Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Физико-химические основы прогнозирования некоторых физических и механических свойств глинистых пород при их длительном обводнении (на примере глинистых пород Молдовы)

ВАК РФ 04.00.07, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Физико-химические основы прогнозирования некоторых физических и механических свойств глинистых пород при их длительном обводнении (на примере глинистых пород Молдовы)"



>

На правах рукописи

Зильберман Исаак Моисеевич

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ НЕКОТОРЫХ ФИЗИЧЕСКИХ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГЛИНИСТЫХ ПОРОД ПРИ ИХ ДЛИТЕЛЬНОМ ОБВОДНЕНИИ

(па примере глинистых пород Молдовы)

Специальность 04.00.07 - инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата геолого-минералогнческих наук

На правах рукописи

Зильберман Исаак Моисеевич

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ НЕКОТОРЫХ ФИЗИЧЕСКИХ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГЛИНИСТЫХ ПОРОД ПРИ ИХ ДЛИТЕЛЬНОМ ОБВОДНЕНИИ

(на примере глинистых пород Молдовы)

Специальность 04.00.07 - инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата геолого-минералогических наук

Работа выполнялась в лаборатории механических свойств горных пород Института Геофизики и Геологии АН Молдовы и на кафедре геомеханики Израильского Технологического Института.

Научный руководитель:

Научный консультант:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Защита состоится

доктор геологии, профессор А. Коморник

доктор геолого-минералогических наук, профессор P.C. Зиангиров

доктор геолого-минералогических наук, профессор В.А. Королев

кандидат геолого-минералогических наук, доцент С.Н. Емельянов

Институт Литосферы РАН

« id »

fi Я- 1995г. в /3 час.ЗР

мин. на

заседании Специализированного Совета К.ОЗЗ. 11.01 в Производственном и Научно-Исследовательском Институте по Инженерным Изысканиям в Строительстве (ПНИИИС).

Адрес: 105058 Москва, Окружной проезд. 18.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан « » Ж /¿£¡11998г.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) просим высылать по указанному адресу учёному секретарю спецсовета.

Учёный секретарь Специализированного совета кандидат геолого-минералогических наук

О.П. Павлова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Постоянно возрастающая техногенная активность в наши дни приводит ко всё увеличивающейся нагрузке на верхние слои литосферы, попадающие в зону инженерно-геологической активности. Это воздействие выражается в крупномасштабном жилом строительстве, строительстве каналов, оросительных систем, гидроэлектростанций. водохранилищ, дамб, отстойников, различных насыпей и других гидротехнических сооружений, сбросе агрессивных - кислотных, основных, солевых - стоков от промышленных предприятий, стоков органического происхождения от предприятий сельского хозяйства, ферм и частных предприятий. Данное воздействие на грунты приводит к значительным изменениям в химическом составе, структурным изменениям, что влечет за собой падение механических характеристик и потерю несущей способности грунтов. Это, в свою очередь, является причиной многочисленных аварий на гидротехнических сооружениях, подвижек фундаментов зданий, на устранение которых расходуются значительные финансовые средства.

Существует множество примеров негативного воздействия факторов техногенеза на поведение фундаментов зданий, гидротехнических сооружений. К ним относятся подвижки фундаментов цехов завода "Атом-маш" (Россия) в результате воздействия на них воды и циклических нагрузок от станков и установок; подвижки фундаментов жилых помещений в г.Кишиневе на ул. Алехина (Молдова) и в районе Рехасима (Израиль) вследствие поднятия уровня грунтовых вод; прорыв дамбы отходохрани-лища Стебниковского химкомбината (Украина) вследствие ухудшения прочностных свойств глин, лежащих в основе дамбы и т.д. В США ежегодный ущерб, наносимый в результате повреждений сооружении только на глинистых грунтах, составляет от 1 до 9 млрд. $.

Из всех перечисленных факторов техногенного воздействия на грунты наиболее распространенным является их длительное обводнение, встречающееся при сооружении и длительной эксплуатации таких гидротехнических сооружений, как водные каналы, оросительные системы, водохранилища, плотины различного назначения, дамбы. Таким образом, ущерб, наносимый в результате ослабления грунтов при их длительном обводнении, составляет наибольшую долю.

Наиболее опасными и проблематичными для гидротехнического строительства являются глинистые грунты. Глины, представляющие собой сложные, многокомпонентные системы и описывающиеся целым комплектом параметров различной природы, в ходе длительного обводнения активно взаимодействуют с водой, ухудшая при этом свои механические показатели, что приводит, в конечном итоге, к негативным последствиям. В связи с этим задача прогноза механических свойств глинистых грунтов при их длительном обводнении представляется крайне актуальной.

