Fizyczna struktura górotworu

Materię budującą górotwór ocenić można w skalach rozmiarów:— ultramikroskopowa — skala atomu lub drobiny pierwiastka o rozmiarze 10^-10 m;— mikroskopowa — skala pojedynczego ziarna mineralnego o rozmiarze 10^-6-10^-1m;— mezoskopowa — skala próbki skalnej: laboratoryjnej o rozmiarze 10^-2-10^-1m; naturalnej o rozmiarze 10^-1-10¹ m;— makroskopowa — skala złoża skalnego o rozmiarze 10¹ - l0² m;— megaskopowa — skala masywu skalnego o rozmiarze l0² - l0⁴ m.

Elementy strukturalne górotworu

Atomy to najmniejsze elementy materii. Zbiór atomów posiadających te same własności chemiczne nazywany jest pierwiastkiem chemicznym. Obecnie znamy 111 pierwiastków chemicznych, z których 88 występuje w przyrodzie.

Minerały są to określone związki chemiczne stanowiące składniki skorupy ziemskiej. Podstawowe jednostki, z których zbudowane są ciała krystaliczne, mają kształt równoległościanów zwanych komórkami elementarnymi. Pojęcie minerału ograniczone jest do substancji chemicznych odpo­wiadających trzem warunkom, tj.:— powstających w sposób naturalny w skorupie ziemskiej;— posiadających ściśle określony skład chemiczny;— wykazujących ściśle określoną krystaliczną strukturę wewnętrzną. Naturalne, luźne lub lite zespoły minerałów powstałe w wyniku określonego procesu geologicznego nazywane są skałami.

Złoża skalne są to nagromadzenia kopaliny użytecznej powstałej w skorupie ziemskiej w wyniku różnych procesów geologicznych W zależności od genezy wyróżnia się: a) złoża egzogeniczne — powstałe pod wpływem procesów zachodzących na powierzchni Ziemi, głównie wietrzenia i sedymentacji;

b) złoża endogeniczne — powstałe w wyniku krystalizacji magmy i jej resztek ciekłych i gazowych oraz ich oddziaływania na skalne otoczenie;

c) złoża metamorficzne — powstałe z przeobrażenia złóż endogenicznych i egzogenicznych.

Masyw skalny jest zespołem różnych złóż skalnych, czyli określonym obszarem górotworu o objętości kilkaset do kilkudziesięciu tysięcy metrów sześciennych, w którym to obszarze zachodzą zjawiska fizyczne związane z działalnością górniczą.

Próbka skalna to element strukturalny wyodrębniony z górotworu w sposób sztuczny. Próbka skalna ma bowiem charakter subiektywny, wynikający z zamierzeń osoby pobierającej lub wyodrębniającej próbkę skalną z górotworu. Pobrane do badań laboratoryjnych próbki nie uwzględniają wpływu spękań jawnych, gdyż są najczęściej wycinane z partii calizny między istniejącymi szczelinami, które znacznie osłabiają jej wytrzymałość. preferuje się wyniki badań próbek skalnych w naturze (in situ). próbka skalna badana w laboratorium będąc kilkadziesiąt lub kilkaset razy mniejszą od próbki badanej wykazuje nieco inne własności od własności złoża czy masywu skalnego.

Cechy strukturalne górotworu Środowisko materialne będzie środowiskiem ciągłym, jeżeli dla dwóch bliskich jego punktów (cząstek) różnica własności fizycznych tego środowiska będzie dowolnie mała. Ciało materialne jest jednorodnym, jeżeli w każdym punkcie jego własności będą takie same.Środowisko materialne jest statystycznie jednorodne, jeżeli jego każda podstawowa objętość — o rozmiarach wynikających z przyjętej skali rozważań — posiada jednakowe własności fizyczne. Ciało materialne jest izotropowe, gdy we wszystkich kierunkach badania wykazuje jednakowe wartości własności fizycznych. Gdy ośrodek wykazuje różne wartości własności fizycznych w różnych kierunkach, wtedy jest anizotropowy. To samo ciało materialne może być izotropowe ze względu na jedną własność i anizotropowe ze względu na inną. Dla oceny stopnia anizotropii wprowadza się współczynnik anizo­tropii. jest stosunkiem wartości największej do wartości najmniejszej danej wielkości fizycznej. Izotropowe są gazy, ciecze, jednorodne substancje bezpostaciowe (szkło wulka­niczne, opal), a anizotropowe są kryształy — dzięki uporządkowanej sieci krystalicznej. Skały posiadają na ogół własności anizotropowe, przy czym wyróżnia się: anizotropię syngenetyczną — związaną z warunkami powstawania złóż skalnych; anizotropię epigenetyczną — powstałą w później szych okresach w wynikudziałania sił tektonicznych lub zjawisk metamorficznych.

