1. Тема лекции № 2
Основные свойства горных пород (грунтов)
Образцы грунтов
минералы
минералы
Адрес: 460018, г. Оренбург, пр. Победы, 13, ОГУ
Исполнитель: Ломачевская Е. Д., доцент кафедры геологии

2. 2
План

3. 3
Основные определения

4. 4
Классификация грунтов (ГОСТ 25100-95)

5. 5
Отбор монолитов грунта
Таблица 2.1. Минимальные размеры монолитов грунта, отбираемых из
буровых скважин
Минимальная Минимальный Размер нарушенной
Грунты высота монолита, диаметр монолита, периферийной
мм мм зоны, мм
Скальные 60-70 40 3
Крупнообломочные - 200 20
Пески: 100 90 10
плотные; рыхлые
Глинистые:
твердые; 150 90 10
полутвердые;
Глинистые:
тугопластичные; 150 100 10
пластичные;
мягкопластичные;

6. 6
Показатели физико-механических свойств грунтов
Цифровые характеристики или показатели свойств горных пород определяются
на образцах грунтов в их естественном состоянии, так называемых монолитах.
Физические свойства грунтов
Характеристики Обозначения Определения Формула
1.1. ρ это отношение массы грунта g
Плотность (включая массу воды в его порах) ρ= , (2.1)
к занимаемому этим грунтом объему V
Получим составляющие массы и объема образца грунта: g =g п +g s , (2.2)
V =Vп +Vs , (2.3)
Условные обозначения:
где ρ – плотность породы при естественной влажности, г/см3;
g – масса образца грунта при естественной влажности, г;
V – объем, занимаемый этим грунтом (включая объем пор), см3.
gп, g s – масса пор породы с воздухом и с пластовой водой и абсолютно сухая масса
грунта, соответственно, г;
Vп, Vs – объем не сообщающихся пустот грунта, заполненный воздухом и пластовой водой
и объем минеральной части грунта, соответственно, см3.

7. 7
Показатели физико-механических свойств грунтов
Характеристики Обозначения Определения Формула
1.2. ρd это отношение массы сухого gs (2.4)
Плотность грунта к объему, занимаемому ρd = .
V
скелета этим грунтом (включая объем пор)
породы
1.3. ρs это отношение массы сухого gs (2.5)
Плотность грунта к объему его твердой части ρ =
s .
Vs
минеральной
части породы
2.1. W, это отношение массы воды, gп (2.6)
Влажность Wест содержащейся в грунте, к массе W = ⋅100%.
gs
сухого грунта или – процентное
содержание воды в породе
Если влажность определена по естественным образцам породы - она называется
естественной.
2.2. ρd показатель плотности скелета ρ
Показатель породы можно выразить косвенно ρd = .
(1 + 0,01 ⋅W )
плотности через показатели плотности и
скелета влажности породы (2.7)
породы

8. 8
Показатели физико-механических свойств грунтов
Характеристики Обозначения Определения Формула
2.3. WТ это граница текучести грунта, Интервал влажности –
Верхний которая соответствует его это разность между
предел влажности, при которой грунт WТ и Wр,
пластичности переходит из пластичного которая называется
состояния в текучее числом
пластичности
2.4. WР это граница раскатывания грунта грунта Ip,
Нижний соответствует его влажности, доли единиц или %:
предел при которой грунт переходит из
пластичности пластичного состояния в (2.8)
Ip = WT −WP .
полутвердое
Число пластичности в значительной мере характеризует степень глинистости
породы. Если число пластичности > 17 %, - это глина; при 7÷17 % – суглинок; при 1÷7 %
порода слабо-пластичная – супесь.
2.5. В(Ip) Если «W>Wт», то глинистая W −W р
Консистенции порода после нарушения Β( Ip ) = .
WТ - Wр
грунта естественного сложения - текучая,
если «Wр<W<Wт» – пластичная, (2.9)
если «W<Wр» – твердая

9. 9
Показатели физико-механических свойств грунтов
Характеристики Обозначения Определения Формула
3.1. n это отношение объема всех (2.10)
V
Пористость мелких и не сообщающихся n= n.
пустот в данном образце породы V
ко всему объему образа (%).
Выражение пористости породы ρ d (2.11)
получают через показатели n =1− .
ρs
плотности скелета породы и ее
минеральной части
3.2. ε это отношение объема пор к Vn n
Коэффициент объему твердой части грунта ε= = .
пористости (доли ед.) Vs 1 −n
(2.12)
ВЫВОД:
Коэффициент пористости песчаных и глинистых пород – это одна из основных
характеристик, используемых при расчетах осадок сооружений (лабораторный
практикум).