■ Целью настоящей работы явилось:

• Исследование физико-химических процессов, протекающих в глинистых грунтах при их длительном обводнении и лежащих в основе падения прочностных свойств глин.

• На основе выявленных физико-химических закономерностей разработка прогнозных качественных и количественных моделей прочностного поведения глинистых пород при их длительном обводнении.

■ Основные задачи исследования:

• Разработка методики изучения длительного обводнения глинистых пород;

• Выявление основных факторов, формирующих и контролирующих прочностное поведение глинистых пород при длительном обводнении, выявление и ранжирование основных физико-химических параметров глин, на основе которого возможно построение физико-химических прогнозных моделей поведения глин при их обводнении;

• Изучение влияния структуры глин на их химические, физические и механические свойства до и после длительного обводнения;

• Изучение влияния длительного обводнения глин на их химические, физические и механические свойства (проведение качественного прогнозирования);

• Изучение кинетических закономерностей выщелачивания солей из глинистых пород при длительном обводнении.

• разработка и сравнение вероятностных и детерминированных прогнозных моделей прочностного поведения глин при длительном обводнении (проведение количественного прогнозирования).

Методика и объем исследования. Решение поставленных задач основывалось на разнообразнейших и современных экспериментальных и теоретических методах исследования. Так, для физического моделирования длительного обводнения была сконструирована установка и разработана оригинальная методика проведения эксперимента по длительному контактированию породы с водой. Изучение физико-химических, физических и механических свойств глин в их естественном и выщелоченном состоянии проводилось при помощи целого ряда методов, включая рентге-нофазовый анализ, электронную микроскопию и термогравиметрию. Исследование химических свойств глин до и после обводнения, а также ионного состава фильтрата проводилось при помощи химических и физико-химических методов анализа, включая атомно-адсорбционную спектроскопию, турбидиметрию и спектрофотоколориметрию. Наряду с экспериментальными, в работе широко использовались и теоретические методы исследования. Среди них факторный и ассоциативный анализы для выявления и ранжирования основных факторов и параметров, формирующих свойства глинистых систем; дисперсионный анализ для выявления основных источников вариации в глинах. Качественный прогноз базировался на статистическом анализе показателей и сравнении средних величин показателей в естественном и выщелоченном состояниях. Количественное прогнозирование базировалось как на создании вероятностных моделей при помощи парного и множественного регрессионных анализов, так и на детерминированных моделях,' использующие жесткие связи. Все расчеты осуществлялись на основе мощных вычислительных средств. Так, факторный и ассоциативный анализы проводились на компьютере 1ВМ-3081-В

при помощи специально разработанной программы; корреляционный анализ — на ЭВМ «Минск»; дисперсионный, статистический, регрессионный анализы, а также другие расчёты проводились на компьютере PC «Pentium» при помощи пакетов прикладных программ «Grapher», «Statgraph», «Simstat» и др. Расчеты детерминированной модели для глинистых грунтов различной структуры (компьютерное моделирование прочностного поведения) осуществлялось по специально созданной автором программе на языке «Fortran - 77».

В исследования полного набора всех свойств глинистых грунтов как в естественном, так и в выщелоченном состояниях было вовлечено в общей сложности 450 образцов естественного сложения. Экспериментальному длительному обводнению было подвергнуто 109 образцов естественного сложения. Модельные эксперименты проводились на 4 глинисто-песчаных модельных образцах.

Новизна работы заключается в разработке подхода к количественному прогнозированию механических свойств грунтов, связанного с созданием детерминированных физико-химических моделей, в частности, в:

а. Выявлении и ранжировании прогнозных физико-химических параметров глин посредством проведения факторного и ассоциативного анализов параметров различной природы применительно к системе глинистых грунтов.

б. Методике исследования изменения свойств глинистых грунтов под действием длительного обводнения в пределах каждой структурной группы.

в. Применении качественных физико-химических моделей структурной конверсии глин и межфазового взаимодействия в глинах к интерпретации полученных экспериментальных данных по изменению свойств глин в ходе их длительного обводнения.

г. Методе расчета коэффициентов диффузии катионов в глинах в условиях длительного обводнения (свободного набухания и развития структуры).

д. Разработке прогнозной физико-химической модели в рамках детерминированного подхода к количественному прогнозированию механических свойств глинистых грунтов при их длительном обводнении.

е. Принятии параметра SAR (sodium adsorption ratio) в качестве основного физико-химического прогнозного параметра и модели, связывающей физико-химию глин с прочностными параметрами.