Cechy teksturalne górotworu Łupność jest zdolnością skał do łatwiejszego pękania wzdłuż określonego układu płaszczyzn, w których występuje osłabiona spójność między ziarnami. Uwarstwienie skał uwarunkowane jest kolejnością powstawania nakładających się utworów skalnych o różnym składzie chemicznym i mine­ralnym, różnej ziarnistości i różnej orientacji ziarn. Płaszczyzny rozdzielające poszczególne warstwy, czyli tzw. płaszczyzny uwarstwienia są przeważnie również płaszczyznami osłabionej spójności skały. Porowatość jest wynikiem występowania w skałach pustek i szczelin oraz istnienia między ziarnami mineralnymi drobnych kanalików i wolnych prze­strzeni, czyli porów nawet w przypadku występowania materiału cementującego te ziarna. Jeżeli wolne przestrzenie łączą się ze sobą i z zewnętrzną powierzchnią skały - porowatość otwartą. Przy porowatości zamkniętej pory nie są połączone ze sobą. Porowatość tzw. ogólną określa się stosunkiem objętości wszystkich wolnych przestrzeni w skale do jej objętości.

Porowatość jest wielkością charakterystyczną dla skał osadowych mających strukturę ziarnistą.

Szczelinowatość istnienie w budowie nieciągłości i powierzchni osłabienia o zasięgu przewyższającym wymiary ziarn minerałów tworzących masyw skalny Szczelinowatość pierwotna występuje w skałach o nienaruszonej strukturze. Szczeliny wtórne wiążą się z działalnością górniczą, a powstają w stropach wyrobisk górniczych. Ilościowo szczelinowatość określa się rozmiarami szczelin, gęstością ich występowania oraz wzajemnym ich usytuowaniem.

Skały jako ośrodki trójfazowe

Skały to naturalne zespoły jedno- lub wieloskładnikowych minerałów wystę­pujących w postaci ziarn krystalicznych lub cząstek bezpostaciowych, które mogą być spojone w bezpośrednim kontakcie lub przez różne substancje cemen­tujące. Skała składająca się z ziam jednego minerału nazywa się skałą monomineralną natomiast skała składająca się z różnych minerałów — skaląpolimineralną Zarówno pory, jak i szczeliny w skałach mogą być wypełnione gazami, cie­czami lub częściowo gazami i cieczami Cieczą zawartą w określonych ilościach w każdej prawie skale jest woda. Ze względu na rodzaj więzi łączącej cząstki wody z fazą -stałą wyróżnia się w skałach: Woda chemicznie związana jest częścią sieci krystalicznej ziarn mineralnych, gdzie cząsteczki występują razem z innymi molekułami i jonami. związek chemiczny. Woda fizycznie związana przylega ściśle do powierzchni ziarn mineralnych, przytrzymy­wana między cząsteczkowymi siłami przyciągania. Otacza ona ziarna cienką błonką, zwana jest więc wodą błonkową, a jej ilość zależy od zwilżalności skały. Woda swobodna — wypełnia wolne przestrzenie porów i szczelin w skale. woda kapilarna iwoda gra­witacyjna

Przestrzenie porów i szczelin w skałach mogą być wypełnione częściowo lut całkowicie gazami np.: powietrzem, parą wodną, dwutlenkiem węgla, metanem Gazy w skałach mogą występować w trzech postaciach:_ gazu absorbowanego, tzn. pochłoniętego przez substancję skały; gazu adsorbowanego na powierzchni ścianek porów;_ gazu wolnego, wypełniającego szczeliny i pory w skałach.

Podział i ogólna charakterystyka skał Skały magmowe — powstały w wyniku stygnięcia rozżarzonego stopu krzemianowego pochodzącego z głębi Ziemi, czyli magmy. Ze względu na miejsce stygnięcia magmy rozróżniamy następujące skały magmowe: głębinowe (plutoniczne), subwulkaniczne (żyłowe), wylewne (wulkaniczne), Skały osadowe — powstały w procesie sedymentacji produktów mecha­nicznego i chemicznego wietrzenia dawniej powstałych skał magmowych, osadowych i przeobrażonych zachodzącej w środowisku wodnym lub powietrznym. Rozróżniamy więc osady okruchowe, chemiczne i organogeniczne Osady chemiczne powstały przez wytrącenie chemiczne, Osady organogeniczne powstały ze szczątków organizmów żywych.

