Байрак Г.
Методи геоморфологічних досліджень

Дослідження головних властивостей порід. Зв'язність і міцність

У літологічних дослідженнях з геоморфологічною метою з’ясовують ті властивості порід, які пов’язані з їхньою стійкістю до вивітрювання та денудації, піддатливі до різних процесів деструкції та екзогенних впливів.

Фізико-механічні властивості гірських порід поєднують фізичні та механічні властивості, які впливають на процес їхнього руйнування. Фізичні властивості порід характеризують їхній фізичний стан. Сюди належать: ступінь зв’язності, пористість, щільність, питома вага, структура, текстура, зернистість. Механічні властивості порід – це різновид фізичних властивостей, які виявляються лише під дією механічних сил. Вони виражаються у здатності гірських порід чинити опір деформуванню та руйнуванню. Сюди зачисляють: міцність, динамічну міцність, твердість, пружність, крихкість, пластичність, абразивність тощо.

Гірські породи за ступенем зв’язності

За ступенем зв’язності гірські породи поділяють на чотири групи:

  • скельні,
  • зв’язні,
  • пухкі (сипучі) та
  • пливучі.

Скельні породи наявні між мінеральними частинками значних іонних і молекулярних сил зчеплення, які після руйнування породи не відновлюються ні за високого тиску, ні за зволоження. При інтенсивному вивітрюванні міцні скельні породи перетворюються в щебінь і наноси. Виділяють скельні породи, які містять вільний кварц і безкварцеві. Кварцова група характеризується більшою твердістю й абразивністю.

Зв’язні породи відрізняються тим, що сили зчеплення між частинками цих порід можуть сильно змінюватися залежно від вологості та відновлюватися після порушення зв’язності шляхом застосування високого тиску і зволоження. Ці породи дають великі залишкові деформації без порушення зв’язності. Деякі з них збільшуються в об’ємі за зволоження (глинисті породи, крейда).

Пухкі (сипучі) породи – це скупчення незв’язаних між собою часток різної форми і розмірів (піски, гравій, галька, валуни тощо). Нестійкі та схильні до обвалів, зсувів.

Пливучі породи складаються з частинок дуже малих розмірів і повністю насичені водою (пливуни, болотистий ґрунт, розріджений лес) [42].

Різні генетичні групи гірських порід по-різному реагують на вплив зовнішніх сил. Осадові гірські породи досить стійкі до вивітрювання, але значно податливі до руйнівної роботи текучих вод і вітру (лес, піски, суглинки, мергелі, галечники і т.д.). Магматичні та метаморфічні породи слабко піддатливі розмиву текучими водами, але порівняно легко руйнуються під впливом процесів вивітрювання. Пояснюється це тим, що ці породи утворилися в глибинах Землі з певною термодинамічною обстановкою і за певного співвідношення хімічних елементів. Опинившись на поверхні, вони потрапляють в нові умови, стають нестійкими і під впливом різних процесів (окислення, гідратації, розчинення, гідролізу тощо) починають руйнуватися. Інтенсивність руйнування визначається фізико-хімічними властивостями порід і конкретними фізико-географічними умовами, оскільки в різних природних зонах характер процесів вивітрювання та знесення продуктів вивітрювання має свої специфічні особливості.

Міцність гірських порід

Властивості порід, які визначають їхню піддатливість різним екзогенним процесам, такі:

  • міцність,
  • фізико-механічна та хімічна стійкість,
  • тріщинуватість,
  • пористість,
  • твердість,
  • вологість,
  • вологоємність,
  • водопроникність,
  • щільність,
  • карбонатність,
  • просадковість,
  • пластичність,
  • в’язкість та ін.

Для геоморфологічних завдань важливою характеристикою порід є їхня міцність. Міцністю називається здатність порід чинити опір руйнуванню під час стискування, сколювання, розтягання та інших видах деформацій.

Міцність залежить від петрографічного (мінералогічного) складу. Переважання тих чи інших мінералів суттєво впливає на міцність порід. Із породотвірних мінералів найміцніші – кварц, польовий шпат, олівін, піроксени, амфіболи. Наявність у породі цих мінералів збільшує межу її міцності. І навпаки, якщо в породі наявні кальцит, слюда, то це зменшує її міцність [34].

На міцність порід впливає також характер цементаційних зв’язків. Він визначається складом і властивостями цементуючої речовини, типом цементації і характером зв’язків між уламковим матеріалом і цементуючою речовиною. Найміцніші породи з кременистою та залізистою цементацією, найменш міцні – з глинистою та гіпсовою. В тонкодисперсних породах контакти мінеральних зерен сформовані у вигляді водно-колоїдних плівок. Їхні зв’язки відбуваються через сорбційні властивості води. Тому міцність цих порід на декілька порядків нижча, ніж у кристалізаційних і цементаційних зв’язків.