Практическая ценность диссертации состоит в том, что результаты исследований, проведенные в диссертационной работе, могут служить в качестве теоретической базы для создания мобильных компьютерно-механических комплексов с целью осуществления экспресс-прогноза возможной реакции породы на техногенное воздействие непосредственно на площадке. Это позволит сократить время изыскательских работ и повысить оборачиваемость капиталовложений.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на тематических семинарах лаборатории физико-механических

свойств горных пород Института Геофизики и Геологии АН МССР (Кишинев, 1987, 1988 гг.), ПНИИИСа (Москва, 1989, 1990 гг.). на XX и XXI Международных научных конференциях по проблемам в области исследования глин (Иерусалимский Университет, Иерусалим, 1993 , 1994 гг.)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, сводки основных результатов и выводов, списка цитируемой литературы, трёх приложений (страниц — 257, рисунков — 47, таблиц — 29, библиография — 145 наименований).

Диссертационная работа выполнена автором за время работы в лаборатории физико-механических свойств горных пород Института Геофизики и Геологии АН МССР (1986 - 1990 гг.), а также на кафедре геомеханики факультета Гражданской Инженерии Израильского Технологического Института (1993 -1995 гг.) Автор выражает глубокую благодарность:

• профессору геологического факультета МГУ, доктору геолого-минералогических наук Зиангирову P.C. - за ценное обсуждение вопросов, рассматриваемых в диссертации, и организационное содействие.

• старшему научному сотруднику геологического факультета МГУ, кандидату геолого-минералогических наук Злочевской Р.И. - за ценное обсуждение вопросов физико-химического плана.

• зав. лабораторией физико-механических свойств горных пород Института Геофизики и Геологии АН МССР, доктору геолого-минералогических наук | Монюшко A.M. | - за организационное содействие при работе над диссертацией.

• директору Северо-Кавказского отделения ПНИИИСа г. Ставрополя, кандидату химических наук Пахомову С.И. - за ценные советы и постоянное обсуждение вопросов на протяжении всей работы над диссертацией.

• доктору геомеханики, профессору кафедры геомеханики факультета Гражданской Инженерии Израильского Технологического Института /Техниона) А. Коморнику - за финансовое содействие при работе над главами I и IV.

• доктору математической геологии, профессору кафедры геомеханики Израильского Технологического Института (Техниона) В. Рерлих и кандидату геолого-минералогических наук Зайцеву P.C. - за ценные советы при работе над главой I.

• Автор признателен всем сотрудникам лаборатории физико-механических свойств горных пород Института Геофизики и Геологии АН Молдовы, 10-го отдела ЦАМа АН Молдовы, Северо-Кавказского отделения ПНИИИСа г. Ставрополя за помощь в проведении всех необходимых анализов и определений, результаты которых были использованы в диссертации, а также кандидату геолого-минералогических наук, А. Болотину - за проведение термо-гравиметрических определений.

• Автор выражает благодарность своим родителям и членам своей семьи за оказанную финансовую и моральную поддержку в период написания диссертации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулированы основная цель и задачи исследования. Показана их актуальность, а также научное и практическое значение проведённых работ.

Первая глава диссертации содержит описание общих стандартных методов изучения химических, физико-химических, водно-физических, физических, механических свойств глинистых пород, а также методики отбора и подготовки образцов. Описаны методики проведении рентгено-фазового, электронно-микроскопического и термогравиметрического анализов для исследования минералогии глин, а также методика подготовки образцов к этим анализам. Кроме этого, в главе описана оригинальная методика экспериментального моделирования длительного обводнения глинистых образцов в условиях свободного набухания. В кольцо из оргстекла (1) помещался образец грунта (2) (Рис. 1). В поддоне (3) через каналы (4) проходил ток воды, омывающей нижнюю поверхность образца. Над верхней поверхностью образца проводилась ежесуточная смена воды. Набухание образца измерялось при помощи поршня с пористой пластиной (5) и часового индикатора. Общая длительность эксперимента - 100 суток. Скорость потока составляла 0.2 л/сутки. Общий объем воды, протекшей через образец, составил - 20л. В главе также изложены общая методология _ исследования длительного

фильтрат

фильтрат

обводнения глин и математические методы, применяемые в работе.

В главе также приводится полная инженерно-геологическая характеристика образцов глинистых пород Молдовы. Для выделенных генетических стратумов — Среднего Сармата, Верхнего Сармата и Балтской свиты приведены таблицы химических, физических и механических свойств глин.

Значительное внимание в главе уделяется факторному и ассоциативному анализам образцов глинистых пород Молдовы. На основе факторного и ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ ассоциативного анализов ИИИИИИИИИИИИИИИИИИИ выделяются и ранжируются группы основных и дополнительных параметров, рекомендованных в качестве прогнозных.

Факторный анализ глинистых систем проводился Аркли (1971), Гольдбергом и др. (1988), Литором (1989), Донкином и Феем (1991). В ре-

Рис. 1.