Skały przeobrażone — powstały w wyniku przemiany skał magmowych h osadowych poprzez działanie wysokiej temperatury i ciśnienia oraz chemiczne działania gorącej wody lub gazów, które to działania spowodowały rekrystalizację skał pierwotnych

Klasyfikacja własności fizycznych skał

Pod pojęciem własności fizycznych skały rozumie się te cechy charaktery­styczne skały związane z jej budową, które: pozwalają na odróżnienie lub porównanie danej skały z innymi; stwarzają możliwości przewidywania przebiegów i skutków intere­sujących nas procesów fizycznych; pojawiają się przy oddziaływaniu na skałę określonych pól fizycznych lub ciał. Fizyczne własności skał dzielimy ze względu na rodzaj wywołujących pól zewnętrznych, -rodzaj energii lub materii, pod działaniem której w danej chwili znajduje się skała. wyróżniamy pole mechaniczne (ciśnienie), pole cieplne (temperatura), pole elektryczne, magnetyczne, promieniotwórcze i odpowiadające im własności skał. Ze wzglądu na istotę fizykalną wszystkie parametry dzielimy na trzy grupy:Do pierwszej grupy zaliczamy parametry charakteryzujące odwracalne zmia­ny ilości energii lub materii wewnątrz skały moduł spręży­stości objętościowej,Do drugiej grupy zaliczamy parametry określające nieodwracalne przemiany danego rodzaju energii w skałach w inny rodzaj energii, a prowadzące do istotnej zmiany stanu skały współczynnik plastyczności, ciepło właściwe spalania, współczynnik tłumienia fal sprężystych, granice wytrzymałości na ściskanie i rozciąganie Do trzeciej grupy należą parametry opisujące procesy przekazywania energii, a także przepływu cieczy i gazu w skałach.: współczynnik przewodnictwa cieplnego współczynnik załamania i odbicia fal, współczynnik przepuszczalności i współczynnik filtracji,

Podział gruntów budowlanych grunt budowlany wierzchnią część skorupy ziemskiej współpracującą z obiektem budowlanym lub też stanowiącą jego element, względnie służącą jako tworzywo do wykona­nia z niego budowli ziemnych. Ze względu na pochodzenie grunty dzieli się na antropogeniczne i naturalne.Grunty antropogeniczne to grunty nasypowe utworzone z produktów gospo­darczej lub przemysłowej działalności człowieka z odpadów komunalnych, Grunty naturalne to grunty, których szkielet powstał w wyniku procesów geologicznych, które ze względu na pochodzenie dzieli się na grunty rodzime i grunty nasypowe. Grunty rodzime powstały w miejscu zalegania w wyniku procesów geologicz­nych takich jak wietrzenie, sedymentacja, metamorfizm Grunty nasypowe powstały w wyniku działalności człowieka z gruntu natural­nego lub antropogenicznego np. w wysypiskach, zwałowiskach, zbiornikach osadowych Ze względu na zawartość substancji organicznej grunty rodzime dzieli się na organiczne i mineralne są to grunty rodzime zawierające mniej niż 2 % substancji organicznej. Grunty skaliste mineralne to grunty lite lub spękane o nie przesuniętych blokach Grunty nieskaliste mineralne to takie, które nie spełniają warunków gruntu skalistego (grunt rozdrobniony, bez silnych wiązań krystalicznych Biorąc pod uwagę uziarnienie gruntów rodzimych nieskalistych mineralnych /różnią się: grunt kamieniste, gruboziarniste;y drobnoziarniste Frakcja gruntu to zbiór ziarn lub cząstek gruntu o średnicach zastępczych, za­wartych w określonym przedziale. Średnica zastępcza d_z dla ziarn jest to średnica oczka sita, przez które ziarno już nie przechodzi, zaś dla cząstek jest to średnica kulki o identycznej gęstości właściwej, co dana cząstka opadająca w wodzie z taką samą prędkością jak dana cząstka gruntu. Kamienista, żwirowa, piaskowa, pyłowa, iłowa Podział gruntów kamienistych zwietrzelina, zwietrzelina gliniasta, rumosz, rumosz gliniasty, otoczaki

Podział gruntów nieskalistych mineralnych gruboziarnistych żwir, żwir gliniasty, pospółka, pospółka gliniasta Grunty nieskaliste mineralne drobnoziarniste ze względu na spoistość drobnoziarniste niespoiste i spoiste Podział gruntów drobnoziarnistych spoistych piasek gliniasty, pył piaszczysty, pył, glina piaszczysta, glina, glina piaszczysta zwięzła, ił piaszczysty, ił, ił pylasty Analiza granulometryczna Skład granulometryczny gruntu dla celów bu­dowlanych najczęściej określa się metodą sitową gdy ziarna w gruncie mają wymiary ponad 0,063 mm i metodą areometryczną gdy cząstki gruntu mają wymiary mniejsze od 0,063 mm.Komplet sit składa się z 9 sit o następujących wymiarach oczek kwadrato­wych siatki: 40, 25, 10, 2, l, 0,5, 0,25, 0,10 i 0,071 lub 0,063 mm.

