Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Экспериментальное доказательство и логикографическая модель формирования просадочности аллювиальных пылеватых пород при дегидратации

ВАК РФ 04.00.07, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Экспериментальное доказательство и логикографическая модель формирования просадочности аллювиальных пылеватых пород при дегидратации"

РГ6 од

Московский Государственный университет им. М.В.Ломоносова

Геологический факультет Кафедра инженерной геологии и охраны геологической среды

На правах рукописи УДК 624.131.4

Ершова Анна Викторовна

Экспериментальное доказательство п логико-графическая модель формирования просадочности аллювиальных пылеватых пород при дегидратации

Специальность 04.00.07 - инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Москва - 1997 г.

Работа выполнена на кафедре инженерной геологии и охраны геологической среды геологического факультета Московского Государственного университета им. М.В.Ломоносова

Научный руководитель - доктор геолого-минералогических наук, профессор, академик РАЕН и МАН ВШ В.Т.Трофимов

Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук, профессор,

Заслуженный строитель Российской Федерации,

член - корреспондент РАЕН Г.Л.Кофф

кандидат геолого-минералогических наук

старший научный сотрудник П.В.Царев

Ведущая организация - Производственный и научно-исследовательский институт по инженерным изысканиям в строительстве (ПНИИИС)

Защита диссертации состоится "21 "ноября 1997 г. в 14.30 часов на заседании диссертационного совета но защите кандидатских диссертаций К 053.05.06 в Московском Государственном университете им. М.В.Ломоносова по адресу: г.Москва, Воробьевы горы, геологический факультет МГУ, ауд. 830 .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке геологического факультета МГУ, сектор "А", 6 этаж.

Автореферат разослан " 15 " октября 1997 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим отправлять по адресу: 119899 ГСП, г.Москва, Воробьевы горы, МГУ, геологический факультет, ученому секретарю диссертационного совета по защите кандидатских диссертаций К 053.05.06 В.Н.Соколову

Ученый секретарь диссертационного совета по защите кандидатских диссертаций К 053.05.06, доктор геолого-минералогических наук

В.Н.Соколов

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Изучение лессовых пород любого генезиса в инженерной геологии до настоящего времени вызывает повышенный интерес и имеет важное практическое и теоретическое значение, поскольку многие вопросы, касающиеся их генезиса, генезиса их просадочных свойств изучены недостаточно. Остаются дискуссионными и некоторые вопросы терминологии. В работе к лессовым породам относятся континентальные пылевато-глинистые образования любого генезиса, содержащие более 40 % пылеватых частиц (0.05-0.001 мм) по данным гранулометрического анализа и более 50 % - по данным микроагрегатного анализа и проявляющие при замачивании просадочные свойства при действии природного давления или дополнительных нагрузок.

Одним из методов, позволяющим изучать природу свойств грунтов, является физическое моделирование. По вопросам моделирования формирования просадочности лессовых пород накоплен определенный материал. Однако, целый ряд вопросов, связанных с формированием просадочности аллювиальных пылеватых пород, изучен недостаточно и требует дальнейших специальных исследований. Имеющиеся сведения носят разрозненный характер и не позволяют представить целостную картину возможных путей формирования их просадочных свойств. Исходя из этого, возникает необходимость создания модели формирования эпигенетической просадочности аллювиальных пылеватых грунтов, которая позволит отразить природу процесса, выявить особенности формирования просадочности с учетом влияния различных факторов.

Объект исследования. Для эксперимента использовались образцы современных аллювиальных пылеватых суглинков, отобранные из разрезов ежегодно затапливаемых пойм р. Обь, Иртыш и высокой поймы р. Москва.

Материалом для написания диссертационной работы явились полевые исследования, выполненные автором в составе Тюменской инженерно-геологической экспедиции в 1988 - 1989г., самостоятельные лабораторные исследования автора, проведенные при написании дипломной работы, во время обучения в очной аспирантуре и работы на кафедре инженерной геологии и охраны геологической среды в течение 1992-1996 г. В работе использованы опубликованные данные по результатам моделирования формирования просадочности

аллювиальных пылеватых пород В.Т.Трофимова, В.С.Бондаренко, М.И.Яковлева, М.Р.Горского, Т.Г.Алексеенко. Всего обработано и проанализировано 60 монолитных образцов, сделано 492 определения просадочности.

Цель и задачи работы. Целью данного исследования являлось выяснение путей формирования эпигенетической просадочности пылеватых пород аллювиального генезиса при изменении термовлажностных условий и внешней нагрузки после перехода аллювиальной толщи поймы в обстановку надпойменной террасы в условиях аридного климата.

Основные задачи работы:

1) анализ современных представлений о формировании просадочности лессовых пород разного генезиса;

2) анализ и обобщение существующего материала по вопросам формирования эпигенетической просадочности у аллювиальных пылеватых пород;

3) усовершенствование методики лабораторного физического моделирования для исследований образцов крупного размера, позволяющей изучать особенности формирования эпигенетической просадочности при дегидратации в "толще" аллювиальных пылеватых пород;

4) проведение физического моделирования формирования просадочности аллювиальных пылеватых пород в лабораторных условиях на образцах различного размера, изучение ряда факторов, влияющих на величину формирующейся просадочности;

5) изучение микростроения аллювиальных пылеватых пород и его изменения в процессе дегидратации;

6) разработка и построение логико-графических моделей уплотнения и формирования эпигенетической просадочности аллювиальных пылеватых пород.

Научная новизна и защищаемые положения.

1. Экспериментально доказана возможность формирования просадочных свойств у изначально непросадочных сильноувлажненных аллювиальных пылеватых пород пойменной фации в ходе дегидратации при положительной температуре применительно к условиям аридного климата при переходе элементарного слоя аллювиальной толщи в разрез надпойменной террасы при изменении их влажности и внешней нагрузки.