Общая схема установки для физического моделирования длительного обводнения глинистых пород

зультате этих исследований были выделены такие параметры, как обменная ёмкость, структура, мощность пласта, окислы алюминия и железа, органика, общая минерализация, содержание кальцита, рН.

Факторный и ассоциативный анализ проводился нами в общей сложности на 51 образце (33 образца с пластифицированно-коагуляци-онной структурой и 18 образцов с коагуляционно-цементационной структурой) в пределах 6 подгрупп: общей, групп образцов с пластифицирован-но-коагуляционной и коагуляционно-цементационной структурами в естественном и выщелоченном состояниях.

В результате было выяснено, что глинистые системы очень хорошо

описываются факторной моделью (Табл. 1).

Приблизительно аналогичные факторные модели сохраняются и в остальных подгруппах образцов в естественном и выщелоченном состояниях. Выделена основная группа наиболее информативно-емких параметров XI2 (коэффициент агрегированности для частиц < 1 р), Х2 (содержание глинистой фракции в образце), XI (содержание монтмориллонита в глине) и Х6 (содержание карбонатов в образце), которые могут быть рекомендованы в качестве прогнозных (Рис. 2). В зависимости от структуры образцов в основную группу параметров входят также параметры содержания гипса в образце, калия и натрия в поровом растворе, свободного набухания.

Наибольшей значимостью в основной группе обладает параметр XI2, вследствие того, что физические и механические свойства глин определяются, в основном, на структурном уровне частиц размером < 1 р.

Выделена также дополнительная группа параметров — Х9 (общая пористость образца) и Х7 (абсолютное содержание натрия в обменном комплексе) — которые также могут быть использованы для уточнения прогноза. Свойства глинистых пород формируются под действием двух факторов — структурного и вещественного — при некотором преобладании первого.

Табл. 1. Результаты факторного анализа основных ин-женерно-геологическипх параметров естественных образцов глинистых пород Молдовы общей _группы

Фактор Процент Гистограмма факторных счетов

1 45.194

2 29.409

3 14.487

4 5.763

5 2.502 •

6 1.475

7 0.458

8 -

0.8 0.6 0.4

§ 0.2

§ 0.0 ей

-0.2 -0.4

X

о о $

ООО

о о

о о 9 9

Ч2

X

X

XXX Основные ннженерно-геологичсскпе параметры

Рис. 2. Диаграмма параметрических вкладов в первый

фактор для естественных образцов глинистых пород Молдовы общей группы

Выявлено относительно небольшое влияние структуры на ролевое распределение параметров. В группе образцов с пластифицированно-коагуляционной структурой основная группа параметров включает также в себя и параметр Х5 (содержание гипса в образце). Параметр XI2 имеет преобладающую значимость. В группе образцов с коагуляционно-цементационной структурой основная группа параметров остается неизменной, хотя имеет место некоторое ролевое перераспределение — понижение значимости параметра Х12 и повышение — Х6. Группа дополнительных параметров в обеих группах образцов остается неизменной. Структура не оказывает влияния на общефакторную картину: в обеих группах образцов свойства глин контролируются структурным и вещественным факторами при доминировании первого.

Обнаружено значительное влияние длительного обводнения как на ролевое распределение параметров, так и на значимость факторов. В общей группе образцов параметр Х2 переходит из основной в дополнительную группу параметров. В группе образцов с пластифицированно-коагуляционной структурой влияние обводнения максимально — статус основных теряют параметры XI и Х2, при этом усиливается влияние структурного фактора. В группе образцов с: коагуляционно-цемента-ционной структурой влияние обводнения минимально — основная группа параметров сохраняется, а в дополнительную, наряду с имеющимися, могут быть включены параметры Х14 (свободное набухание) и Х4 (суммарное содержание и К+- катионов в поровом растворе), при этом влияние структурного фактора несколько возрастает, хотя и не в такой степени, как в предыдущей группе.

Во второй главе изучается влияние структуры на химические, физические и механические свойства глинистых пород. В данной главе (и далее) на основе выделения структурного фактора, как определяющего поведение

глин, все образцы, согласно классификации дисперсных осадочных пород И.М. Горьковой, делятся на две труппы по коэффициенту агрегированное™ для частиц < 5 ц — группу образцов с пластифицированно-коагуляционной структурой и группу образцов с коагуляционно-цементационной структурой. Все последующее изучение проводится параллельно, в рамках каждой группы. В главе исследовано влияние структуры на химические, физические и механические свойства глинистых пород в естественном и выщелоченном состояниях. Для интерпретации экспериментальных данных приводится качественная модель структурной конверсии глин различной структуры при их длительном обводнении.

