2. Щільність та пористість гірських порід, як інженерних ґрунтів

Гірські породи, як інженерні ґрунти, діляться на монолітні сцементовані і розсипчасті. У верхніх горизонтах земної кори моно­літні породи роз­биті мережею тріщин, в яких є певна кількість води і повітря. В зв’язку з цим усі породи і ґрунти розглядаються як три­фазні тіла, які складаються з твердої (мінеральних частинок), рідкої фази (води та інших рідин) та газів (повітря або інших природних газів). Взаємовід­ношення цих складових виражається через фізичні власти­вості: щіль­ність, щільність скелета (щільність абсолютно сухої поро­ди або ґрунту), густину твердої складової скелета, пористість (шпару­ватість), коефіцієнт пористості.

Щільність гірської породи, інженерного ґрунту та ґрунту () - це маса одиниці їх об’єму в природних умовах залягання, тобто в три­фазному стані, виражена в г/см³:

, г/см³, (6).

де g₁ – вага твердої складової породи; g₂ – вага води або іншої рідини; v₁ – об’єм твердої складової породи або ґрунту; v₂ – об’єм пустот.

Для визначення щільності розсипчастих та м’яких і слабозцемен­тованих порід та інженерних ґрунтів (таких як піски, супіски, суглин­ки, леси, глини тощо) використовують ріжучі кільця або циліндри об’ємом v (частіше 50 см³). Відібраний таким чином зразок породи зважують (g_заг.) з точністю до 0,01 г і визначають щільність за формулою

, г/см³ . (7)

Щільність скелету породи та ґрунту ( _d ) або як її називають щільність абсолютно сухого ґрунту або породи, це вага абсолютно сухого ґрунту або породи одиниці їх об’єму в природних умовах залягання. Для визначення щільності скелета використовують ту саму пробу, на якій визначали загальну щільність, тільки її висушують при температурі 105^о С для мінеральних ґрунтів, і 100^о С для порід з вмістом органічних речовин, до постійної ваги (g₁) і ділять її на об’єм циліндра v, яким відбиралася проба

, г/см³. (8)

Щільність твердих часток скелета (_s) (густина твердих часток скелета) – це маса одиниці об’єму твердої складової в абсо­лютно сухому стані. Визначається вона шляхом роздроблення ґрунту або породи до найдрібніших частинок з наступним його висушуванням при температурі 105^оС до постійної ваги (g₁) та визначення загального об’єму цих частинок (v₁) в мірних циліндрах, заповнених інертними рідинами.

, г/cм³. (9)

Постільки визначення щільності твердої складової скелета досить складне і вимагає багато часу і крім того ця характеристика для одних і тих же ґрунтів і порід міняється в невеликих межах то для звичайних інженерно-геологічних і гідрогеологічних розрахунків приймають її середні значення для кожного виду ґрунту: пісків - 2,64, супісків - 2,70, суглинків - 2,71 і глин - 2,74 г/см³.

Пористість ґрунтів і гірських порід (n) це відношення сумарного об’єму пор до загального їх об’єму. Визначається за формулою

. (10)

Для ґрунтів без гравійно-галькових включень пористість можна визначати тільки за щільністю їх скелета за формулою автора

. (11)

Використовуючи формули (10) і (11) можна визначити щіль­ність твердих часток скелета за наступною формулою

. (12)

За розміром пори діляться на надкапілярні, діаметром більше 0,5 мм, у яких рідина рухається вільно; на капілярні, 0,0002 - 0,5 мм, у яких рідина рухається з трудом і на субкапілярні, менше 0,0002 мм, у яких рідина не рухається зовсім. Крім того, пори можуть бути з’єднані між собою і ізольовані (мал.13). В зв’язку з цим в практику вводять ще поняття відкритої або ефективної пористості, яка представляє собою відно­шення сумарного об’єму з’єднаних між собою пор діаметром більше 0,0002 мм до загального об’єму гірської породи або ґрунту. Ця порис­тість визначає проникливість гірських порід та ґрунтів для рідин і газів.