Zawartość wagową ziarn gruntu pozostałych na każdym sicie oblicza się ze wzoru: zi=msi/ms*100% m_si — masa suchych ziarn pozostałych na sicie, g; m_s — masa całej suchej próbki Uziarnienie gruntu charakteryzują dwa wskaźniki: wskaźnik różnoziarnistości U=d60/d10 równoziarniste l < U< 5; różnoziarniste 5 < U< 15; bardzo różnoziarniste U> 15. wskaźnik krzywizny uziarnienia C= d30²/d10*d60

Trójkąt Fereta jest trójkątem równobocznym, którego boki podzielone są na 10 równych części. Z punktów podziału boków trójkąta są poprowadzone linie równoległe do pozostałych boków. Każdy z boków reprezentuje zawartość od O do 100 % jednej frakcji. Pole trójkąta podzielone jest na części, z których każda w zależności od jej położenia w stosunku do boków trójkąta reprezentuje określoną nazwę gruntu

Zawartość części organicznych Substancja organiczna dostaje się do gruntów w wyniku obumierania roślin i zwierząt. substancja organiczna może ulegać całkowitemu rozkładowi, lub też przekształce­niu w próchnicę, Najczęściej stosowanymi sposobami oznaczenia substancji organicznej (hu­musowej) w gruncie są: metodę utlenia­nia Iom= mst-mu/mst-mt*100 zawartości części organicznych 30 % roztworem wody utlenionej. gdy badany grunt ma ponad 10 % substancji organicznej, metodę prażenia,Iom=(mst-mp/mst-mt)*100+(z1+z2) która polega na spalaniu substancji organicznej w piecu i obliczaniu ilości tej substancji ze straty masy: Sposób formowania gruntów Grunty budowlane powstałe w wyniku działalności człowieka to grunty nasy­powe. W zależności od sposobu ich formowania (pochodzenia) nasypy dzieli się na: nasypy budowlane powstałe w wyniku kontrolowanego procesu tech­nologicznego (budowle ziemne); nasypy niebudowlane formowane w sposób przypadkowy, np. wysypiska, zwałowiska. Wskaźnik osiadania zapadowego

Grunty o strukturze nietrwałej ulegającej zmianie pod wpływem zawilgocenia bez zmiany działającego obciążenia nazywa się gruntami zapadowymi.imp=h'-h''/ho h_o wysokość próbki w stanie naturalnym; h'wysokość próbki skonsolidowanej pod wpływem naprężenia całkowitego bez nasycenia wodą;h'' wysokość próbki skonsolidowanej pod wpływem naprężenia całkowitego po uprzednim nasyceniu wodą.

Badania makroskopowe gruntów budowlanych

Rodzaje gruntu Oznaczenia gruntów skalistych dokonuje się makroskopowo przez oględziny i proste próby wytrzymałościowe jak: uderzenie młotkiem, ryso­wanie, ścieranie. W obrębie gruntów kamienistych dokonuje się wydzieleń poprzez pomiar naj­większych ziarn i orientacyjne określenie ich stosunku do ziarn pozostałego gruntu oraz stwierdzenie ich stopnia obtoczenia. W skali obtoczenia wyróżnia się ziarna ostrokrawędziste, kanciaste, słabo obtoczone, obtoczone i dobrze obto­czone. Do gruntów spoistych zalicza się wszystkie grunty, które po wyschnięciu tworzą zwarte bryły. Grunty niespoiste (sypkie) po wyschnięciu nie tworzą brył czy grudek lecz są sypkie.

Stan gruntu spoistych określa się na podstawie liczby wykonanych wałeczkowań. grunty występują w stanie: zwartym, jeśli nie można uformować kulki; półzwartym, jeśli z gruntu można uformować kulkę, a wałeczek pęka pod­czas pierwszego, płynnym, jeśli z uwagi na nawodnienie gruntu nic da się uformować kulki.

Barwa i wilgotność naturalna barwę określa się na próbce o wilgotności naturalnej. Barwę podstawową przedstawia drugi wyraz, odcienie i intensywność barwy wyraz pierwszy np. grunt jasno szaro-żółty. Wilgotność naturalną gruntów w czasie badań makroskopowych określa się następująco; grunt jest: suchy, jeśli bryłka gruntu spoistego przy zgniataniu pęka, mało wilgotny, jeśli bryłka gruntu spoistego przy zgniataniu odkształca się plastycznie, wilgotny, jeśli ręka przyłożona do gruntu staje się wilgotna; mokry, jeżeli przy ściskaniu gruntu w dłoni, grunt odsącza wodę; nawodniony, jeżeli grunt odsącza wodę grawitacyjnie.

Zawartość węglanu wapnia (CaC0₃) określa się na podstawieobserwując reakcję gruntu po pokropieniu go 20 % roztworem kwasu solnego (HC1).

