Грунтоведение

Скальные грунты

Когда говорят о скале, нам всегда представляется что-то очень прочное и массивное. Сказать, что этот человек «как скала», — значит охарактеризовать его как твердого и непоколебимого.

Действительно ли скальные грунты таковы?

На этот вопрос сразу и не ответишь. С одной стороны, нам привычны монолитность и высокая прочность гранита или базальта. Для того чтобы их раздавить, необходимо применить очень большое давление в 400—500 МПа.

А с другой стороны, существуют известняки, мергели и песчаники, прочность которых может опускаться до 1 МПа и даже менее.

Отчего же зависит прочность скалы?

Прежде всего она связана с особым минеральным составом пород. Например, тот же базальт состоит в основном из очень прочных минералов силикатов: полевых шпатов, оливина, пироксена. Все они отличаются высокой механической крепостью. Поэтому и базальт оказывается весьма прочным.

На качество скальных пород влияет также их строение. Базальты, например, в которых все минеральные зерна оказываются очень мелкими (диаметр частиц менее 1 мм), будут и наиболее прочными (400—500 МПа). Но встречаются и сильнопористые базальты с прочностью меньше 20 МПа и даже 15 МПа. Вот и получается, что мы имеем один и тот же скальный грунт, а его прочность отличается в 20 раз.

Было бы очень просто, если бы породы были массивными. Но эт«, к сожалению, не так. Все они разбиты трещинами разного происхождения, размера и направления. Порода в небольшом куске может быть очень гтрочная, но в массиве многочисленные трещины будут ее значительно ослаблять. Так, в базальтовом массиве встречаются трещины, ширина которых достигает 120 мм.

Возьмем еще другой пример — гранит. Фразеологизмы «твердый как гранит», «он как гранитная скала» заставляют представлять себе эту породу как нечто очень прочное. Действительно, гранит состоит из прочнейших минералов: полевого шпата, кварца и небольшого количества слюды или роговой обманки. При раздавливании кубиков этой породы на прессах приходится прилагать давление 150—250 МПа. Однако и в этом случае прочность гранита зависит от его структуры: чем он более мелкозернист, тем большее давление необходимо для его раздавливания.

Многие, наверно, слышали о граните «рапакиви». Этим гранитом облицованы здания, сложены набережные Невы в Ленинграде. В переводе с финского языка это слово означает «гнилой камень». Не правда ли, странно? Однако такое название не случайно и связано с тем, что эта порода состоит из крупных кристаллов слагающих ее минералов. Когда днем поверхность рапакиви нагревается солнцем, то кристаллы неравномерно расширяются в разные стороны. Поэтому в породе и возникают сильные напряжения. Затем ночью, когда воздух охлаждается, происходит обратный процесс уменьшения размеров зерен. И такие движения идут многие годы, десятилетия и столетия. В результате этих колебаний между кристаллами минералов постепенно появляются тонкие трещины. В них попадает вода. Замерзая в зимнее время, она еще более расширяет образовавшиеся трещины. Постепенно гранит превращается в трещиноватую породу, в которой связи между минералами либо совсем исчезают, либо становятся очень малыми.

Если ударить молотком по такому граниту, то он рассыпается на отдельные куски. Вот отсюда и произошло название «гнилой камень».

Минералы, слагающие скальные породы, постепенно разрушаются водой, температурными колебаниями, корнями растений," микроорганизмами. Мы уже раньше говорили о деятельности данных факторов выветривания. Это всеобщий процесс, охватывающий всю земную поверхность.

Проходят десятки, сотни тысяч лет. Граниты, базальты и другие, прочные скальные породы под действием выветривания превращаются в новые осадочные породы. Бывает и так, что превратившийся в глинистую массу гранит в какой-то степени сохраняет первоначальные черты.

Как-то один геолог рассказал, что когда он стал отбивать от гранитного массива образец, то оказалось, что похожая по внешнему таких массивов склады. Их преимущество заключается прежде все-- го в постоянной температуре, сохраняющейся в течение круглого года. Кроме того, такие склады хорошо изолированы от различных внешних воздействий.

В г. Авесте (Швеция) построена котельная для сжигания бытовых отходов, которая нагревает воду для отопления и других нужд. Но отходы нужно сжигать круглый год, а горячая вода летом необходима в небольшом количестве. Для решения этой проблемы в скальном массиве была сооружена крупная подземная емкость объемом 100 млн. л. Летом туда нагнетают горячую воду, а зимой забирают ее для отопления. Емкость, созданная на глубине нескольких десятков метров в скальных породах, оказалась хорошим термосом.

Сейчас ученые думают о создании подобных, но еще более крупных водосборников в таких массивах. Тогда можно будет летом, используя солнечное тепло, получать горячую воду и сохранять ее в таком состоянии в этих каменных емкостях до зимы.

В скальных массивах могут устраиваться холодильники, нефтехранилища, склады продуктов и другие подземные сооружения. Это позволит экономить крайне ценную поверхность земли, создать высокоэкономичные складские помещения и решить ряд проблем, в которых одно из важных мест занимает аккумуляция солнечной энергии.

Мы знаем, что к скальным породам относятся некоторые из осадочных пород. Среди них большую роль играют известняки, гип- еы, известковистые породы, мергели и др.

Объединяет эти породы то, что они состоят из водорастворимых минералов.

Прочность их зависит от процесса растворения и выноса кальцита, гипса и других минералов талыми, дождевыми и подземными водами. По мере развития этого процесса механические свойства осадочных пород ухудшаются.

Однако и эти массивы представляют возможности для промышленного использования. Так, в толщах каменной соли в разных странах строятся хранилища, в которых сохраняются нефтепродукты и некоторые химические вещества, не реагирующие с галитом (NaCl).

Вот так обстоит дело с прочностью скалы.