Классификация, различия и характеристики твердых и мягких пород

«Твердая порода имеет прочность на сжатие более 30 МПа, она прочная и долговечная и является идеальным выбором для инженерных сооружений; мягкая порода имеет высокую пористость и легко деформируется, требуя специальной обработки для обеспечения устойчивости. Поймите их различия, чтобы обеспечить инженерную безопасность».

Породы на Земле можно разделить на разные типы, одна из наиболее распространенных классификаций — мягкая порода и твердая порода. Эти два типа пород имеют значительные различия в свойствах, составе и использовании. Далее будут подробно представлены различия и характеристики мягкой и твердой породы.

Узнайте, как дробить мягкую и твердую породу. Нажмите для консультации

1. Разделение

Основное различие между твердой породой и мягкой породой заключается в их прочности на сжатие, пористости и структурной плотности.

‌Твердая порода‌: Как правило, прочность твердой породы на одноосное сжатие обычно превышает 60 МПа, а предельная прочность на одноосное сжатие в насыщенном состоянии превышает 30 МПа, если она не выветрилась. К твердым породам относятся гранит, диорит, базальт, гнейс, кварцит, мрамор и т. д.

Мягкие породы: в геологии мягкие породы обычно относятся к рыхлым, непрочным, мягким и слабым слоям горных пород с низкой прочностью, высокой пористостью, плохой цементацией, значительным влиянием структурного поверхностного разреза и выветривания или содержащие большое количество расширяющихся глинистых минералов. Этот тип породы в основном представляет собой аргиллит, сланец, алеврит и глинистый песчаник и т. д. с прочностью на одноосное сжатие менее 25 МПа. Международное общество механики горных пород определяет мягкую породу как тип породы с прочностью на одноосное сжатие (σc) от 0,5 до 25 МПа

II. Различия

(I) Механические свойства

Прочность на сжатие

Прочность на сжатие твердых пород обычно превышает 30 МПа, а конкретный диапазон составляет от 30 МПа до 60 МПа. Согласно различным стандартам классификации, диапазон прочности на сжатие твердых пород варьируется. Например, некоторые стандарты называют породы с одноосной прочностью на насыщенное сжатие более 60 МПа «твердой породой», породы с одноосной прочностью на насыщенное сжатие от 30 МПа до 60 МПа «относительно твердой породой», а породы с прочностью менее 30 МПа «мягкой породой» ‌1.

Прочность на сжатие мягких пород составляет от 5 до 30 МПа ‌‌12. Согласно различным стандартам классификации, мягкие породы можно подразделить на относительно мягкие породы (прочность на сжатие от 15 до 30 МПа), мягкие породы (прочность на сжатие от 5 до 15 МПа) и очень мягкие породы (прочность на сжатие менее 5 МПа) ‌3.

Инженерные свойства мягких пород включают неограниченную прочность на сжатие менее или равную 300 кг/см2, плохую водостойкость, коэффициент размягчения не более 0,6, низкий модуль деформации и значительный реологический эффект ‌5. Эти характеристики требуют особого внимания к устойчивости и деформации мягких пород в инженерных приложениях.

Твердые породы широко используются в машиностроении, в основном для структурных частей, которые несут большее давление, таких как фундаменты, облицовка туннелей и т. д. Благодаря своей высокой прочности и хорошим физическим свойствам твердые породы играют важную роль в гражданском строительстве.

Прочность на растяжение и прочность на сдвиг

Твердые породы имеют относительно высокую прочность на растяжение. Прочная связь между внутренними минеральными частицами и плотной структурой породы позволяют им выдерживать определенные напряжения при воздействии растягивающих сил. Например, прочность на растяжение базальта обычно составляет от 10 до 30 МПа. В строительстве склонов скал твердая порода может лучше противостоять растягивающему напряжению, вызванному собственным весом горы и другими внешними силами, что снижает возникновение трещин на склонах.

Прочность на растяжение мягкой породы очень низкая, поскольку ее минеральный состав и структурные характеристики позволяют минеральным частицам легко разделяться при воздействии растягивающих сил. Прочность на сдвиг мягкой породы также низкая, и при воздействии сдвигающих сил она легко скользит по слабым поверхностям внутри породы (таким как напластование, трещины и т. д.). Например, когда аргиллит подвергается определенному сдвигающему усилию, он легко разрушается при сдвиге из-за свойств своего глинистого минерального состава и слабого сцепления частиц.

(II) Физические свойства

Пористость

Пористость твердых пород обычно составляет от 1% до 30%. Конкретное значение зависит от типа породы и условий формирования. Например, пористость песчаника обычно составляет от 10% до 25%.

Пористость относится к отношению объема пор в породе к общему объему породы. Формула расчета: φ = Vp/Vt × 100%, где φ — пористость, Vp — объем пор в породе, а Vt — общий объем породы.

Пористость мягких пород обычно составляет от 10% до 40%. Пористость относится к проценту общего объема пор в наполнителе к общему объему наполнителя, что напрямую влияет на проницаемость, прочность и устойчивость наполнителя.

Пористость оказывает значительное влияние на свойства мягких пород:

Проницаемость и дренаж: при низкой пористости наполнитель плотный, а проницаемость и дренаж плохие; при высокой пористости проницаемость и дренаж хорошие, но устойчивость и несущая способность будут снижены. 1.

Прочность и устойчивость: Пористость от 15% до 25% является идеальным выбором, который может обеспечить как проницаемость и дренаж, так и устойчивость и несущую способность.

III. Характеристики

(I) Твердая порода

Основные характеристики твердой породы включают высокую прочность, коррозионную стойкость, хорошую ударную вязкость и высокую прочность на сжатие. Твердая порода обычно имеет высокую механическую прочность, а ее одноосная предельная прочность на сжатие обычно превышает 30 МПа и может достигать сотен-тысяч килограммов на квадратный сантиметр. Эта высокая прочность делает твердую породу очень стабильной и долговечной в инженерных приложениях.

(II) Мягкая порода

Мягкая порода — это тип породы, состоящий из мелкозернистых частиц, и ее основными характеристиками являются высокое содержание воды, мягкая текстура и легкая деформация. Мягкая порода широко распространена на поверхности земли, включая аргиллит, аргиллиты, сланцы, песчаники и т. д.

Мягкая порода обладает особыми инженерными свойствами в инженерном строительстве. Из-за своих мягких и деформируемых характеристик мягкая порода нуждается в специальной обработке в области туннелей, проектов по водопользованию, обработки фундаментов и т. д. для обеспечения безопасности и устойчивости проекта. Например, мягкие породы являются ключевым объектом исследований при геологических изысканиях в рамках проектов по водному хозяйству и гидроэнергетике из-за их низкой прочности на сдвиг и сжатие, они легко размягчаются и разрушаются под воздействием воды, а также подвержены фонтанированию и эрозии труб под воздействием высокого напора воды в течение длительного времени.