Структура глинистых грунтов естественного сложения оказывает существенное влияние на такие инженерные показатели, как сцепление, сопротивление сдвигу, свободное набухание, давление набухания, Для более флоккулированных образцов с пластифицированно-коагуляционной структурой характерны более высокие значения сцепления, сдвиговой прочности, набухания и давления набухания по сравнению с менее флок-кулированными образцами с коагуляционно-цементационной структурой. Структурный фактор играет решающую роль при формировании данных показателей.

Структура глинистых грунтов естественного сложения не оказывает влияния на величины угла внутреннего трения, пластической прочности, естественной влажности, влажности набухания, пределов текучести и пластичности, числа пластичности, объемной плотности грунта, плотности сухого грунта, общей пористости. Очевидно, при формировании данных параметров большая роль принадлежит вещественному фактору, определяющемуся в решающей степени минералогическим составом породы.

Различия в вышеуказанных механических свойствах обеих структур обусловлены меньшими значениями для образцов с пластифицированно-коагуляционной структурой таких параметров «микроуровня», как монтмориллонит и свободный кремнезем, и большим содержанием обменного натрия, эти параметры объединены в вещественный фактор, и воздействуют на механические параметры «макроуровня» через структуру.

Существенные различия между двумя структурами сохраняются и в выщелоченных образцах. Для образцов с пластифицированно-коагуляционной структурой характерны более высокие значения содержания обменного кальция, общей минерализации, магния и бикарбонатов в поровом растворе, коэффициента агрегированности для частиц < 1 ¡д., меньшие значения содержания хлора в поровом растворе, аморфного кремнезема. Нивелируются различия в механическом составе и наблюдается «структурная конверсия» в пределах глинистой фракции.

В главе детально изучались структурные изменения глинистой фракции естественных и обводненных образцов. Оценка структуры проводилась по коэффициенту агрегированности на двух структурных уровнях -для части < 5 ц и <1 ц. В ходе длительного обводнения наблюдается взаимно-противоположные тенденции в развитии структуры на обоих уровнях для образцов с различным типом структуры. Так, в образцах с пласти-фицированно-коагуляционной структурой наблюдается рост коэффициента агрегированности для частиц < 5 ц с 1.60 до 1.90, а в образцах с коагу-

ляционно-цементационной структурой — его падение с 4.30 до 2.01. Таким образом, на данном уровне происходит почти полная гомогенизация и стирание различий между обеими структурами. Для коэффициента агреги-рованности для частиц < 1 ц наблюдаются аналогичные тенденции развития, однако, с гораздо большей амплитудой. При этом обе структуры, прогрессируя в разных направлениях, меняют степень агрегации на противоположную по отношению друг к другу. Так, для коэффициента агрегированное™ для частиц < 1 ц в образцах с пластифицированно-коагуляционной структурой наблюдается рост с 10.50 до 24.92, а в образцах с коагуляционно-цементационной структурой - падение с 17.61 до 9.87. Данная качественная модель структурной конверсии хорошо объясняет различное механическое поведение глин различной структуры при их длительном обводнении.

Структура образцов естественного сложения влияет на свободное набухание и пластическую прочность выщелоченных образцов. Для образцов с пластифицированно-коагуляционной структурой наблюдаются большее свободное набухание и меньшая пластическая прочность по сравнению с образцами с коагуляционно-цементационной структурой. Различия в свободном набухании образцов обеих структур обеспечиваются различным содержанием аморфных силикатов, а в пластической прочности — структурной конверсией глинистых частиц размером < 1 ц.

Далее в данной главе изучается влияние длительного обводнения глинистых пород на их химические, физические и механические свойства. Интерпретация изменений химических свойств проводится на основе качественной физико-химической модели межфазового взаимодействия в глинах и балансовой модели для твёрдофазных компонентов. Интерпретация структурных изменений, изменений физических и механических свойств даны на основе модели структурной конверсии. На основе проведенного исследования дан качественный прогноз изменений механических свойств глин при длительном обводнении.

Выщелачивание глинистых грунтов приводит к изменению состава обменного комплекса: обменный комплекс образцов с пластифицирован-но-коагуляционной структурой обогащается кальцием за счет вытеснения натрия и магния в поровый раствор; обменный комплекс образцов с коагуляционно-цементационной структурой обогащается калием за счет вытеснения натрия в поровый раствор (Табл. 2). Выщелачивание глинистых грунтов приводит к изменению состава порового раствора. В целом, поро-вые растворы образцов обеих структур испытывают сходные тенденции. В поровом растворе образцов с пластифицированно-цементационной структурой происходит падение концентрации натрия, рост концентрации магния; концентрация калия остается неизменной. Рост концентрации магния объясняется дополнительным поступлением катиона в поровый раствор из обменного комплекса. В поровом растворе образцов с коагуляционно-цементационной структурой наблюдается падение концентрации натрия и калия. В поровом растворе образцов обоих типов структур происходит падение концентрации хлоридов и сульфатов. В ходе выщелачивания по-ровые растворы образцов обеих структур стремятся к гомогенизации своего состава. Характерен переход от хлоридно-сульфатно-натриевого типа