Strukturalne własności skał i gruntów Gęstość skał rzeczywistych ρ=m1+m2+m3/V1+V2+V3 Gęstość objętościowa stosunek masy próbki skalnej m do jej obję­tości V.ρ=m/V [kg/m³] Gęstość właściwa stosunek masy cząstek stałych próbki skalnej do ich objętości ρ=m1/V1[kg/m³]. Ciężar objętościowy stosunek ciężaru fazy stałej G wraz z zawarty­mi w niej porami do jej objętości V: γ=G/V [N/m³] Ciężar właściwy γ₀ stosunek ciężaru fazy stałej w stanie sproszko­wanym i wysuszonym Gi do jej objętości V γ=G1/V1 Między ciężarem objętościowym a gęstością objętościową istnieje nastę­pująca zależność: γ=ρ*g Gęstość objętościowa szkieletu gruntowego stosunek masy ziarn i cząstek stałych szkieletu gruntowego do objętości całej próbki (przed wysusze­niem)Ciężar objętościowy szkieletu gruntowego stosunek ciężaru wy­suszonej próbki G_s do jej objętości przed wysuszeniem V: γd=G/V γd=ρdg γd=γ/(100+W)*100 Porowatość P — jest to stosunek objętości porów w próbce skały V_p do obję­tości całej próbki P=Vp/V*100 ρd=Vs*ρo=(1-P)ρo P=(1-γ/γo)*100 γ=γo(1-0,01P) Wskaźnik porowatości e —jest to stosunek objętości porów V_p do objętości materiału skalnego zawartego w próbce V_s: e=Vp/VsWspółczynnik rozluzowania jest to stosunek objętości rozluzowanej skały V_r do jej objętości w stanie nienaruszonym (w masywie) V.kr=Vr/V Gęstość nasypowa p_n — jest to stosunek gęstości objętościowej p skały w ma­sywie do współczynnika rozluzowania: ρn=ρ/kr Stopień zagęszczenia J_t, —jest to stosunek zagęszczenia istniejącego w natu­rze do największego możliwego zagęszczenia danego gruntu¹. J_d < 0,33 grunt jest luźny;0,33 < J_d < 0,67 grunt jest średnio zagęszczony;0,67 <J_d< 1,00 grunt jest zagęszczony.

Hydrogazomechaniczne własności skal i gruntów

Wilgotność skały Wjest to procentowy stosunek masy wody M_w w porach skały do masy suchej próbki Md (masy szkieletu skały): W=Mw/Md*100

Wilgotność naturalna W„odpowiada naturalnej zawartości wody w skale, niezależnie od tej ilości jaką może skała w ogóle wchłonąć.

Wilgotność całkowita W_sr jest to największa względna ilości wody, gdy pory skały są całkowicie wypełnione wodą. Wsr= e*γw/γs*100 y_w ciężar właściwy wody, y_w - 9,81 kN/m ; Stopień wilgotności S,- —jest to stosunek obj wody znajdującej się w porach i pustkach skały V_w do ich objętości całkowitej V_p S=Vw/ Sr=0 grunt suchy; 0,0 < S_r < 0,4 grunt mało wilgotny; 0,4 < S_r < 0,8 grunt wilgotny;0,8 <S_r< l ,0 grunt mokry. Rozróżnia się następujące konsystencje gruntów spoistych: płynną grunt zachowuje się jak ciecz i nie ma prawie żadnej wytrzy­małości na ścinanie; plastyczną grunt o tej konsystencji poddany pewnemu naciskowi od­kształca się, nie ulega przy tym spękaniom i zachowuje nadany mu kształt; zwartą grunt o tej konsystencji odkształca się dopiero przy dużych naciskach, a odkształceniom towarzyszą spękania.

Na granicy pomiędzy konsystencją płynną i plastyczną znajduje się granica płynności, a na granicy między konsystencją plastyczną i zwartą granica plastyczności. Oprócz tego wyróżnia się granicę skurczalności, jaką osiąga grunt konsystencji zwartej, gdy przy suszeniu przestaje zmniejszać swą objętość.

Granicę płynności wl, wyznacza się umownie jest to wilgotność w procentach jaką ma masa runtowa umieszczona w miseczce paratu Casagrande'a, gdy wykonana w niej bruzda zlewa się przy 25 uderzeniu Granica plastyczności W_p jest to wilgotność w procentach jaką ma grunt, gdy przy kolejnym wałeczkowaniu bryłki gruntu wałeczek pęka po osiągnięciu średnicy 3 mm. Granica skurczalności W_s jest to wilgotność w procentach jaką ma grunt, gdy przy suszeniu bryłka gruntu przestaje zmniejszać swą objętość. Stopień plastyczności J_L — jest to stosunek różnicy wilgotności naturalnej danego gruntu i granicy plastyczności do różnicy granicy płynności i granicy plastczności: Wskaźnik plastyczności różnica pomiędzy gr płynności i gr

grunt zwarty półzwarty twardoplastyczny plastyczny miękkoplastyczny płynny Zdolność skał porowatych do przepuszczania cieczy lub gazu siecią kanalików, utworzonych z ich porów, pod działaniem naporu hydraulicznego -przepuszczalnością.

