении уровня воды или давления. По механизму отдачи различают гравитационную и упругую водоотдачу. В первом случае объем породы отдает воду и осушается в результате вытекания воды из пор и трещин под действием силы тяжести. Показатель свойства —коэффициент гравитаци­онной водоотдачиμ.Во втором случае объем породы, полностью насыщенный водой, отдает ее без осушения в результате упру­гого расширения воды и уменьшения пористости в объеме. По­казатель свойства —коэффициент упругой водоотдачиμ*. Оба показателя выражаются в долях единицы.

Водопоглощение —способность породы поглощать некоторое количество свободной воды при повышении уровня или давле­ния в выделенном объеме породы. В первом случае показателем свойства является недостаток гравитационного насыщенияμ_н, во втором —недостаток упругого насыщенияμ*_н. Это свойство, обратное водоотдаче.

6. Водопроводимость.

Водопроводимость —свойство достаточно выдержанного по разрезу слоя горных пород пропускать через себя некоторое ко­личество свободной воды при полном его насыщении и характе­ризующее систему в целом. Величина водопроводимостиТиз­меряется в квадратных метрах в сутки и характеризуется пока­зателем водопроводимости

T=km.

где m —мощность водоносного слоя.

Уровне- или пьезопроводностьхарактеризует способность пласта, как системы, проводить с той или иной скоростью создан­ные в нем изменения пьезометрического уровня или давления. Если рассматривается распространение по пласту изменений пьезометрического уровня в виде колебаний уровня грунтовых вод, то свойство называется уровнепроводностью. Если в пласте распространяется изменение пластового давления, (что наблю­дается в напорных водах), то свойство называется пьезопровод-ностью. Обе величины измеряются в квадратных метрах в сутки и характеризуются показателема.

Для грунтовых вод параметр процесса распространения давления опре­деляется зависимостью

a=T/μ,

для напорных вод

a*=T/μ

Наибольшей водоотдачей обладают крупнозернистые породы, наименьшей - тонкозернистые пылеватые пески. Водоотдача глинистых пород ничтожно мала. Водоотдача () ориентировочно рассчитывается исходя из полной влагоемкости пород.

6. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОРОД С ЖЕСТКИМИ СВЯЗЯМИ

Механические свойства пород характеризуют способность горных пород сопротивляться нагрузкам, т.е. механические свойства пород характеризуют деформируемость и прочность пород.