Горные породы и их виды

     Весьма  характерной чертой реологических  процессов, в частности ползучести, является зависимость деформации, наблюдаемой в данный момент времени, от характера всего процесса нагружения материала, или, другими словами, от всей предыдущей истории его деформирования. Это свойство реальных материалов называют наследственностью.

     Особенностью  большинства горных пород, как показывают эксперименты, является практически .линейная зависимость между приращениями деформаций и приращениями напряжений в любой момент времени, т. е. проявление линейной ползучести. Это позволяет применять для описания деформирования горных пород во времени теорию деформирования линейных наследственных сред. При этом полная деформация в любой момент времени слагается из двух составляющих: упругой деформации в момент приложения нагрузки и собственно деформации ползучести.

     В качестве характеристики реологических свойств пород используют также период релаксации—время, в течение которого напряжение убывает в е раз (е = 2,72—основание натуральных логарифмов). Период релаксации зависит от начального уровня напряжений и степени вязкости пород. Для прочных горных пород значения периода релаксации очень велики, оцениваются в сотни тысяч лет и даже более.

     Прочность и упругость пород при длительном воздействии достаточно больших  нагрузок понижаются, асимптотически приближаясь к некоторым предельным значениям — пределу длительной прочности s_y и предельному модулю длительной упругости Е_y. Для большинства пород s_y = (0,7—0,8)[s_сж], Еy  = (0,65- 0,95) Е. 
 
 

     2.4. Горнотехнологические свойства горных пород 

     Для решения отдельных вопросов геомеханики представляют определённый интерес горнотехнологические свойства, которые являются откликом массива пород на технологические воздействия и потому отражают, не только свойства, но и состояние пород.

     Число характеристик здесь может быть сколь угодно велико (коэффициент крепости, коэффициент разрыхления, коэффициент трения, угол естественного откоса, гранулометрический состав, показатель дробимости, показатель взрываемости и др.). В соответствии с этим остановимся лишь на тех из них, которые находят наиболее широкое применение в геомеханике.

     К их числу прежде всего следует  отнести комплексный показатель свойств пород — коэффициент крепости f_кр, введенный проф. М. М. Протодьяконовым для характеристики сопротивляемости пород механическим воздействиям. При этом была разработана шкала, в соответствии с которой все горные породы подразделены на 10 категорий. К первой из них отнесены породы с высшей степенью крепости (f_кр = 20), к десятой — наиболее слабые плывучие породы (f_кр == 0,3). Таким образом, пределы изменения коэффициента крепости — от 0,3 до 20.

     Другой, также общеупотребительной характеристикой  является коэффициент разрыхления К_р, представляющий собой отношение объема V_p породы после ее разрыхления при обрушении или добычи к объему V_м в массиве, т. е. до разрыхления:

     К_р = V_р/ V_м.                                                                                      (22)

     Наименьшую  разрыхляемость при прочих равных условиях имеют песчаные и глинистые породы (К_р = 1,15—1,20), наибольшую—хрупкие скальные породы (К_р = 1,30—1,40).

     С течением времени разрыхленные породы уплотняются, однако и после уплотнения они не достигают первоначальной плотности в массиве, имевшей  место до разрыхления. Минимальные  значения коэффициента разрыхления  пород после их уплотнения К_р == 1,01—1,15.

     Одной из существенных характеристик разрыхленных горных пород является также коэффициент трения f_o, который в отличие от коэффициента внутреннего трения tgr характеризует условие перемещения отдельных блоков пород друг относительно друга, после того как нарушается сплошность массива. Значения коэффициентов трения колеблются в очень широких пределах, зависят от большого числа факторов, в частности от состава, строения, степени твердости пород, шероховатости трущихся поверхностей и составляют преимущественно 0,11—0,36. При больших давлениях могут иметь место пластические деформации и разрушения отдельных выступов на соприкасающихся поверхностях. Указанные сложности в определении влияния каждого фактора на характеристики перемещения пород побудили проф. В. В. Ржевского ввести в рассмотрение единый экспериментально определяемый коэффициент зацепления. Он представляет собой отношение суммы сил трения, сцепления и механического зацепления, развиваемых в определенное время по конкретной поверхности соприкосновения частей массива горных пород, к площади этой поверхности. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     3. Рыхлые горные породы. Песок

     3.1 Общая характеристика  рыхлых пород 

     К этой группе горных пород обыкновенно  относят песок и гравий, глину, растительную землю и всевозможные природные смеси этих веществ, образующие то, что мы называем почвой.

     Все они представляют собой продукты разрушения каменных пород, иногда с  примесью органических остатков и состоят  из отдельных частиц, между собою  вовсе не связанных, или связанных  очень слабо.

     Строителю приходится иметь с ними дело:

     - В качестве грунтов, на которых  возводится сооружение - в этом  случае важно знать сопротивление  грунта давлению, его степень  сжимаемости, степень проницаемости  водою и происходящие в нем  от подобных причин изменения;

     - В качестве материала для устройства  насыпей и выемок, при чем кроме  перечисленных свойств важно  знать величину угла естественного  откоса данного грунта;

     - В качестве веществ, употребляемых  как составные части при изготовлении  искусственных материалов - кирпича, бетона, растворов и пр.

     К гравийно-песчаным и песчаным относят  рыхлые или слабо сцементированные горные породы, состоящие из окатанных  в различной степени обломков горных пород и зерен минералов. Эти породы используют в качестве сырья для производства песка, гравия и щебня из гравия для строительных работ.