10. 10
Показатели физико-механических свойств грунтов
Водные свойства грунтов
Важнейшими свойствами всех грунтов, определяющими их отношение к воде, является
влагоемкость, водопроницаемость, капиллярность, и для глинистых грунтов –
липкость, размокание, набухание и усадка (см.лабораторный практикум).
.
Характеристики Обозначения Определения
4.1. Wmaх это влажность грунта, выраженная в долях единиц, при
Полная полном заполнении его пор водой
влагоемкость
4.2. Wm это способность грунта удерживать в себе пленочную
Максимальная или гигроскопическую воду, тесно связанную с
молекулярная частицами грунта.
влагоемкость Она остается в грунте, если его прессовать в течение 10
(Wm) минут под давлением 6,4 МПа.
По разности полной и максимальной молекулярной
влагоемкости находят количество воды, которое может
отдать грунт при дренировании. У песков эта разница
называется водоотдачей и должна учитываться при
расчетах добычи подземных вод.

11. 11
Показатели физико-механических свойств грунтов
Характеристики Обозначения Определения
4.3. Кф характеристикой водопроницаемости грунта
Водо- является коэффициент фильтрации (Кф), т.е. скорость
проницаемость прохождения воды через грунт при градиенте напора
равном единице.
Коэффициент фильтрации выражают в см/сек; м/сут.
4.4. - это способность водонасыщенных дисперсных пород
Плывунность приобретать текучее состояние при обнажении их
горными выработками.
Плывунные свойства присущи водонасыщенным
пескам и проявляются обычно при динамическом
воздействии на породы, вскрытые в ходе горных
работ.
4.5. Wк это способность грунта заполнять только капиллярные
Капиллярная поры в результате поднятия капиллярной воды снизу,
влагоемкость от свободного уровня воды.
Полная и капиллярная влагоемкости для одного и того
же вида грунта могут значительно изменяться в
зависимости от его плотности, характера сложения и
структуры.

12. 12
Показатели физико-механических свойств грунтов
Механические свойства грунтов
Их выражают и оценивают деформационными (сжимаемостью) и
прочностными (сопротивлением сдвигу) показателями
(см. лабораторный практикум).

13. 13
Показатели физико-механических свойств грунтов
•Сжимаемость грунтов изучается на образцах ненарушенной
структуры и природной влажности.
•Испытания на сжимаемость проводятся как в полевых условиях, так и в
лабораторных.
•Результатом компрессионного испытания грунта является получение
показателей деформационных свойств грунта: коэффициента
сжимаемости (α); модуля общей деформации – Е0; модуля осадки; степени
консолидации (рисунок 2.1).
По результатам
Рисунок 2.1 – Схема компрессионных испытаний
компрессионного прибора: грунта строится график
1-образец породы
зависимости ε = f(σн),
2- пористые пластинки где ε, и σн – значения
3-арретиры коэффициента пористости
и нагрузки, соответственно.
•Эта зависимость весьма характерна и выражается обычно в виде
логарифмической кривой, которая называется компрессионной кривой.
Она изображается в прямоугольных координатах (рисунок 2.2).

14. 14
Показатели физико-механических свойств грунтов
Условные обозначения:
tgα или α – коэффициент сжимаемости
(угловой коэффициент), 1/(кгс/см2); или 1/МПа;
1/Па; S1 – необратимая деформация; S2 –
обратимая деформация;
Точка М1 – соответствует естественному
давлению σ1;
Точка М2 – соответствует конечному
давлению σ2;
А – это результат продолжения прямой М1М2
до пересечения с осью ординат.
(ε 1 - ε 2 ) ∆ε
tga = = .
(σ 2 − σ 1 ) ∆σ (2.13)
Рисунок 2.2 – График компрессионных испытаний грунтов
В уравнении 2.13, параметры: ε1, ε2, σ1, σ2 – переменные значения коэффициента
пористости и нагрузки, доли единиц и Па, соответственно.
Чем больше коэффициент сжимаемости (α), тем слабее порода, т.к. она более податлива,
сильнее уплотняется в пределах заданного интервала давлений.