2. Усовершенствована методика лабораторного моделирования на "больших монолитах" (30x30x100 см), позволяющая установить особенности формирования эпигенетической просадочности в "толще" аллювиальных пылеватых пород.

3. Обобщены существующие и получены новые данные по вопросам моделирования формирования эпигенетической просадочности аллювиальных пылеватых пород на образцах разного, размера.

4. Установлены зависимости величины формирующейся просадочности от различных факторов, при которых происходит дегидратация аллювиальных пылеватых пород в расширенном диапазоне давлений на образец и различных режимах сушки, а также от состава и свойств самого грунта.

5. Показано изменение микростроения аллювиальных пылеватых первоначально сильноувлажненных пород при дегидратации.

6. Разработаны и построены логико-графические модели формирования эпигенетической просадочности аллювиальных пылеватых пород при дегидратации с учетом влияния различных факторов применительно к элементарному слою породы, отражающих влияние их состава и условий дегидратации (состава, свойств пород, величины давления на образец, температуры, скорости движения воздушных масс, их совместного действия).

Научно-практическая значимость работы. Полученные данные можно рассматривать как определенный вклад в разработку теории происхождения просадочности лессовых отложений. Для аллювиальных лессовых пород в данном объеме и содержании впервые всесторонне рассмотрены возможные пути формирования эпигенетической просадочности; предложены логико-графические модели формирования такой просадочности при различных условиях дегидратации. Экспериментально подтверждены теоретические представления о возможности формирования эпигенетической просадочности аллювиальных пылеватых пород при дегидратации.

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены па научной конференции студентов и аспирантов "Ленинские горы - 95". По теме диссертации опубликованы три научные работы.

Состав и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения, изложенных на 277 страницах машинописного текста. Текст сопровождается 23 таблицами и 96 рисунками. Список использованной литературы составляет 185 наименований.

Диссертационная работа выполнена в лабораториях кафедры инженерной геологии и охраны геологической среды геологического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова под руководством доктора геол.-мин. наук профессора В.Т.Трофимова, которому автор выражает особую признательность и благодарность за постоянное внимание к работе, научно-методическую помощь. Автор также благодарит за помощь и консультации, оказанные на различных этапах работы, доктора геол.-мин. наук В.Н.Соколова, кандидатов геол.-мин. наук Т.И.Аверкину, С.Д.Балыкову, Д.Г.Зшшнга, Н.А.Ларионову, Т.Г.Макееву, В.Г.Шлыкова.

Глава 1. Общие закономерности распространения и строения лессовых пород аллювиального генезиса Северной

Евразии

В главе изложены представления о распространении, возрасте, составе, структурно-текстурных особенностях, свойствах лессовых пород аллювиального генезиса Северной Евразии, где они занимают более 7 млн. км2 континентальной поверхности.

Основоположником аллювиальной гипотезы происхождения лессовых пород является Ч.Лайель, Ю.А.Скворцов, И.Г.Глухов, C.B. Быстрое, Н.П. Васильковский, С.С.Неуструев, И.В.Мушкетов, И.П.Герасимов, К.К. Марков поддерживают эту гипотезу, не отрицают возможность накопления лессового материала аллювиальным путем И.И.Трофимов, Л.Г.Балаев, В.П.Царев, А.И.Москвитин, Ю.А.Лаврушин, А.И.Исламов, Г.А.Мавлянов, М.Ш.Шерматов, М.Ф.Веклич, Н.И.Кригер, Н.Х.Тимирясова и др.

Анализ литературного материала (Н.И.Кригер, А.К.Ларионов, В.А.Приклонский, В.П.Ананьев, Г.А.Мавлянов, М.П.Лысенко, Ф.А.Никитенко, Е.М.Сергеев, А.В.Минервин, С.М.Касымов, М.Ш.Шерматов, П.В.Царев, Л.Г.Балаев, Ф.Н.Лещиков, А.Б.Богуцкий, И.И.Молодых) показал, что аллювиальные лессовые породы развиты в пределах долин равнинных рек (Днестр, Дон, Днепр, Москва, Волга, Кама, Кубань, Обь, Иртыш, Ангара, Лена, Урал, Тобол, Ишим и др.), в

накоплении лессового материала которых главная роль принадлежит аллювиальным процессам. В горно-складчатых областях аллювиальные лессовые породы приурочены к межгорным котловинам и долинам горных рек (Сырдарья, Сумгаит, Алазани, Зеравшан, Амударья, Чирчик, Ахангаран, Кафирниган, Селенга, Витим и др.), в накоплении лессового материала последних большую роль играют склоновые процессы, поэтому в этих районах отложения в основном являются смешанными: аллювиально-пролювиальными, аллювиально-делювиальными. Аллювиальные лессовые породы занимают покровное положение в рельефе, мощность отложений составляет 2050 м.

Аллювиальные лессовые породы в пределах равнинных территорий южных районов приурочены к пойменной фации аллювия, а в северных и центральных районах - в основном к верхним хорошо дренированным частям разрезов надпойменных террас. Возраст отложений преимущественно плейстоценовый, а в разрезах верхних обессованных частей пойм - голоценовый. В пределах горноскладчатых сооружений возраст аллювиальных лессовых отложений голоценовый, реже-плейстоценовый, на голоценовых террасах эти отложения отсутствуют.

Аллювиальные лессовые отложения характеризуется высоким содержанием пылеватых частиц 40-78 %, в составе которых преобладают кварц и полевые шпаты. В горно-складчатых областях минеральный состав пород более разнообразен, чем в равнинных.