Współczynnik przepuszczalności k_prz określony jest objętością cieczy lub gazu Q o lepkości przez jednostkę przekroju poprzecznego skały S w jednostce czasu t przy gradiencie ciśnienia grad p równym jednostce: Ze względu na wartość współczynnika skały dzielimy na: przepuszczalne półprzcpuszczalne, nieprzepuszczalne. Powolne przesączanie się cieczy lub gazu poprzez splątany system porów i kanalików pod wpływem ciś­nienia nazywa się filtracją Współczynnik filtracji przy danej temperaturze określany jest stosun­kiem objętości przepływającej cieczy Q do pola przekroju próbki prostopadłego do kierunku przepływu F oraz czasu przepływu t i spadku hydraulicznego i, wyrażonego różnicą wysokości słupów cieczy h lub różnicą ciśnienia p na drodze L i=Δh/L W zależności od wartości współczynnika filtracji, dzielimy na: dobrze przepuszczalne średnio przepuszczalne słabo przepuszczalne ; nieprzepuszczalne. . Zdolność skał do zwiększania swej objętości przy nasyceniu wodą nazywa się pęcznieniem. Współczynnik pęcznienia P_v — określony jest stosunkiem przyrostu objętości spęczniałej skały do jej objętości pierwotnej lub stosunkiem przyrostu wysokości spęczniałej skały do jej wysokości pierwotnej. Pv=Vk-Vp/Vo =Ph=hk-ho/ho

Rozmakalność jest to zdolność skały do utraty spójności i przeobrażania się w pulchną masę z częściowym lub pełnym zanikiem nośności pod wpływem wody stojącej. Rozmywalność charakteryzuje rozpadanie się skał pod wpływem mecha­nicznego i chemicznego działania poruszającej się wody.

Zjawisko utraty wytrzymałości pod wpływem wilgoci znane jest pod nazwą rozmiękalności.

Mechaniczne własności skał własności sprężyste skał, wytrzymałościowe, plastyczne, reologiczne. Sprężyste własności skal Własności sprężyste skał ilościowo określone są modułami sprężystości czyli współczynnikami proporcjonalności między określonymi naprężeniami i odpo­wiadającymi im odkształceniami sprężystymi. Moduł sprężystości podłużnej (moduł Younga) E — jest to współczynnik proporcjonalności między wielkością naprężeń normalnych (ściskających lub rozciągających) a, a odkształceniem względnym występującym wzdłuż osi próbki: σ=E*ε Δl/l=ε

E=ΔP*h/F*Δh gdzie ΔP=Pk-Pp; Pk=75%Rc*F; Pp=(10do15)Rc*F Na E wpływa uwarstwienie i porowatość E=P/(Fo+Fp)*ε Liczba Poissona współczynnik proporcjonalności między względnymi odkształceniami poprzecznymi oraz względnymi odkształceniami wzdłużnymi Δd/d=vΔl/l λwspółczynnik rozporu bocznego λ=v/1-v=1/m-1 =tg2(45-ϕ/2) Moduł sprężystości postaciowej (moduł Kirchhoffa), G jest to współczynnik proporcjonalności między wielkością naprężeń stycznych t (ścinających) i odpowiadającym im odkształceniom postaciowym γ charakte­ryzującym zmianę kształtu ciała: t=G*γ

Moduł sprężystości objętościowej, K jest to współczynnik proporcjonalno­ści między naprężeniami ściskającymi i względną zmianą objętości σ=KΔV/V.

Moduł jednostronnego ściskania (edometryczny moduł ściśliwości) M jest to współczynnik proporcjonalności między naprężeniami podłużnymi i odpowiadającymi im odkształceniami względnymi podczas ściskania próbki skalnej w nieodkształcalnym cylindrze: σ=MΔl/l

Wytrzymałościowe własności skał Wytrzymałość doraźna na ściskanie R_c jest to stosunek największej krytycznej siły ściskającej F, mszczącej próbkę do pola powierzchni jej początkowego przekroju poprzecznego:Rc=P/F [kN/m2] Wytrzymałość doraźna na rozciąganie R_r jest to stosunek największej siły rozciągającej F, przy której próbka ulega zniszczeniu do pola powierzchni jej początkowego przekroju poprzecznego: Rr=P/F Dla próbek walcowych:Rr=0,637P/d*h Dla próbek prostopadłośdennych: Rr=0,734 P/b*h Wytrzymałość doraźna na ścinanie R_f czyste ścinanie stosunek krytycznej siły F do pola powierzchni ścięcia S. Rt=P/F Na ogół wytrzymałość na ścinanie przedstawiona jest za pomocą dwóch pa­rametrów: spójności i kąta tarcia wewnętrznego. T=c+σtgϕ Wytrzymałość doraźna na zginanie R_g jest to krytyczna wartość napręże­nia, przy którym próbka skalna poddana obciążeniu zginającemu ulega zniszcze­niu. Rg=Mg/W R_c>R_t>R_g>R_r

