Механічна, фізична та хімічна стійкість гірських порід

Міцність порід визначає їхню механічну та фізичну стійкість.

Механічна стійкість порід

Механічна стійкість – це здатність порід протистояти механічним впливам: розтягуванню, стисненню, здвигу, вигину. Ця властивість порід дуже важлива в геоморфологічних дослідженнях, оскільки від опору порід здвигам безпосередньо залежить їхня піддатливість екзогенним процесам: зсувам, обвалам, осипам, масовому зміщенню чохла пухкого матеріалу, а також стійкість відкосів.

Скельні породи досить міцні щодо механічних впливів, проте ураженість їх тріщинами значно послаблює цю стійкість. В уламкових породах опір здвигам залежить від щільності, розмірів і форми частинок, сили зчеплення між ними, вологості. Що більша щільність і зчеплення між частинками, то більший їхній опір механічним впливам. Ця сила може бути зменшена після порушення суцільності породи та збільшенні кута природного відкосу. У глинистих породах опір механічним впливам залежить від фізичних і хімічних зв’язків. Опір зменшується зі збільшенням вологості та зміною природної структури глин. Цим пояснюється висока рухомість глин після їхнього зволоження і набухання з утворенням зсувів, соліфлюкційних процесів навіть на пологих і покатих схилах.

Здатність порід протистояти механічним впливам визначають за допомогою експериментальних досліджень. Проводять лабораторні польові експерименти. В польових умовах роботи виконують на спеціально підготовлених дослідних ділянках: у штольнях, шахтах, камерах, траншеях; площа, на яку діють, становить 1-4 м². Для лабораторних досліджень беруть моноліт породи (в середньому розміром 10×10×10 см, за іншими даними – діаметром 40-50 мм). Глинисті породи, щоб уберегти від втрати вологості, поміщають у бокси. Зразок розміщують у центрі опорної плити випробувальної машини (преса) між плитами-прокладками або між клинами і тиснуть на неї протягом певного часу аж до руйнування. Розтягування проводять у розривних машинах з різними захоплювальними пристроями [13]. При вертикальних рухах встановлюють опір породи стисненню, розтягуванню і вигину, а при горизонтальних – опір здвигу. Значення сили вимірюють динамометром. Після руйнування породи підраховують кількість шматків, на які вона розкололась, або кількість розривів. Порівнюють з існуючими даними і визначають міцність.

Міцність порід під час розтягування у багато разів менша, ніж при стисненні. Міцність вапняків на стиск становить 50-180 МПа, пісковиків – 15-20 МПа. Міцність вапняків зменшується зі збільшенням у них глинистих частинок. Пісковики з вапняним цементом мають найменшу міцність на стиск. Зі збільшенням щільності порід їхня міцність на стиск зростає. Міцність вапняків і пісковиків після насичення водою зменшується на 20-45% [6].

Фізична стійкість порід

Фізична стійкість порід – це здатність протистояти температурним впливам. Вона найбільше виявляється на ділянках з різкою різницею температур дня і ночі. У підсумку розмір мінеральних зерен збільшується, нагріваючись вдень, і зменшується, охолоджуючись вночі. Залежно від фізичних властивостей одні породи розширюються більше, інші менше. Це зумовлює ослаблення сил зчеплення між окремими мінеральними зернами. Тріщини, які виникають, сприяють розтріскуванню та розламуванню порід на окремі уламки і брили. Руйнуванню гірських порід сприяє наявна в їхніх порах вода, а також коріння рослин і дія тварини. Особливо важлива вода. Замерзаючи об’єм збільшується, вона розсовує частинки породи, сприяючи появі тріщин і поступово розпушуючи породи. Цей процес називають морозним вивітрюванням.

На інтенсивність процесів фізичного вивітрювання суттєво впливають такі властивості гірських порід: теплоємність і теплопровідність. Отож, що менша теплопровідність, то більші температурні відмінності виникають на сусідніх ділянках породи під час нагрівання і охолодження, а внаслідок цього великі внутрішні напруження, які й сприяють її швидшому руйнуванню.

Фізичну стійкість порід визначають за допомогою експериментальних досліджень, а ступінь теплоємності та теплопровідності – геофізичними методами (терморозвідка). У полі вивчають породи не змінені вивітрюванням і вивітрілі. Звертають увагу на ті ознаки, які характеризують підданість порід температурним впливам: міцність зв’язків між окремими частинками, однорідність чи різнорідність порід, тріщинуватість, колір. У вивітрілих породах вивчають кору вивітрювання, характер кінцевих продуктів розпаду матеріалу, тріщини вивітрювання та блоки порід між тріщинами, характер змін породи. Важливо також з’ясувати особливості форм та елементів рельєфу, в яких наявні мікрогорбкуватості, пониження, ніші, карнизи, зубчасті перегини, що засвідчує ступінь вивітрілості порід, якими вони складені.

Хімічна стійкість порід

Хімічна стійкість порід – це здатність порід протистояти розчиненню й хімічному перетворенню. Відбувається хімічне вивітрювання – зміна первинного хімічного складу гірських порід під впливом кисню у повітрі, вуглекислоти, води та, особливо, газів і солей, розчинених у ній. Найінтенсивніше воно виявляється в умовах вологого та теплого клімату. Головні хімічні реакції, які відбуваються під час вивітрювання – окислення, гідратація, розчинення та гідроліз.

На підставі окислення можуть утворюватися нові мінерали. Тобто, пірит (FeS₂) і сидерит (FeCО₃) переходять у гематит, якщо до них приєднується вода, то утворюється лимоніт або бурий залізняк. Розчинення та гідроліз відбуваються при спільному впливі води, вуглекислоти й органічних кислот. Розчинення особливо інтенсивно виявляється в карбонатних породах. До легкоабо досить легкорозчинних порід зачисляють кам’яну сіль, гіпс, вапняки, доломіт. Гідроліз супроводжується гідратацією і полягає в розкладанні мінералів групи силікатів і алюмосилікатів з частковим виносом утворених продуктів. Він призводить до утворення каолініту й інших мінеральних сполук [5].

Для геоморфологічних досліджень важливе значення має вивчення ступеня розчинності порід. У місцях широкого розвитку розчинних порід розвиваються карстові процеси, формуються особливі форми рельєфу: лійки, западини, сліпі долини, печери тощо.

Для визначення ступеня розчинності порід у лабораторних умовах виконують дослідження їхнього хімічного складу (вміст у зразках оксидів кальцію CaO і магнію MgO, діоксиду кремнію SiO₂, оксидів алюмінію та заліза Al₂O₃+Fe₂O₃, сірки S, фосфору P). Визначають також хімічний склад підземних вод, наявність у них вуглекислого газу, розчиненого кисню, сірчаної кислоти, різних органічних кислот, які зумовлюють агресивність вод і цим посилюють розчинність порід [13].