Структурно-текстурные особенности лессовых пород, и аллювиальных в том числе, рассмотрены в работах В.И.Осипова, В.Н.Соколова, H.H. Комиссаровой, A.B. Минервина, А.КЛарионова, В.А.Приклонского, В.П.Ананьева, отдельные сведения содержатся в работах Т.Г.Рященко, Г.И.Домрачева, Г.Л.Коффа, Е.Н.Коломенского, Н.Х.Тимирясовой, Г.А.Мавлянова, Х.Л.Рахматуллаева и др.

Аллювиальные лессовые породы имеют высокую пористость 32-55 %; зерна этих пород характеризуются плохой окатанностью и угловатостью. Слоистость аллювиальных лессовых пород является важным их генетическим признаком.

Аллювиальные лессовые породы обладают повышенной влажностью 13-26 %; плотность пород составляет 1.24-1.95 г/см3. Породы являются просадочными в основном при дополнительных нагрузках и редко при бытовом давлении при природной влажности.

Величина коэффициента относительной просадочности изменяется от 0-0.08 при бытовом давлении до 0.14 - при нагрузке 0.3 МПа. В пределах распространения аллювиальных лессовых пород преобладает 1 тип грунтовых условий по просадочности. Мощность просадочной толщи изменяется от 0.5 до 15(20) м.

Глава 2. Просадочность как специфическое свойство лессовых грунтов

В главе приведен обзор показателей просадочности, а также некоторых методик определения просадочности грунтов (В.П.Ананьев, В.И.Крутов, Г.А.Мавлянов, К.П.Пулатов, Ю.А.Багдасаров,

В.А.Ерашов, СНиП и др). Из анализа литературного материала следует, что существующие показатели просадочности позволяют оценить ее величину для образца и толщи. Коэффициент относительной просадочности является основной ее характеристикой. Достоверная оценка величины просадки может быть получена при комплексном изучении лессовых пород различными методами, в том числе с использованием методов моделирования.

В главе изложены современные представления о формировании просадочности лессовых пород (Е.М.Сергеев, А.К.Ларионов, В.С.Быкова, В.И.Коробкин, Б.Ф.Галай, В.Т.Трофимов). Формирование просадочности связано с образованием

высокопористых маловлажных пылеватых пород со специфическим глобулярным микростроением и наличием контактов цементационного и переходного типов. В ее формировании многими исследователями признается важнейшая роль дегидратации ранее сильно увлажненных осадков и пород (Н.Я.Денисов, Н.И.Кригер, Л.Г.Балаев, Б.Ф.Галай, А.В.Минервин, Н.Н.Комиссарова, В.Т.Трофимов и др.). Вопрос о путях формирования высокой пористости, которая является либо итогом недоуплотненности пород по отношению к действующей природной нагрузке, либо результатом разуплотнения ранее сформированных пород, остается дискуссионным.

На основе анализа литературного материала приведена классификация гипотез о генезисе просадочности (как син- и эпигенетического свойства, В.Т.Трофимов). Гипотеза о возникновении просадочности у аллювиальных пылеватых пород развита в представлениях Н.Я.Денисова, где ведущая роль отводится процессу изменения термовлажностных условий и внешней нагрузки после

перехода элементарной толщи аллювиальных отложений в обстановку надпойменной террасы в условиях сухого климата. Им логически обоснована возможность появления просадочности у таких пород как в ходе естественного геологического развития территории, так и в процессе инженерно-хозяйственной деятельности человека.

Каждая из гипотез подтверждена^ многочисленными лабораторными (Б.Ф.Галай, В.А.Королев, О.Н.Еремина, Н.В. Коломийцев, Н.Н.Комиссарова, В.Т.Трофимов, Т.Г. Алексеенко, Е.Ю.Куликова, Л.О.Васильева, Т.В.Андреева, B.C. Бондаренко,

A.М.Воронин, В.И.Осипов, Нажем Абдул Мунир) и полевыми (Е.М.Сергеев, А.В.Минервин, В.Т.Трофимов, B.C.Бондаренко, Д.В.Бородулина) экспериментами. Экспериментальные данные о возможности формирования эпигенетической просадочности у аллювиальных пылеватых отложений получены В.Т.Трофимовым,

B.С.Бондаренко, М.И.Яковлевым, М.Р.Горским, Т.Г.Алексеенко. Ими исследованы влияния на величину просадочности дополнительных нагрузок, соизмеримых с природными, скорости потока воздуха и небольшого диапазона температур. На основе экспериментальных данных составлены графические модели формирования просадочности применительно к различным типам генетических отложений и реальным ситуациям (Н.Я.Денисов, В.Т.Трофимов, В.С.Бондаренко, Б.Ф.Галай, А.В.Минервин, Н.Н.Комиссарова).

Таким образом, сведения о влиянии различных факторов на величину формирующейся просадочности аллювиальных пылеватых пород являются разрозненными и недостаточно обобщенными. До настоящего времени моделирование проводили на образцах стандартного размера, отобранных из разрезов р.Оби и Иртыша, а данные по моделированию на образцах по другим разрезам и на образцах большого размера отсутствовали. Также не был проведен анализ влияния особенностей состава и свойств грунта, температуры и нагрузки в более широком диапазоне их изменения на величину формируемой просадочностии и не были составлены логико-графические модели формирования просадочности этого генетического типа пород, показывающие влияние разных факторов. Опубликованные результаты и новые данные, полученные автором, анализируются в последующих главах работы.