Mechanizm zniszczenia skały kruchej IStadium nieliniowego odkształcania się skały. zamykanie się mikroszczelin i mikroporów Objętość próbki maleje, a odkształcenie jest tylko częściowo odwracalne. Odkształcenia poprzeczne stopniowo wzrastają., a wartości modułu spręży­stości i współczynnika Poissona zwiększają się. II Stadium liniowego odkształcania się skały odpowiadające sprężystemu odkształcaniu się mineralnego szkieletu.Przyrosty odkształceń są proporcjonalne do przyrostów naprężeń. Moduły sprężystości mają wartości stałe. III Stadium liniowości odkształceń podłużnych e_z oraz nieliniowości odkształceń poprzecznych e^ i objętościowych e_v. względny wzrost objętości skały. E_s = const, a liczba Poissona v rośnie.IV Stadium nieliniowego odkształcania się skały, wzrost odkształceń poprzecznych i_objętościowych:_ E_s maleje, v nadal wzrasta. V Stadium nieliniowego odkształcania się skały, bezwzględnego wzrostu ob­jętości skały — dylatancji.

Wlasności mechaniczne ośrodka gruntowego Pod działaniem obciążenia ośrodek gruntowy ulega odkształceniom. Odkształcenie próbki gruntu polega na zmniejszaniu się objętości próbki poprzez: usuwanie z gruntu pęcherzyków powietrza; wyciskanie z gruntu wody wolnej i kapilarnej; przesuwanie się ziarn i cząstek gruntu względem siebie i zajmowanie przez nie bardziej statecznego położenia;zgniatanie niektórych ziarenek gruntu; sprężyste odkształcenie powłoki wody błonkowej; sprężyste odkształcenie ziarn i cząstek gruntu; zmniejszenie objętości powietrza zamkniętego w porach gruntu. Ściśliwość gruntu jest to zdolność gruntu do zmniejszania swej objętości pod wpływem obciążenia Edometryczny moduł ściśliwości pierwotnej M₀ — jest to stosunek przyrostu efektywnego naprężenia normalnego do przyrostu całkowitego odkształcenia względnego mierzonego w kierunku działania siły obciążającej w jedno­osiowym (edometrycznym) stanie odkształceń w warunkach umownej konsoli­dacji gruntu: Mo=Δσ/ε Edometryczny moduł ściśliwości wtórnej M — jest to stosunek przyrost efektywnego naprężenia normalnego t do przyrostu sprężystego (odwracalnego) odkształcenia względnego mierzonego w kierunku działania siły obciążającej w jednoosiowym (edometrycznym) stanie odkształceń. Edometryczny moduł odprężenia jest to stosunek zmniejszenia efektywnego naprężenia normalnego do jednostkowego przyrostu wysokoś próbki. Wytrzymałość gruntów na ścinanie opór jaki stawia grunt naprę­żeniom ścinającym, po pokonaniu którego następuje poślizg pewnej części ośrodka w stosunku do pozostałej. T=σn*tgϕ+c

Spójność, czyli kohezja, jest to opór gruntu stawiany siłom zewnętrznym, a wywołany wzajemnym przyciąganiem cząstek składowych gruntu. W miarę wzrostu śrcdnicy-ziarn spójność maleje i całkowicie zanika w grun­tach, ze wzrostem wilgotności spójność maleje

Akustyczne własności skał Ze względu na częstotliwość fale sprężyste dzieli się na: fale infradźwiekowe (poddźwiękowe) o częstotliwości do 16 Hz; fale dźwiękowe (akustyczne) o częstotliwości od 16 Hz do 20 kHz; fale ultradźwiękowe (naddźwiękowe) o częstotliwości od 20 kHz do l GHz;fale hiperdźwiękowe (hiperakustyczne) o częstotliwości ponad l GHz.

Fala podłużna występuje wtedy, gdy cząstki ośrodka drgają równolegle do kierunku rozchodzenia się fali. Fale podłużne rozchodzą się w ciałach stałych, cieczach i gazach, a więc w ośrodkach wykazujących spręży­stość objętości. Występują wtedy tylko odkształcenia objętościowe, podczas gdy odkształcenia postaciowe są równe zeru.

Fala poprzeczna występuje wtedy, gdy cząstki ośrodka drgają prostopadle do kierunku rozchodzenia się fali. Fale poprzeczne rozchodzą się w ośrodkach wykazujących sprężystość postaci, a więc w ciałach stałych.Występują wtedy tylko odkształcenia postaciowe, a odkształcenia objętościowe są równe zeru.