Гірські породи володіють тим більшою міцністю, чим твердіші мінеральні зерна, чим міцніший зв’язок між мінеральними зернами, чим щільніше вони пов’язані цементом і чим більшою твердістю володіє цемент. Дрібнозернисті породи міцніші від крупнозернистих (за такого самого мінералогічного складу). Щільніші, менш пористі і менш тріщинуваті породи володіють великою міцністю. Породи, які виходять на денну поверхню, вивітрюються і мають меншу механічну міцність, ніж поховані.

Вперше класифікацію гірських порід за міцністю виконав М.М. Протодияконов у 1925 р. За одиницю міцності прийняли породу, яка руйнується під навантаженням 10 МПа. За цією класифікацією всі гірські породи поділені на десять категорій.

  1. Надзвичайно міцні породи (20 МПа і більше): кварцити та базальти.
  2. Дуже міцні породи (15 МПа): граніт, кварцовий порфір, крем’янистий сланець, менш міцні, ніж зазначені вище, кварцити, найміцніші пісковики та вапняки.
  3. Міцні породи (10 МПа): граніт (щільний) і гранітні породи. Дуже міцні пісковики та вапняки, кварцові рудні жили, міцний конгломерат, залізняк.
    1. Міцні породи (8 МПа): вапняки (міцні), неміцний граніт, міцні пісковики, мармур, доломіт, колчедани.
  4. Досить міцні породи (6 МПа): звичайний пісковик, залізняк.
    1. Досить міцні породи (5 МПа): піскуваті сланці, сланцюваті пісковики.
  5. Середні породи (4 МПа): міцний глинистий сланець, неміцний пісковик і вапняк, м’який конгломерат.
    1. Середні породи (3 МПа): різноманітні сланці (неміцні), щільний мергель.
  6. Досить м’які породи (2 МПа): м’який сланець, вапняк, крейда, кам’яна сіль, гіпс, мерзлий ґрунт, антрацит, звичайний мергель, зруйнований пісковик, зцементована галька та кам’янистий ґрунт.
    1. Досить м’які породи (1,5 МПа): щебенистий ґрунт, зруйнований сланець, галька, що злежалася, та щебінь, міцне кам’яне вугілля, отверділа глина.
  7. М’які породи (1,0 МПа): глина (щільна), середнє кам’яне вугілля, міцний нанос – глинистий ґрунт.
    1. М’які породи (0,8 МПа): легка піскувата глина, лес, гравій, м’яке вугілля.
  8. Землисті породи (0,6 МПа): рослинна земля, торф, легкий суглинок, сирий пісок.
  9. Сипучі породи (0,5 МПа): пісок, осипи, дрібний гравій, насипна земля.
  10. Пливучі породи (0,3 МПа і менше): пливуни, болотистий ґрунт, розріджений лес та інші розріджені ґрунти [42].

Цю класифікацію використовують для багатьох розрахунків, зокрема, під час проектування будівництва споруд і прокладання інженерних комунікацій, закладання гірничих шахт і буріння свердловин. Під час геоморфологічних досліджень її використовують для визначення піддатливості порід дії різним екзогенним чинникам.

У польових умовах міцність порід визначають так:

  • дуже міцна порода (понад 100 МПа): треба більше одного удару геологічного молотка, щоб відколоти зразок;
  • міцна (50-100 МПа): зразок можна розбити одним ударом молотка;
  • середньої міцності (12,5-50): після удару гострим кінцем молотка утворюються 5-міліметрові зазубрини;
  • середньої м’якості (5,0-12,5): не піддається розламуванню рукою на шматки тривісної розмірності;
  • м’яка (1,25-5,0): матеріал кришиться під ударами гострого кінця молотка;
  • дуже м’яка, ґрунт (0,6-1,25): крихка або міцна на розрив, важко розламується руками;
  • дуже пластична (0,3-0,6): на поверхні можна залишити штрихи, провівши нігтем;
  • пластична (0,15-0,3): не піддається розпушуванню пальцями;
  • твердий ґрунт (0,08-0,15): розпушується пальцями з дуже великим зусиллям;
  • м’який ґрунт (0,04-0,08): легко вспушується пальцями [7]. 
Скачати повну версію книжки (з малюнками, картами, схемами і таблицями) одним файлом