Глава 3. Методика и результаты физического моделирования процесса формирования эпигенетической просадочности при дегидратации аллювиальных пылеватых пород в лабораторных условиях на образцах небольшого размера

Для проведения моделирования использовали образцы современных аллювиальных отложений (размером 30x30x30 см), отобранных в разрезе ежегодно затапливаемых пойм р.Оби и Иртыша и высокой поймы р.Москва, являющихся образованиями скрытослоистой (по Е.В.Шанцеру) микрофации пойменного аллювия. Характеристика состава и свойств образцов аллювиальных пылеватых пород получена по стандартным методикам и приведена в таблице 1. Все образцы при естественной влажности и исходном сложении просадочностыо не обладают при всех нагрузках. В минеральном составе песчаных и пылеватых частиц преобладают кварц и полевые шпаты, в глинистой фракции присутствуют смешаннослойные минералы и гидрослюда. В грунтах содержится много корней и крупных макропор субвертикального направления.

Моделирование было проведено по трем схемам: 1-высушивание образцов-монолитов на воздухе без внешней нагрузки, только под весом самого образца, 2- то же, при действии дополнительных внешних пригрузок (0.01-0.02 и 0.05; 0.1; 0.2; 0.25; 0.3 МПа), моделирующих нагрузку от толщи субаэрального генезиса (мощностью 0.6-1.2 м, 3.0, 6.0, 12.0, 15.0 и 18.0 м соответственно) или нагрузку от действия возведенных сооружений, 3- высушивание образцов-монолитов по позицияи 1 и 2 с разной скоростью: а) за счет обдува поверхности образца потоком воздуха разной скорости (0.8, 1.1, 2.4, 2.7 м/с), имитирующим перемещение воздушных масс над поверхностью природной толщи; б) путем нагрева поверхности образцов до разных температур (25, 40, 60 °С), что моделирует нагрев поверхности толщи под влиянием солнечной инсоляции. Таким образом, было проведено шесть серий экспериментов.

Образцы-монолиты ненарушенного сложения и естественной влажности в лабораторных условиях были вскрыты сверху и высушены. Подобное высушивание грунта в монолите обеспечивает достаточно равномерное снижение влажности в верхней его части. Образцы высушивались на воздухе (при Т 20°С) в течение 7-10 дней,

Таблица 1

Инженерно-геологическая характеристика образцов современных аллювиальных пылеватых пород, на монолитах которых осуществлялось физическое моделирование формирования просадочности

Место отбора: пойма реки Кол- во обр. Глубина, м Название грунта по кл.Н.А.Ка-чинского Содержание частиц, % Диаметр в мм Сухой остат., % Влажность, % Плотность, г/см Пористость, %

0.050.001 0.050.01 < 0.01 < 0.001 грунта скел. грунта

Обь 4 0.32.2 легкие суглинки 47-58 37-45 21-26 913 0.0130.098 20-30 1.691.78 1.331.48 43-51

5 средние суглинки 60-74 43-54 33-38 14-21 0.0340.064 29-34 1.611.75 1.241.36 48-53

4 тяжелые суглинки 53-75 34-50 35-45 19-21 0.0370.048 20-31 1.721.75 1.321.43 45-50

Иртыш 29 0.82.2 средние суглинки 53-69 35-48 25-39 14-23 0.0400.070 28-35 1.661.77 1.261.34 49-52

6 тяжелые суглинки 72-75 42-58 41-53 23-24 0.070 28,39 1.70 1.121.33 49,58

Москва 10 0.5-1.1 средние суглинки 42-66 23-54 32-39 16-22 0.0960.119 25-28 1.521.68 1.221.33 51-55

2 0.0-1.0 46-70 19-30 24-46 17-25 0.0670.109 30-37 1.561.64 1.22 55

при ускоренном высушивании это время сокращалось до 4-6 дней. Высушивание образцов под дополнительными нагрузками было проведено в специальных устройствах: разъемном латунном ящике-обойме и оригинальных кольцах-приставках к стандартному компрессионному прибору. Из верхней части монолита послойно через определенный интервал времени вырезали кольца грунта стандартного размера для определения величины относительной просадочности методом "одной кривой". Были получены данные о просадочности исходных и высушенных аллювиальных пылеватых пород при разных нагрузках (0.01-0.05; 0.1; 0.3 МПа). Усадка грунтов, содержащих 42-75 % пылеватых частиц, при этом оказывается незначительной 0.5-2.0 % (хотя и различной по величине у разных грунтов), несмотря на большую исходную влажность (20-39 %) и высокое содержание тонкодисперсных частиц (11-24 %).

Результаты, полученные на всех образцах высокопористых (4355 %) высоковлажных (20-39 %) современных аллювиальных пород, изначально не обладающих просадочностью, показали, что в ходе дегидратации все образцы приобретают просадочные свойства, которые формируются в элементарном слое при действии на породу только веса самого образца и дополнительных нагрузок. Просадочные свойства проявляются при увлажнении, как правило, под нагрузками (0.1 и 0.3 МПа), превышающими значения природных и влажностях ^ 20-22 %; по мере уменьшения влажности образцов просадочность возрастает.

На величину формирующейся просадочности аллювиальных пылеватых пород при дегидратации влияют различные нагрузки, скорости высушивания, их совместное действие.

Образцы, высушенные под дополнительной нагрузкой, соизмеримой с природной 0.01-0.02 МПа, проявляют просадочность только при существенно больших нагрузках (0.1 и 0.3 МПа) и при значениях влажности < 21 %. Величина коэффициента относительной просадочности этих образцов в целом меньше, чем при высушивании без нагрузки, только под весом самого образца (рис. 1).

Образцы, высушенные при действии дополнительных нагрузок 0.05-0.3 МПа, проявляют просадочность при замачивании при равных или больших нагрузках соответственно. С увеличением дополнительной нагрузки коэффициент относительной просадочности прогрессивно уменьшается (рис. 2).