Fala powierzchniowa występuje na zakłóconej powierzchni cieczy lub na powierzchni ciała stałego graniczącego z próżnią lub gazem. fale Raylcigha w czasie przebiegu których cząsteczki ośrodka poru­szają się po elipsach położonych w płaszczyźnie pionowej, równoległej do kierunku ruchu fale Love'a, w czasie propagacji których cząsteczki drgają w płaszczyźnie poziomej, prostopadłej do kierunku rozchodzenia się fali

Prędkość fal sprężystych jest to szybkość rozchodzenia się zmiennych (znakowo) naprężeń lub odkształceń w skałach. Prędkość rozchodzenia się fali podłużnej Vp=√E(i-v)/ρ(1+v)((1-2v) Vs=√E/2ρ(1+v); Stosunek prędkości fal podłużnych i poprzecznych jest funkcją liczby Poissona v. Vp/Vs=√2(1-v)/(1-2v) E=ρVp2(1+v)(1-2v)/(1-v); G=E/2(1+v); K=E/3(1-2v); M=(1-v)zE/(1+v)(1-2v); ; E=9KG/3K+G wpływ uwarstwienia. Miarą ist­niejących różnic w prędkościach fal może być współczynnik anizotropii prędkości, który jest określony następującym wzorem: k=VpII/Vp⊥ Akustyczna oporność falowa z charakteryzuje opór skały przy rozcho­dzeniu się fali sprężystej.z=ρVp Współczynnik odbicia K₀ — jest to stosunek energii fali odbitej W₀ do energii fali padającej W_p. ko=Wo/Wp=(z1-z2/z1+z2)² Z₁ — oporność falowa ośrodka od którego fala się odbija; z₂ — oporność falowa ośrodka w którym rozchodzi się fala padająca i falaodbita od powierzchni granicznej. Współczynnik załamania n jest to współczynnik charakteryzujący zmianę kierunku fali sprężystej przy przejściu z jednego ośrodka do drugiego, ilościowo równy stosunkowi sinusa kąta padania do sinusa kąta załamania: n=2z1/z1+z2

Współczynnik tłumienia A=Ao*e^-ax

Termiczne własności skał

Ogólnie przepływ energii cieplnej w ośrodku skalnym odbywa się na drodze: kondukcji (przewodnictwa cieplnego) ; konwekcji (unoszenia); radiacji (promieniowania) Przekazywanie ciepła w ciałach jednorodnych odbywa się na drodze zmiany energii kinetycznej przy zderzeniach elektronów (dyfuzja średniej energii kine­tycznej) lub stopniowego przekazywania drgań siatki krystalicznej od jednej części do drugiej W skalach występuje więc przewodność fononowa,aelektronowa w metalach

Współczynnik przewodzenia ciepła A. charakteryzuje prędkość-sezchodzenia się ciepła w skale i równy jest ilości ciepła Q, przechodzącego w jednostce czasu t przez jednostkę przekroju poprzecznego S, przy gradiencie temperatur równym jednostce λ=QL/Ft(T2-T1) Odwrotnością współczynnika przewodzenia ciepła jest cieplna oporność właściwa ε=1/λ Współczynnik anizotropii cieplnej określa się zależnością: kε=εp/εII

Cieplna pojemność właściwa C_w charakteryzuje pochłanianie ciepła przez skałę i równa jest ilości ciepła Q potrzebnego do podwyższenia temperatury jednostki masy skały o jeden stopień:C=Q/mΔt [J/kgK]

Pojemność cieplna objętościowa C_v jest liczbowo równa ilości ciepła Q koniecznego do zmiany temperatury jednostki objętości skały o jeden stopień. Cv=Q/VΔt [J/m3K] Cv=C*ρ

Współczynnik przewodzenia temperatury a charakteryzuje prędkość rozchodzenia się temperatury w skale i równy jest stosunkowi przewodzenia ciepła do iloczynu właściwej pojemności cieplnej i gęstości objętościowej skały :a=λ/C*ρ [m2/s]

Współczynnik cieplnej rozszerzalności liniowej β— charakteryzuje zdolność ły do zmiany swoich wymiarów liniowych podczas przyrostu temperatury:β=ΔL/LΔt

Współczynnik cieplnej rozszerzalności objętościowej w — charakteryzuje zdolność skały do zmiany swej objętości podczas przyrostu temperatury: w=ΔV/VΔt

Stopień geotermiczny S_K jest to liczba metrów przy której temperatura wzrasta o 1° C względnie l K. Sg=ΔH/ΔT

Gradient geotermiczny G_gjest to liczba stopni o jaką temperatura wzrasta na l m głębokości:Gg=ΔT/ΔH

Temperaturą panującą na danej głębokości określa się według wzoru: T=To+Gg(H-Ho) lub dla skał niejednorodnych T=To+a(H-Ho)^b

Pod względem głębokości przemarzania gruntów, teren Polski podzielony jest na cztery strefy dla których głębokość prze­marzania -0,8 m, l,0 m, 1,2 m i l,4 m.

---