В інженерній геології широко використовують ще коефіцієнт пористості (е), який представляє собою відношення сумарного об’єму пор до об’єму твердої складової гірської породи або ґрунту. Він визначається за формулою

(13)

Мал.13. Схематичне зображення різних видів пор у гірських породах (за М.Д.Будзом, 2005):

а – скельна порода з окремими структурними порами і тріщинами; б – та же порода з пористістю, збільшеною в результаті процесу вивітрювання; в – кавер­нозна порода з крупними пустотами, в якій проходить вилужування та розчи­нення; г – пухка піщана порода з відносно від­сортованими зернами і високою пористістю; д – пухка піщана порода з малою пористістю внаслідок нерівної зернистості; є – піщана порода з малою пористістю внаслідок утворення цементу та його нарощуванню навколо окремих зерен; ж – лесоподібна порода з мікро- і макропорис­тістю; з – глиниста мікропориста порода; і – глиниста порода з малою пористістю внаслідок ущільнення. Останні три породи показані зі значним збільшенням.

Крім пор в щільних скельних породах існують пустоти у вигляді тріщин, які ма­ють різну орієнтацію і розміри. За шириною вони діляться на тонкі , шириною до 2 мм, дрібні – 2-5 мм, середні – 5-20 мм, крупні – 20-100 мм, дуже крупні – шириною більше 100 мм. Для кількісної оцінки тріщинуватості використовують коефіцієнт тріщи­ну­ватості (К_тр), який представляє собою відношення площі тріщин у будь-якій площині гірської породи до загальної її площі. Для одержання цього коефі­цієнта проводять зарисовки природного або штучного відслонення гірських порід, а також їх зразків, відібраних зі свердловин, з дотри­манням масштабу. За величиною вказаного коефіцієнта гірські породи поділяють на: слабо тріщинуваті, К_т < 0,02; середньо тріщинуваті, К_тр= 0,02-0,05; сильно тріщинуваті, К_тр= 0,05-0,1; дуже тріщинуваті, К_тр = 0,1- 0,2; надзвичайно тріщинуваті, К_тр  0,2.

В залежності від походження пори, тріщини та інші пустоти діля­ться на первинні і вторинні. Первинні утворюються одночасно з утво­ренням гірської породи. Це пустоти і пори між кристалами, зернами і частинками, які складають гірську породу; тріщини нашару­вання між площинами нашарування осадових гірських порід; пустоти після розкладання організмів; пустоти в деяких магматичних породах утворені при виділенні газів. Вторинні пустоти формуються в резуль­таті змін гірських порід після їх утворення. Головним чином це пусто­ти після розчинення водорозчинних складових, тріщини усихання, тектонічні тріщини та тріщини вивітрювання.

Крім пор і тріщин у гірських породах, в першу чергу осадових хімічних, існують пустоти діаметром більше одного мм, які називають кавернами. Ще більші пустоти у вигляді печер, тунелів, шахт і кри­ниць називають карстовими. Чіткої границі між кавернами і карсто­вими пустотами немає. Деякі дослідники до карстових відносять пустоти діаметром більше одного метра.

В цілому по відношенню до води, усі гірські породи поділяються на породи-колектори і водотривкі породи-водотриви. Породи-колек­тори це породи, які вміщують і пропускають через себе воду. Вони поділяються на порові, тріщинні, кавернозні та карстові. Крім них існують ще комбіновані породи-колектори: порово-тріщинні, порово-кавернозні, тріщинно-кавернозні та тріщинно-карстові. До водотрив­ких порід або водотривів відносяться ті, що не пропускають воду за рахунок відсутності з’єднаних між собою пор, тріщин та каверн або малого розміру пор, менше 0,0002 мм. Крім того, всі гірські породи і ґрунти, які мають температуру нижче «0^о С», є водотривкими. Вода, замерзаючи в порах будь-яких порід, навіть розсипних, перетворює їх у водотриви.