Влияние различных скоростей высушивания (за счет темтературы и скорости потока воздуха) образцов на величину формирующейся просадочности показано на рис. 3 и 4. Например, эксперименты на образцах среднего суглинка проведены в широком диапазоне температур (20-60 °С) и являются показательными: коэффициенты относительной просадочности образцов, подсушенных при температуре 60 °С, почти в 1.2 раза выше, чем при температуре 40 °С, а они в свою очередь выше, чем при температуре 20 °С. Высушивание образцов под действием потока воздуха разной скорости показывает аналогичную зависимость, но абсолютные значения коэффициента относительной просадочности выше, чем при воздействии разных температур. Экспериментальные данные показывают, что ускоренное подсушивание образцов под действием дополнительных нагрузок, приводит к формированию большей величины коэффициента относительной просадочности, чем подсушивание на воздухе под теми же нагрузками.

Следует отметить, что при высушивании образцов без дополнительной нагрузки при температуре 20°С просадочность проявляется только при нагрузках, превышающих природные, а высушивание образцов за счет воздействия разных температур и потоков воздуха (до низких значений влажности 5-6 %) приводит к формированию просадочности, которая проявляется при замачивании образцов и под нагрузкой 0.01 МПа.

Рис. 1. Зависимость коэффициента относительной просадочности е аллювиальных суглинков (разрез "Иртыш") от давления Р, МПа (а) и влажности XV, % (б). Кривые 1-3 соответствуют давлению при замачивании образцов, МПа: 1-прир. (0.01), 2-0.1, 3-0.3. Сплошная линия обозначает образцы, высушенные под действием веса самого образца, пунктирная - дополнительных нагрузок.

€

0.10

0.03

0.06

0.04

0.01 О

~0 0.1 Рдоп,МПа

Рис. 2. Зависимость коэффициента относительной просадочности е аллювиальных суглинков (разрез "Москва") от различных дополнительных нагрузок при подсушивании образцов Рдоп. Кривые 1-7 соответствуют различным давлениям при замачивании образцов Р, МПа: 1-0.01, 2-0.05, 3-0.1, 4-0.15, 5-0.2, 6-0.25, 7-0.3.

Рис. 3. Зависимость коэффициента относительной просадочности е аллювиальных суглинков (разрез "Иртыш") при влажности 5-8 % от температуры Т, °С (а) скорости потока воздуха V, м/с (б) и при их дегидратации. Кривые 1-3 - см. рис. 1.

Рис. 4. Зависимость коэффициента относительной просадочности е аллювиальных суглинков (разрез "Иртыш"), подсушенных под действием разных температур (а) и с разной скоростью (б) при неодинаковых условиях пригрузки, от влажности W при замачивании под давлением 0.3 МПа. Кривые 1-6 соответствуют различным режимам подсушивания образцов; а: 1,3 - 2.7 м/с, 2,4 - на воздухе; б: 1,2 - 20 °С, 3,4 - 40 °С, 5,6 - 60 °С; сплошная и пунктирная линии - см. рис. 1.

£

0.0б\

В процессе эксперимента прослежена динамика изменения пористости образцов при разных режимах дегидратации. При высушивании образцов аллювиальных суглинков на воздухе (Т « 20° С) происходит уменьшение пористости на 2-5 %; на воздухе под нагрузкой (0.25-0.3 МПа) - 7-8 %. При ускоренном высушивании образцов эта величина сокращается до 2-3 %. Ускоренное подсушивание образцов способствует сохранению высокопористой структуры, что предопределяет получение больших величин коэффициента относительной просадочности.

Полученные экспериментальные данные согласуются с существующими теоретическими представлениями и экспериментальными данными для паст и глинистых грунтов (А.В.Лыков, А.Ф.Чижский, Л.В.Шевченко). Увеличение скорости дегидратации пород сопровождается уменьшением величины деформации усадки из-за неполного изменения объема грунта, соответствующего количеству удаляемой жидкости. Это обусловливает меньшее снижение пористости аллювиальных пылеватых пород в процессе ускоренной сушки и способствует возрастанию величины коэффициента относительной просадочности.

Формирование просадочности в изначально

сильноувлажненных непросадочных аллювиальных пылеватых породах в процессе дегидратации и проявление ее (при снижении влажности до 20-22% и менее) при дополнительных нагрузках обусловлено сохранением их высокой пористости (43-55 %); усадка породы незначительная (0.5-2.0 %). Такой механизм по своей природе является дегидратационпо-недоуплотнительным и является объяснением к образованию эпигенетически просадочных толщ аллювиальных пылеватых пород, распространенных преимущественно вдоль хорошо дренированных узких участков по долинам рек. Величина просадочности зависит от скорости сушки и при увеличении последней возрастает.

В работе было проанализировано влияние состава и свойств аллювиальных пылеватых пород на величину формируемой просадочности при дегидратации. Среди всей выборки образцов легких, средних и тяжелых аллювиальных суглинков наибольшую иросадочность в ходе экспериментов приобрели образцы средних суглинков (разрез "Москва"). Наибольшие величины коэффициента

относительной просадочности имеют образцы с содержанием пылеватых частиц 50-68 % и глинистых 14-20 %. Дальнейшее увеличение глинистости аллювиальных образцов приводит к формированию более плотных структур при высыхании за счет увеличения усадки и при увлажнении породы приводит к развитию значительного набухания, что уменьшает величину просадочности.

С ростом исходной влажности коэффициент относительной просадочности уменьшается, что вызвано постепенным увеличением усадки при увеличении последней. Статистическая обработка зависимости коэффициента относительной просадочности от исходной влажности, проведенная на образцах средних суглинков из всех разрезов, показала тесные корреляционные связи между этими параметрами (г=0.75-0.77).