Табл. 2. Изменение химических, физических и механических свойств глин Молдовы различной структуры при их длительном обводнении

Параметры Образцы с лласгофишфованно-коагулнцнонным типом структуры :Обра с коагул цемента! типом ст зцы шионно-щонным руктуры

естественные после обиоднсния естественные после ОЙИО.Ш«ПНГ

Обм. емкость, мг.-экв./ШО г. 21.40 20.54 21.23 19.34

Обм. натрий, мг.-экв./100 г. 2.17 0.50 0.92 0.46

Натрий водной вытяж., г./ЮО г. 0.0343 0.0057 0.0234 0.0050

Общая минерализация, г./ЮО г. 0.1465 0.1010 0.1253 0.0834

Гипс, % 0.09 0.19 0.08 0.19

Карбонаты,% 10.18 8.89 8.13 10.11

Глина, % 43.03 35.50 18.59 32.40

Коэфф. агр. для частиц <5 ¡л 1.60 1.90 4.30 2.01

Коэфф. агр. для частиц < 1 ц 10.50 24.92 17.61 9.87

Естественная плотность, % 23 46 26 43

Объемная влажность, г./см3 2.05 1.78 2.00 1.82

Пластическая прочность, кг./см2 5.02 0.29 4.46 0.47

Сцепление, кг./см2 1.38 0.44 1.03 0.49

Угол внутреннего трения,0 15 12 15 13

Сопротивление сдвигу, кг./см2 1.67 0.64 1.29 0.70

засоленности для образцов с пластифицированно-коагуляционной структурой и от хлоридно-сульфатно-кальциево-натриевого типа засоленности для образцов с коагуляционно-цементационной структурой к одному, хлоридно-сульфатно-магниево-кальциевому типу засолённости. Наблюдается примерно одинаковое падение общей минерализации в образцах обеих структур. Это объясняется гомогенизацией структур на уровне частиц < 5 р и конверсией структур на уровне частиц < 1 р. В изменении обменной ёмкости глинистых грунтов при длительном обводнении отсутствует какая-либо одна преобладающая тенденция. Имеет место как рост, так падение и неизменность этой величины. Изменение обменной емкости в ходе обводнения контролируется развитием дисперсности породы. Дисперсность породы, в свою очередь, контролируется как физико-химическим фактором (состояние обменного комплекса, порового раствора), так и механическим фактором (накопление гипсового цемента, механическая суффозия кальцита и магнезита). Таким образом, различные комбинации обоих факторов предопределяют широкий спектр варьирования обменной емкости в процессе длительного обводнения.

Длительное обводнение оказывает влияние на состояние твёрдо-фазных компонентов глинистых грунтов. В большинстве образцов обеих структур наблюдалось существенное повышение содержания гипса. В об-

разцах обеих структур происходит рост, падение содержания карбонатов, а также наблюдается его неизменность. Все три тенденции представлены в глинах в равном масштабе. В образцах с коагуляционно-цементационной структурой наблюдается падение содержания аморфного кремнезема, в образцах с пластифицированно-коагуляционной структурой — неизменность содержания органического материала и рост содержания двухвалентного железа, во всех образцах содержание трёхвалентного железа оставалось неизменным.

В результате длительного обводнения глинистые породы изменяют свой дисперсный состав. В образцах с пластифицированно-коагуляци-онной структурой происходит уменьшение содержания глинистой и увеличение содержания пылеватой и песчаной фракций. В образцах с коагуляционно-цементационной структурой происходит увеличение содержания глинистой фракции и уменьшение содержания пылеватой и песчаной фракций. Дисперсность глинистых пород контролируется ионообменными процессами, процессами накопления гипса, а также диффузионным разбавлением порового раствора. При увеличении содержания песчаной и глинистых фракций происходит увеличение дисперсии фракционного содержания.

