Гранулометрический состав

Гранулометрический состав - это показатель, характеризующий процентное содержание в породе частиц различного размера.

От размера частиц и степени их сортировки зависят такие важные гидрогеологические свойства пород, как пористость и проницаемость. Существует целый ряд классификаций обломочных горных пород по крупности слагающих их обломков. Для определения гранулометрического состава пород, грунтов и почв в лабораториях производят специальные гранулометрические (механические) анализы. Существует целый ряд методов такого анализа - пипеточный, Аттенберга, Рутковского, ситовой. Анализы, проводимые с помощью воды, основываются на зависимости Стокса:

где V - скорость выпадения частицы, g - ускорение силы тяжести,. Y- плотность частиц, Yр - плотность воды, n - вязкость воды, r - радиус частицы.

Результаты анализов сводят в таблицы, для наглядности строят графики и различные диаграммы.

По результатам анализов дают точное название пород или грунтов: песок, супесь, суглинок, глина и т.д.

Знание гранулометрического состава грунтов совершенно необходимо для решения целого ряда практических задач, таких как установление возможности вымываемости грунта,

возможности использования грунтов для насыпей, фильтров скважин и др.

Пористость

Пористость - это наличие в породе пустот, которые при ответствующих благоприятных условиях могут быть заполнены жидкими и газообразными флюидами и, в частности, водой. Пористость может быть обусловлена, во-первых, неплотным прилеганием минеральных частиц друг к другу и, во-вторых, трещинами, имеющимися в породе.

Пористость определяется как отношение объема пор к объему всей породы, выраженная в процентах. Она выражается формулой где пористость, %; Vn - объем пор, V- объем породы.

Кроме показателя пористости пород в механике грунтов используется коэффициент пористости, или так называемая приведенная пористость. Коэффициент пористости представляет собой отношение объема пор к объему скелета породы и обозначается буквой ^. Единицы пористости п и коэффициент пористости связаны между собой следующими отношениями:

От чего зависит пористость рыхлых пород? От размера и формы частиц, от степени неоднородности ее механического (гранулометрического) состава, т.е. от степени отсортированности породы. Большое значение имеет взаимное расположение частиц. В результате естественного или искусственного уплотнения пород пористость уменьшается.

Пористость пород колеблется в широких пределах - от единиц до нескольких десятков процентов. У крупнозернистых пород значение пористости меньше, чем у тонких. Например, глины состоят из мелких частиц, но поры крупнее этих частиц, поэтому их суммарный объем большой и, следовательно, пористость глин большая.

Водопроницаемость

Водопроницаемость - это способность пород пропускать сквозь себя воду. Проницаемость обусловлена наличием в породе пор, но пористость и проницаемость - разные особенности пород. Порода может быть сильно пористой, но в тоже время слабопроницаемой. Так, у глин пористость достигает 50-60 % а проницаемость часто практически равна нулю, поэтому чистые глины являются хорошим водоупором. Таким образом чем больше сечение пор, тем больше водопроницаемость. Поэтому такие породы, как галечники, гравий, песок обладают хорошей проницаемостью.

Бывают породы полупроницаемые или слабо проницаемые. К ним относятся суглинки, лесс, глинистые пески, мергели и другие.

Капиллярность

Капиллярность, или капиллярная пористость - это пористость, обусловленная наличием в породе очень мелких капиллярных пор диаметром 0,5-1 мм в зернистых породах или очень тонких волосных трещин диаметром 0,25 мм в крепких скальных породах. В глинистых породах поры представлены субкапиллярами диаметром 0,001 мм.

Капиллярность в породах проявляется под действием сил поверхностного натяжения. В результате действия этих сил в породах над уровнем грунтовых вод образуется капиллярная кайма.

Показателем капиллярности является высота и скорость подъема воды в капиллярных породах. Эти показатели зависят от гранулометрического состава, степени сортировки частиц, от их формы, а также температуры и минерализации воды. С повышением температуры высота капиллярного подъема уменьшается, а с увеличением минерализации воды - увеличивается.

По данным некоторых исследователей капиллярная вода может подниматься до 2-3 м. В почве вода по капиллярам поднимается сначала со скоростью 1-2 см/с, затем движение замедляется. Для того чтобы подняться до высоты 1 м, требуется 2-3 месяца.

Влагоемкость

Влагоемкость - это способность горных пород вмещать и удерживать в своих пустотах определенное количество воды. Влагоёмкость выражается отношением массы влаги к массе сухой породы или отношением объема воды в порах к общему объему породы.

Различают следующие виды влагоемкости: полная, или наибольшая (ПВ), т.е. наибольшее количество влаги, которое может содержаться в породе при заполнении водой всех пустот; капиллярная (КВ) - определяется наибольшим количеством капиллярно-подпертой влаги; наименьшая (НВ) - это то количество воды, которое может удерживаться в породе в подвешенном состоянии, т.е. не стекая из породы; пленочная, или максимальная молекулярная (ММВ) - это наибольшее количество воды, которое удерживается в породе силами молекулярного притяжения;

5. Максимальная гигроскопичность (МГ) - определяется наибольшим количеством влаги, которое порода может сорбировать из воздуха, насыщенного водяными парами.

По степени влагоемкости все породы делятся на очень влагоемкие (глины, торф, суглинки), слабо влагоемкие (супеси, лессовидные породы, мелкие пески и др.) и практически невлагоемкие (галечник, гравий, крупнозернистые пески и др.).

Водоотдача

Водоотдача - это способность породы, насыщенной водой, отдавать свободную воду путем отекания.

Для измерения ее пользуются коэффициентом водоотдачи, который представляет собой отношение объема стекшей воды, ранее заполнявшей пустоты, к объему всей породы и обозначается через ц:

где Vв - объем стекшей воды.

Наибольшей водоотдачей обладают крупнопористые породы - гравий, галечник, крупнозернистый песок.

Кроме коэффициента водоотдачи часто используют так называемый коэффициент недостатка насыщения. Он представляет собой разность между полной влагоемкостью и естественной влажностью породы перед началом инфильтрации и выражается в долях единицы объема.

Примерные значения водоотдачи различных пород следующие: песков гравелистых и крупнозернистых - 0,25-0,35, среднезернистых - 0,20-0,25, мелкозернистых - 0,15-0,20, тонкозернистых песков и супесей - 0,10-0,15. суглинков - меньше 0,1, глин - близка к нулю.

Вопросы для самоконтроля:

1. Определение науки гидрогеология.

2. Разделы дисциплины гидрогеологии.

3. Основные гидрогеологические свойства горных пород.

Рекомендуемая литература

1. Н.В. Короновский, Н.А. Ясаманов. Геология: Учебник для вузов. – М.: Издательский центр «Академия», 2003 г.:

2. Суворов А.К. Геология с основами гидрогеологии. (Учебники и учебные пособия для студентов высших учебных заведений) – М.: Колос, 2007. – 207 с: ил.

Лекция 7