С ростом исходной пористости величина приобретаемого коэффициента относительной просадочности увеличивается. Наибольшие величины коэффициента относительной просадочности имеют образцы с исходной пористостью 48-54 % (средние суглинки, разрезы "Обь" и "Москва"). С увеличением плотности скелета грунта величина формируемого коэффициента относительной просадочности уменьшается.

Глава 4. Методика и результаты физического моделирования процесса формирования эпигенетической просадочности при дегидратации аллювиальных пылеватых пород в лабораторных условиях на образцах-монолитах большого

размера

Моделирование проведено на образцах современных аллювиальных пород (размером 30x30x100 см), отобраных в разрезе высокой поймы на правом берегу р.Москвы в районе д.Кулаково, в 30 км ниже по течению от г.Москва. Они являются образованиями скрытослоистой микрофации пойменного аллювия.

Состав и свойства исследованных образцов аллювиальных суглинков приведены в таблице 1. В естественных условиях образцы просадочностью не обладают.

Моделирование было проведено по схемам 1 и 2 (см. глава 3). Постоянно действующая нагрузка в 0.02 МПа отождествлялась с нагрузкой перекрывающей аллювий толщи субаэрального генезиса (мощностью 1.25 м при средней плотности грунта 1.60 г/см3) или

нагрузкой за счет возведения сооружения. Таким образом, моделировалось формирование просадочности при дегидратации элементарных слоев аллювиальных пылеватых пород, залегающих на глубинах от 1.25 до 2.25 м.

Эксперименты продолжались 18 - 20 месяцев, в ходе которых были проведены многократные замеры влажности образцов специальным пробоотборником (на отметках 0.15, 0.30, 0.50, 0.75 м). Влажность высушенных образцов, использованных при определении просадочности составляла 4-14 %, что соответствует природной влажности просадочных пород.

Просадочные свойства определяли методом "одной кривой" при нагрузках: природной, 0.05, 0.1 и 0.3 МПа. Величину природной нагрузки при моделировании по схеме 1 расчитывали по формуле: Р=рИ, МПа, по схеме 2: Р=рЬ+0.02, МПа, где р=1.6 г/см3, Ь-глубина, м. Причем, по мере "отработки" монолитов, вес вышележащей толщи компенсировался дополнительной нагрузкой, соизмеримой с природной.

Определение коэффициента относительной просадочности образца, высушенного по схеме 1, при природной нагрузке приводит к набуханию (0.05-0.2%) или слабому проявлению просадочных свойств (0-0.014). При нагрузке 0.05 МПа коэффициент относительной просадочности возрастает и изменяется от 0.005 до 0.112, при 0.1 МПа - от 0.006 до 0.129, при 0.3 МПа - от 0.022 до 0.169. Набухание отмечено у образцов, отобранных с глубины 0.0-0.6 м. В этом интервале величина силы набухания превышает величину структурных связей породы, что и обеспечивает набухание образцов при замачивании. Просадочность образцов при природной нагрузке, видимо, связана с неоднородностью грунтов, обусловленной вертикальной макропористостью. Наибольшие значения коэффициента относительной просадочности отмечены на глубине 0.65-1.0 м, где менее всего проявляются различные процессы (почвообразование, выветривание).

Определение коэффициента относительной просадочности образца, высушенного по схеме 2, показало, что при природной нагрузке его величина преимущественно составляла 0 - 0.010, набухание образцов отсутствовало (табл. 2). Увеличение нагрузки приводит к возрастанию коэффициента относительной просадочности, величина которого соответственно изменялась: при нагрузке 0.05 МПа

Результаты определения просадочности образца, высушенного по схеме 2

Таблица 2

N Глубина,м Влажность, % Степень влажн. Плотность, г/см3 Пористость, % Коэф. пористости Рпр., МПа хЮ"4 Коэф. относит, просадочности при нагрузках, МПа

грунта ск.гр. прир. 0.05 0.1 0.3

1 0.00-0.10 4 0.11 1.38 1.32 51 1.04 216 0 0.005 0.046 0.083

2 0.10-0.15 7 0.18 1.38 1.29 52 1.08 224 0.001 0.019 0.015 0.052

3 0.15-0.25 7 0.18 1.38 1.29 52 1.08 240 0.007 0.012 0.093 0.095

4 0.25-0.35 12 0.32 1.40 1.25 54 1.0 256 0.016 0.031 0.018 0.068

5 0.35-0.40 11 0.25 1.39 1.26 53 1.13 264 0.003 0.024 0.066 0.035

6 0.40-0.45 11 0.28 1.47 1.32 51 1.04 272 0.003 0.015 0.005 0.044

7 0.45-0.55 13 0.33 1.49 1.32 51 1.04 280 0 0.012 0.046 0.054

8 0.55-0.65 11 0.26 1.41 1.27 53 1.12 296 0.016 0.003 0.083 0.061

9 0.65-0.75 12 0.33 1.40 1.25 54 1.0 320 0.005 0.028 0.060 0.050

10 0.75-0.80 10 0.26 1.37 1.25 54 1.0 328 0.023 0.018 0.041 0.121

11 0.80-0.85 11 0.24 1.34 1.21 55 1.22 336 0.009 0.078 0.095 0.107

12 0.85-0.90 13 0.34 1.41 1.25 54 1.0 344 0.026 0 0.016 0.013

13 0.90-0.95 12 0.29 1.39 1.24 54 1.17 352 0.020 0.013 0,085 0.094

14 0.95-1.00 13 0.31 1.40 1.24 54 1.17 360 0.010 0.027 0.002 0.078

сг>

от 0 до 0.078, при 0.1 МПа - от 0.002 - 0.095, при 0.3 МПа - от 0.013 до 0.121.