В ходе длительного обводнения структура глинистых пород претерпевает определенные изменения. В целом, для образцов с пластифици-рованно-коагуляционной структурой более характерна агрегация структуры на обоих уровнях; для образцов с коагуляционно-цементационной структурой — дезагрегация. Однако, детальный анализ обнаруживает в некоторых образцах достижение порога агрегации и переход структуры к ближней (дальней) агрегации, в некоторых образцах этот переход не наблюдается. Агрегация — дезагрегация принимает скачкообразный характер по достижении образцами порога агрегации. Переход структуры на каком либо из уровней к ближней (дальней) агрегации происходит при большом изменении (в несколько десятков раз) соответствующего коэффициента агрегированности или большом изменении обоих коэффициентов. В ходе длительного обводнения глинистых пород имеют место различные тенденции развития структуры на разных уровнях, протекающих в одном образце: агрегация частиц < 1 ц и < 5 ц, дезагрегация частиц < I ц и <5 ц, а также одновременные дезагрегация частиц < 1 ц и агрегация частиц < 5 ц. В процессе длительного обводнения структура глинистых грунтов претерпевает следующее развитие: для образцов с пластифицированно-коагуляционной структурой — переход от «скол-базис флоккулированно-го и дисперсного» типа структуры к «скол-базис флоккулированному и агрегированному» типу структуры; для образцов с коагуляционно-цементационной структурой — обратный переход от «скол-базис флокку-лированного и агрегированного» типа структуры к «скол-базис флоккулированному и дисперсному» типу структуры. В образцах, где протекает медленная агрегация (дезагрегация), намечены лишь тенденции деформации структур к указанным типам. В образцах, где протекает быстрая, скачкообразная агрегация (дезагрегация), происходит достижение этих типов структур и установление нового потенциального минимума.

Длительное обводнение глинистых грунтов приводит к увеличению

влажности, общей пористости, падению объемной плотности и плотности сухого грунта. Изменение этих свойств для образцов с пластифицирован-но-коагуляционной структурой существенно превосходит изменения, характерные для образцов с коагуляционно-цементационной структурой. Это обусловлено большим содержанием натрия в обменном комплексе образцов с пластифицированно-коагуляционной структурой. Длительное обводнение глинистых грунтов не влияет на пределы пластичности и текучести, число пластичности, которые сохраняют свое значение в выщелоченных образцах.

Длительное обводнение глинистых грунтов приводит к падению всех прочностных характеристик. Дня образцов с пластифицированно-коагуляционной структурой характерно более резкое падение прочностных характеристик, чем для образцов с коагуляционно-цементационной структурой. Это происходит вследствие конверсии структуры глин на уровне частиц размером < 1 ц. Длительное обводнение не оказывает влияния на величину деформации свободного набухания.

В третьей главе всесторонне исследована кинетика выщелачивания растворимых солей из глинистых пород при их длительном обводнении. Рассчитаны величины порядка реакции выщелачивания для катионов кальция, магния и натрия, а также аниона хлора. Изучено влияние структуры, типа катиона, внешнего давления на породу на кинетику выщелачивания.

В данной главе приведено теоретическое моделирование диффузионных процессов в глинах. Предложены математические модели коэффициентов диффузии катионов, проанализированы существующие диффузионные модели, на основе одной из них рассчитаны коэффициенты диффузии катионов кальция, магния и натрия в глинах при их длительном обводнении. Исследовано влияние структуры глин на коэффициенты диффузии катионов.

Порядок реакции выщелачивания катионов зависит от типа структуры. При переходе от образцов с коагуляционно-цементационной к образцам с пластифицированно-коагуляционной структурой для выщелачиваемых катионов наблюдается повышение порядка реакции выщелачивания: для №+-катиона — от 1-го к Ш-му, для Са2+-катиона — от 1-го или 11-го, однозначно, ко Н-му, для Мй2+-катиона — от 1-го к Ш-му, соответственно. Порядок реакции выщелачивания С1--аниона не зависит от типа структуры глинистых образцов и равен III.

Кинетика выщелачивания №С1 из глинистых образцов в условиях неизменного объема (под арретиром) зависит от их структуры. Для пла-стифицированно-коагуляционных структур характерен более «мягкий» вынос вещества — равномерно, по всему объему, в больших количествах на протяжении достаточно длительного времени. Форма кривой выщелачивания — пологая, описывается экспонентой. Для коагуляционно-цементационных структур характерна более «резкая» кинетика выноса — в основном, из транзитных пор в больших (относительно с последующим выносом) количествах в течение нескольких первых суток, после чего следует медленное эллюирование вещества в малых количествах. Форма кривой выщелачивания — в начале резко вниз, затем пологий участок. Наи-

более удачное описание — степенная функция.

Для процесса выщелачивания 1Уа+-катиона из образцов с пластифи-цированно-коагуляционной структурой была выявлена стадийность процесса. Граница между стадиями выщелачивания проходит на рубеже 3-го и 4-го дня. Оптимальное описание сращенной модели следующее: первая стадия описывается линейным законом, вторая — экспоненциальным.