     К песку относят обломки пород  и зерна минералов размерами  свыше 0,05 до 5 мм, к гравию — свыше 5 до 70 мм,  к валунам — свыше 70 мм. Частицы размером до 0,05 мм считают пылевидными и глинистыми. Поддержанию песка, гравия и валунов выделяют (табл. 3.1) следующие типы пород.   

      Таблица 3.1

     Типы рыхлых пород

     Песчаные, песчано-гравийные и песчано-гравийно-валунные породы оценивают следующими общими показателями: содержанием песка, гравия и валунов; петрографической характеристикой, включающей наименование породы в соответствии с табл. 1.14, генетическую принадлежность, данные о наличии или отсутствии прослоев глинистых и других засоряющих пород, радиационно-гигие-ническую оценку. Кроме этих основных показателей, для оценки гравийно-песчаных и песчаных пород применяют дополнительные (объемную насыпную массу, коэффициент разрыхления, естественную влажность), а также технологические показатели (выход щебня при дроблении гравия, промывистость, обогатимость песка и др.). 
 

     3.2. Песок, его характеристика, свойства и применение 

     Песок представляет смесь зерен распавшейся  от выветривания горной породы; так, например, при выветривании гранита образуется первоначально песок, содержащий зерна кварца, листочки слюды, глинистые частицы (получившиеся при распадении полевых шпатов), а также и не успевшие разрушиться гранитные зерна, состоящие из нескольких минералов.

     Вода, перенося песок с возвышенностей на низменные места, округляет все  эти зерна трением друг о друга  и отмывает их, унося с собой  наиболее мелкие частицы - глину. Таким  образом, там, где скорость течения  воды сразу замедляется, образуются отложения зерен, более или менее отсортированных водою по их величине и удельному весу, а, следовательно, и более разнородных.

     Камень, искусственно разбитый на мелкие куски, называется щебнем. ⁷

     По  конфигурации (форме песчинок) и  по местонахождению различают: пески делятся:

     - Горный песок - находимый на  месте своего первоначального  образования и не обработанный  текущей водою, вследствие чего  песчинки с шероховатой поверхностью, неровны по величине, остро ребристые,  с угловатыми зернами и между  ними попадаются более крупные, не распавшиеся куски коренной породы (дресва);

     - Грунтовый, погребной или овражный  песок отличается от предыдущего  только тем, что его отложения  бывают, покрыты позднейшими наносными  слоями и поэтому в нем иногда  содержатся землистые примеси. Оба эти песка ценятся за угловатую форму зерен, обусловливающую хорошее сцепление их в строительных растворах, но часто встречающиеся в таких, недостаточно промытых водою, песках примеси глины и, в особенности, растительной земли весьма понижают их достоинство.

     - Речной песок, наоборот, обыкновенно  довольно чист (если не содержит  ила или случайных примесей, кусочков  древесной коры, гнилушек), но зерна  его округленные. 

     - Морской песок также с округленными  зернами, обычно мельче речного  и, кроме того, содержит соли, входящие в состав морской воды.

     - Ещё песок может быть, озёрными, флювиогляциальными и эоловыми.

     По  минералогическому составу чаще всего встречаются пески (горная порода) кварцевые, глауконито-кварцевые, полевошпатово-кварцевые (см. Аркозы), слюдистые и другие..

     Кварцевый песок - считается лучшим SiO2.

     Один  из самых распространенных породообразующих минералов.

     По  структуре - каркасный силикат.

     Кристаллические модификации: гексагональная (устойчив выше 573°C) и тригональная (устойчив ниже 573 °С) модификации.

     Часты двойники, образует зерна, зернистые  кристаллы, агрегаты и сплошные массы.

     Цвет  разнообразный:

     бесцветный  кварц - горный хрусталь, фиолетовый кварц - аметист, дымчатый кварц - раухтопаз, черный кварц - морион, золотистый кварц - цитрин.

     Твердость 7; плотность 2,65 г/см3. Пьезоэлектрик.

     Кварцевые пески и кварциты используются в  керамической и стекольной промышленности; монокристаллы кварца - в оптическом приборостроении и как пьезоэлектрический материал; окрашенные разновидности кварца - в ювелирном деле.

     Полевые шпаты, группа самых распространенных породообразующих минералов подкласса  каркасных силикатов; около 50% массы  земной коры. Изоморфные смеси алюмосиликатов K, Na, Ca, Ba.

     Цвет  песков - белый, розовый, серый и другие.

     Твердость 6-6,5; плотность 2,6-2,8 г/см3.

     Различают полевые шпаты: кальциево-натриевые - плагиоклазы; щелочные (калиево-натриевые) - ортоклаз, микроклин, санидин; калиево-бариевые и др.

     Применяются в керамической, фарфоровой, стеклянной, цементной промышленности; как поделочные камни.

     Алеврит (от греческого слова aleuron - мука), рыхлая осадочная горная порода, по составу  промежуточная между песчаными  и глинистыми породами, размер основной массы зерен 0,01-0,1мм; сцементированный алеврит называется алевролитом.

     Свойства  песка (горная порода)

     Теоретически  лучшим свойствами для растворов  обладает чистый кварцевый песок

     Вообще  же хороший песок для приготовления  растворов, бетона и т. п. должен иметь:

     - по возможности не слишком  отшлифованные зерна; 

     - удельный вес - по возможности  близкий к норме;