Глава 5. Изменение мпкростроения аллювиальных пылеватых пород при дегидратации

Исследования микростроения аллювиальных пылеватых пород проводились с помощью комплекса РЭМ микро-ЭВМ на образцах грунта естественного сложения, высушенных с различным режимом и после определения просадочности. Изучено 22 образца, из которых для 11 проведен количественный анализ.

В условиях естественного сложения основным типом твердых структурных элементов аллювиальных пылеватых пород являются агрегаты, достигающие размера крупной пыли 30-50 мкм, тонкого 100 и мелкого 150 мкм песка (средний размер 20-50 мкм), среди них присутствуют плохоокатанные первичные зерна кварца и полевого шпата до 30 мкм, что соответствует аллювиальной переработке зерен. Отдельные твердые структурные элементы связаны в микроагрегаты с помощью глинистого материала. По данным количественного анализа, образцы обладают высокой пористостью 49-53 %. Для изученных грунтов характерно скелетное микростроение. Основную часть порового пространства составляют поры размером 1-10 и 10-100 мкм: 35-37 и 47-53 % от общего числа всех пор соответственно.

При дегидратации образцов отдельные глинистые частицы группируются в микроагрегаты и скапливаются на поверхности более крупных частиц. Средний размер твердых структурных элементов составляет 30-40 мкм. При увеличении дополнительной нагрузки при дегидратации образцов происходит уплощение, распад

макроагрегатов, средний размер твердых структурных элементов уменьшается до 10-15 мкм. В этом же направлении происходит уменьшение общей пористости (с 52.7 - в естественном сложении до 50.7 - после дегидратации без нагрузки и 43.9 % - после дегидратации под нагрузкой 0.3 МПа). Перераспределение порового пространства осуществляется за счет уменьшения пор размером 10-100 мкм (с 74 % до 58 %). Если после дегидратации образцов под действием собственного веса встречаются поры размером 15-20 мкм, то после дегидратации образцов под нагрузкой 0.3 МПа их размер не превышает 10-12 мкм. Микростроение становится более плотным, при этом остается скелетным. После замачивания образцов микростроение

приобретает более однородный характер и представляет собой тонкодисперсную неориентированную матрицу, идет дальнейшее сближение структурных элементов и перераспределение порового пространства в основном за счет пор размером 1-10 и 10-100 мкм.

По данным количественного анализа пористость образцов в процессе эксперимента уменьшается на 6-13 % по ряду: в естественном сложении, после дегидратации под нагрузкой (Р, МПа), тоже, после замачивания под нагрузкой 0.3 МПа; 52.7-50.7(0)-47.1 %, 49.2-46.1(0)-41.4 %, 52.7-40.0(0.1)-33.0 %, 52.7-43.9(0.3)-33.0 % .

Глава 6. Логико-графическая модель формирования просадочности аллювиальных пылеватых грунтов

Логико-графическая модель формирования просадочности лессовых грунтов - графическая схема, которая отражает логику процесса, приводящего к возникновению просадочности. Первые такие модели были разработаны и опубликованы Н.Я.Денисовым и являются общеизвестными. Полученные экспериментальные данные и теоретические представления позволяют отразить в логико-графических моделях влияние дисперсности, минерального состава, скорости дегидратации, величины дополнительной внешней нагрузки, их совместного действия на величину формирующейся эпигенетической просадочности у аллювиальных пылеватых пород.

На основе анализа литературного материала составлена логико-графическая модель, отражающая влияние различного минерального состава глинистой составляющей (рис. 5, а). Аллювиальные отложения, имеющие более гидрофильный состав, проявляют большую величину усадки (отрезок бв'). Отрезок бв' имеет более крутой наклон, чем отрезок бв, этому соответствует уменьшение давления с Р] до Р1" (в первом случае) и с Р1 до Р]' (во втором). Такие породы соответственно, имеют меньшую величину просадочности (кривая 2) по сравнению с отложениями, имеющими менее гидрофильный состав (кривая 1).

На основе экспериментальных данных построены логико-графические модели формирования просадочности с учетом ускоренного подсушивания пород и действия дополнительной нагрузки. Большая скорость дегидратации аллювиальных пылеватых отложений приводит к образованию более пористой (соответственно и более просадочной) породы из-за меньшей величины усадки (отрезок

бв). Если высушиваются грунты одинаковой дисперсности с разной скоростью, то при этом они в процессе усадки теряют одинаковое количество воды (за разные промежутки времени), что сопровождается уменьшением давления с Р] до Р]'. При большей скорости высушивания (кривая 1) положение отрезка бв будет более высоким и пологим, чем отрезка бв' (кривая 2). Для различных гранулометрических разностей модели приведены на рис. 5, б, в.

•¿'2 О

Р.Ш'РЛ'

Р,'Р, РпРл РтРт

е.

Р, Р&РпР» р> Р*РМШ

Да {¡ленае

Рис. 5. Логико-графические модели уплотнения и формирования эпигенетической просадочности аллювиальных отложений: а - имеющих различный состав глинистой составляющей; при различных скоростях дегидратации: б - для легких, в - средних и тяжелых суглинков; при действии постоянной дополнительной нагрузки в процессе дегидратации - г, разных дополнительных нагрузок - д; при ускоренном подсушивании под действием постоянной дополнительной нагрузки - е.

Формирование просадочности у аллювиальных пылеватых отложений при действии постоянной дополнительной нагрузки при дегидратации (переход элементарного слоя толщи пойменных отложений в обстановку надпойменной террасы, последующее возведение сооружения) показано на рис. 5, г. Начало процесса

совпадает с рассмотренными ранее и соответствует отрезку аб. В соответствии с проведенными исследованиями в позиции, обозначенной точкой б прикладывается нагрузка Р2 и происходит соответствующее дополнительное уплотнение. Кривая бб' пройдет несколько выше кривой нормального уплотнения ао, т.к. изменилась влажность - стала меньше оптимальной; при подсыхании происходит усадка (отрезок б'в) и уменьшение давления с Р2 до Р2\ Величина отрезка б'в будет определяться гранулометрическим составом отложений. Кривая 2 отвечает большей нагрузке при дегидратации (рис. 5, д).