15. 15
Показатели физико-механических свойств грунтов
Прочностные свойства грунтов. Потеря прочности наступает тогда,
когда порода претерпевает внешние усилия выше допустимых.
Под сопротивлением грунтов сдвигу понимают наименьшее
касательное напряжение (τ), при котором грунт, находящийся под нормальным
давлением (σн ), срезается. Сопротивление грунтов сдвигу определяется
силами внутреннего трения (tgφ) и силами сцепления (С) между частицами
грунта (рисунок 2.3).
Сопротивление грунта сдвигу определяется по формуле Кулона:
τ = σ ⋅ tgϕ + C. (2.14) где τ, – сопротивление сдвигу, кгс/см2 или Па;
МПа;
σ – нормальное удельное напряжение, кгс/см2
или Па; МПа;
tgφ – коэффициент внутреннего трения, доли
единиц;
φ – угол внутреннего трения, градусы;
С – удельное сцепление, кгс/см2 или Па; МПа;
ψ — угол сдвига (ψ1, ψ2, ψ3).
Рисунок 2.3 – Графическая зависимость сдвигающего усилия глинистых
грунтов от нормальной нагрузки

16. 16
Список литературы
1. Ломачевская, Е. Д. Гидрогеология и инженерная геология [Электронный ресурс] : учеб.
пособие / Е. Д. Ломачевская; М-во образования и науки РФ, Гос. образов. учреждение высш. проф.
образования "ОГУ". - Электрон. текстовые дан. (1 файл: 3,91 МБ). - Оренбург : ГОУ ОГУ, 2009.
-Adobe Acrobat Reader 5.0.
2.Ломачевская, Е. Д. Гидрогеология и инженерная геология [Электронный ресурс] :
лабораторный практикум / Е. Д. Ломачевская; М-во образования и науки РФ, Гос. образов.
учреждение высш. проф. образования "ОГУ". - Электрон. текстовые дан. (1 файл: 1,56 МБ). -
Оренбург : ГОУ ОГУ, 2009. -Adobe Acrobat Reader 5.0.
3. Ломтадзе В.Д. Физико-механические свойства горных пород. Методы лабораторных
исследований: учебное пособие для вузов.– 2-е изд., перераб. и дополн. – Л.: Недра, 1990. – 328 с:
ил.
4.Ломтадзе В.Д. Инженерная геология. Инженерная петрология: учебник для вузов. – 2-е изд.,
перераб. и дополн. – Л.: Недра, 1984. – 511 с: ил.
5.Сергеев Е.М. Методическое пособие по инженерно-геологическому изучению горных пород.
Полевые методы: учебное пособие для вузов: в 2 т. Т.1. – 2-е изд., перераб. и дополн. – М.: Недра,
1984. – 423 с: ил.
6.Сергеев Е.М. Инженерная геология: учебник для вузов. – М.: Издательство МГУ, 1982 – 247
с: ил.
7.Маккавеев А.А. Словарь по гидрогеологии и инженерной геологии. – М: ВСЕГИНГЕО, 1961. –
186 с.

17. 17
Заключение
Для классификации горных пород и для оценки их поведения во взаимодействии с
сооружением необходимо иметь количественные (цифровые) характеристики, или
показатели, их свойств, которые получают путем изучения грунтов методами, излагаемыми в
специальных руководствах.
Большинство показателей определяются на образцах грунта как в полевых, так и в
лабораторных условиях (Слайд 16) (не менее 10÷15 определений) в их естественном
состоянии, так называемых монолитах (при естественной структуре, пористости и
влажности).
В природных условиях в грунтах всегда содержится вода, но ее количество, т.е.
влажность (W), может изменяться в широких пределах.
При уплотнении глинистой породы малой степени литификации, насыщенной водой,
определенное количество воды из нее выжимается вначале сравнительно быстро и легко,
соответственно и процесс уплотнения имеет свободный характер. При влажности породы,
равной максимальной молекулярной влагоемкости, скорость и характер ее уплотнения резко
изменяются, так как отжатие физически связанной воды сопряжено с затратой больших
усилий. Следовательно, влажность при максимальной молекулярной влагоемкости
отражает такое состояние глинистой породы, при котором резко изменяются ее свойства, ее
деформируемость. На основании многочисленных исследований можно утверждать, что
максимальная молекулярная влагоемкость — это один из важных показателей свойств
глинистых пород, служащий мерой изменения их качеств в процессе уменьшения влажности
при уплотнении. Для многих глинистых пород она близка влажности на пределе
пластичности.