Полученные экспериментальные данные и анализ материала позволил построить обобщенную логико-графическую модель формирования эпигенетической просадочности аллювиальных пылеватых отложений при ускоренном подсушивании под действием дополнительной внешней нагрузки (рис. 5, е), кривая 2 отвечает большей нагрузке при дегидратации.

Построенные модели формирования эпигенетической просадочности аллювиальных пылеватых пород отражают влияние особенностей самого грунта и условий дегидратации (применительно к аридным условиям), а также показывают формирование просадочности, проявляющейся при действии собственного веса отложений и дополнительной нагрузки.

Заключение

1. Впервые экспериментально в лабораторных условиях (на образцах разного размера 30x30x30 см и 30x30x100 см) доказана возможность формирования просадочных свойств у изначально непросадочных высоковлажных (20-39 %) высокопористых (43-55 %) аллювиальных пород пойменной фации в ходе дегидратации при положительной температуре.

2. Установлено, что просадочность у аллювиальных пылеватых пород проявляется при различных условиях дегидратации при снижении влажности до 20-22 % при дополнительных нагрузках и возрастает по мере снижения исходной влажности грунтов. Это свойство формируется в элементарном слое при действии на подсыхавшую породу веса самого образца и дополнительных нагрузок. При низких значениях влажности подсушенных без нагрузки образцов

(5-6 %) лишь в отдельных случаях проявляются просадочные свойства при нагрузках, равных природным.

3. Доказано, что на формирование величины коэффициента относительной просадочности аллювиальных пылеватых пород при дегидратации влияют как особенности самого грунта (состав, исходная влажность, пористость, плотность скелета грунта), так и условия дегидратации (величина давления на образец, температура, скорость движения потока воздуха над образцом, их совместное действие).

Наибольшие величины формируемой при дегидратации просадочности среди легких, средних и тяжелых аллювиальных суглинков имеют образцы средних суглинков; максимальную величину коэффициента относительной просадочности имеют образцы, содержащие 50-68 % пылеватых частиц, 14-20% глинистых; с увеличением исходной пористости образцов, уменьшением исходной влажности и плотности скелета грунта величина коэффициента относительной просадочности увеличивается.

Образцы, высушенные под постоянной дополнительной нагрузкой, соизмеримой с природной 0.01-0.02 МПа, проявляют просадочность только при существенно больших нагрузках (0.1 и 0.3 МПа) и при значениях влажности 21 % и менее. Величина коэффициента относительной просадочности в целом меньше, чем при дегидратации без нагрузки, только под весом самого образца.

Образцы, высушенные при постоянном действии дополнительных нагрузок 0.05-0.3 МПа проявляют просадочность при равных или больших нагрузках. С увеличением дополнительной нагрузки формируется лессовый грунт с прогрессивно уменьшающимся коэффициентом относительной просадочности.

Экспериментально доказано влияние температуры и скорости перемещения воздушных масс на поверхности толщи в ходе дегидратации аллювиальных пылеватых сильноувлажненных пород на формирование величины коэффициента относительной просадочности. С ростом этих величин коэффициент относительной просадочности увеличивается. Эти закономерности проявляются как без, так и с действием дополнительной нагрузки.

4. Все закономерности, установленные при моделировании формирования просадочности аллювиальных сильноувлажненных высокопористых пород при дегидратации на небольших монолитах, соответствуют закономерностям, полученным и на "больших"

монолитах: просадочные свойства формируются у образцов в ходе дегидратации при положительной температуре как под действием дополнительной внешней нагрузки, так и без нее, только под действием веса самого образца; величины коэффициентов относительной просадочности образца, подсушенного под нагрузкой, имеют меньшие величины и меньший диапазон изменения и др.

5. В результате качественного и количественного анализов микростроения аллювиальных пылеватых суглинков получено, что в условиях естественного сложения основным типом твердых структурных элементов являются агрегаты, достигающие размера крупной пыли, тонкого и мелкого песка; для образцов характерно скелетное микростроение и высокая пористость 49-53 % (РЭМ). В процессе эксперимента происходит перераспределение порорового пространства за счет пор размером 1-10 и 10-100 мкм.

При дегидратации происходит уменьшение пористости образцов: на воздухе на 3-6 %, при ускоренном подсушивании - 2 %. Таким образом, ускоренное подсушивание образцов способствует сохранению высокопористой структуры, что обеспечивает получение больших величин коэффициента относительной просадочности.

6. Экспериментально подтвержден механизм, приводящий к возникновению просадочных свойств аллювиальных пылеватых пород при дегидратации и заключающийся в сохранении высокой пористости (43-55 %), который по своей природе является дегидратационно недоуплотнительным и объясняет образование эпигенетически просадочных толщ аллювиальных пылеватых пород.

8. В результате лабораторных экспериментов подтверждена гипотетическая схема формирования просадочности применительно к элементарному слою грунта и толщи аллювиальных пылеватых пород, впервые выдвинутая Н.Я.Денисовым.

9. Теоретические модели уплотнения и формирования эпигенетической просадочности аллювиальных пылеватых отложений, полученные на основе экспериментальных данных, отражают влияние особенностей самого грунта, условий дегидратации применительно к элементарному слою грунта и толщи. Эти модели расширяют круг уже созданных, конкретизируют их, показывают формирование просадочности, проявляющейся при действии собственного веса этих отложений и дополнительной нагрузки.