18. 18
Заключение
Для оценки водоемкости песчаных пород необходимо знать их полную водоемкость,
максимальную молекулярную влагоемкость и водоотдачу. Показатели полной и
максимальной молекулярной влагоемкости в известной мере зависят от вещественного
состава пород и характеризуют их гидрофильность.
Водопроницаемость песчаных и других обломочных, а также глинистых пород (как и
любых других) зависит от их гранулометрического и минерального состава, его
однородности, состава обменных катионов, степени уплотненности, скважности и размера
пор, гидродинамических условий (действующий напор) и свойств воды (вязкость).
Водопроницаемость также влияет на изменение механических свойств (прочность,
деформируемость и др.), а также вызывают развитие различных процессов и явлений.
Водоустойчивость глинистых пород может быть охарактеризована скоростью и
характером размокания в воде, процентным содержанием легкорастворимых соединений и
их составом, значением, силой и влажностью набухания, влажностью усадки.
Механические свойства горных пород всецело обуславливаются всей совокупностью
их физических свойств и должны изучаться и оцениваться в комплексе с их физическими
свойствами и с учетом требований, предъявляемым к грунтам при проектировании и
строительстве конкретного объекта.
Закон уплотнения выражает зависимость между коэффициентом пористости и внешним
давлением и считается справедливым в определенных условиях для различных песчаных и
других обломочных и глинистых пород. Сопротивление сдвигу песчаных и глинистых пород
зависит главным образом от нормального уплотняющего давления. В этом проявляется
одна из характерных закономерностей механических свойств песчаных и глинистых пород.

19. 19
Контрольные вопросы для самопроверки
1. Методы определения плотности горных пород.
2.Поясните понятия «скважность» и «пористость» породы.
3.Какие показатели характеризуют пористость горных пород? Перечислите методы оценки
пористости пород.
4.Какие показатели характеризуют влажность горной породы?
5.Особые свойства глинистых пород.
6.Классификация видов воды в горных породах.
7.Какие свойства горных пород называются водными и почему?
8.Влажность и влагоемкость горных пород. Характерные виды влагоемкости.
9.Укажите пределы изменения степени водонасыщения породы.
10.Водоотдача и недостаток насыщения.
11.Показатели водоустойчивости глинистых пород.
12.Как оценивается водоустойчивость скальных и полускальных горных пород?
13.С чем связана способность глинистых пород набухать? Показатели, характеризующие это
явление. Усадка грунтов.
14.Дайте общие понятия о механических свойствах горных пород.
15.Какие показатели характеризуют прочность горных пород?
16.Какие показатели характеризуют деформационные свойства горных пород?

20. 20
Контрольные вопросы для самопроверки
17.Определение модуля деформации грунта по данным и полевых испытаний.
18.График зависимости изменения бокового давления горных пород от вертикальной нагрузки.
19.Компрессионная кривая и параметры, её характеризующие.
20.Порядок компрессионных испытаний горных пород.
21.Схема устройства компрессионно-фильтрационных приборов.
22.Определение коэффициента пористости горных пород при компрессионных испытаниях.
23.На основании каких данных можно судить о состоянии горных пород по результатам
компрессионных испытаний?
24.Перечислите основные характеристики деформируемости твердых горных пород.
25.Приведите примеры анизотропии механических свойств горных пород.
26.Определение модуля общей деформации песчаных и глинистых пород по данным
компрессионных испытаний.
27.Определение просадочности лёссовых пород по данным компрессионных испытаний.
28.Сжимаемость грунтов. Общие положения. Зависимость между нормальным давлением и
коэффициентом пористости грунта.
29.Лабораторные и полевые методы оценки сопротивления грунта сдвигу. Нормативные и
расчетные характеристики грунтов.
30.Методика определения прочности горных пород по временному сопротивлению
сжатию.Какими показателями пользуются для оценки плотности горных пород.