Для процесса выщелачивания №+-катиона из образцов с коагуля-ционно-цементационной структурой стадийность не обнаружена, наилучшим образом процесс описывается экспоненциальной функцией.

Изучение концентрационных зависимостей кальция и магния в фильтрате выщелачиваемых образцов указывает на наличие менее выраженной Ш-ей стадии, связанной с тонкими и быстрыми агрегационными (флоккуляционными) процессами на рубеже 35 - 40 дней при обводнении образцов с пластифицированно-коагуляционной структурой.

В условиях выщелачивания при свободном набухании образца структура не оказывает влияния на коэффициенты выщелоченности, начальную скорость выщелачивания, время полувыщелачивания натрия вследствие интегрального характера этих величин и конверсии структур при обводнении во взаимно-противоположные направления.

Обнаружено, что тип катиона оказывает большое влияние на процессы выщелачивания, особенно из образцов с пластифицированно-коагу-ляционной структурой. При исследовании временных зависимостей концентраций выщелачиваемых катионов в фильтрате был обнаружен т.н. «седловидный эффект» - седловидная форма концентрационного облака. Для Са2+-катиона характерна ярко выраженная «седловидность» концентрационного облака, для 1У^2+-катиона она выражена гораздо слабее, для №+-катиона «седловидность» отсутствует. Данные различия в кинетике выщелачивания обусловлены различной ролью катионов в ионообменных реакциях.

Обнаружено влияние давления на кинетику выщелачивания катионов из образцов с пластифицированно-коагуляционной структурой. Давление, оказываемое на выщелачиваемый образец, в той или иной степени (в зависимости от типа катиона), оказывает «сглаживающее» воздействие на кривые выщелачивания. При этом происходит исчезновение «седловидного» эффекта. «Сглаживающее» влияние давления объясняется затрудненностью структурных преобразований в ходе обводнения под явлением.

В данной главе приводится расчет коэффициентов диффузии катионов натрия, кальция и магния из образцов пород при их длительном обводнении Для расчёта коэффициентов диффузии использовалось уравнение второго закона Фика:

= (1) Л йх

Где с — концентрация растворённого вещества; t — время;

В — эффективный коэффициент диффузии растворенного вещества в пористой среде; х — координата,

(2)

(3)

(4)

при следующих начальных и граничных условиях: с = со при 0 <х < й и Г = 0 с- 0 при х = И и г >0 _ о прих=И и I >0

с1х

При данных условиях и при значениях критерия Фишера более 0.08 (Ро > 0.08) аналитическое решение уравнения (1) принимает следующий вид:

-ехр -| л | £)г

я

(-1)"

2И

2л-1

СОБ———ЯХ

2И

(5)

5.00

о.оо-

20.00

1 10.00 —

10 20 [. сут.

I

30

Уравнение (5) использовалось для расчёта коэффициентов диффузии катионов в породе. Для приспосабливания математической модели диффузии (1) с постоянным коэффициентом диффузии к реальной физической модели выщелачивания, где коэффициент диффузии является переменной величиной, модель (1)-(5) была последовательно применена к ряду стационарных диффузионных картин с неким усредненным коэффициентом диффузии за рассматриваемый период. В результате расчётов были получены графики динамики падения коэффициентов диффузии натрия (Рис. 3), кальция и магния в ходе длительного обводнения глин, а также их аналитические выражения.

Кроме этого, было выявлено различие в средних значениях коэффициентов диффузии, рассчитанных за начальный период обводнения

0.00

I

20

«,сут.

Рис. 3. Динамика падения коэффициента диффузии катирна натрия в образцах глинистых пород при их длительном обводнении в условиях свободного набухания.

Л- образцы с пластифицировапно-коа-■уляционным типом структуры;

Б - образцы с коагуляцнонно-цемен-тационным типом структуры.

для разных структур. Для образцов с коагуляционно-цементационной структурой средние значения коэффициентов диффузии катионов превышают аналогичные для образцов с пластифицированно-коагуляционной структурой на 34—36%. Обнаружено также различие между обеими структурами в динамике падения коэффициентов диффузии катионов при выщелачивания. Динамика падения коэффициентов диффузии катионов при выщелачивания образцов с коагуляционно-цементационной структурой носит более резкий характер.

Четвертая глава посвящена количественному прогнозированию механических свойств глинистых пород при их длительном обводнении. В данной главе проводится сравнение двух принципиально различных подходов к количественному прогнозированию механических свойств глин — стохастическому, основанному на теории вероятности, и детерминированному, основанному на жестких причинно-следственных соотношениях.

В рамках первого подхода приводятся соотношения между основными прогнозными физико-химическими параметрами и величинами относительного падения пластической прочности, сцепления, сдвигового сопротивления, позволяющие прогнозировать последние с определенной точностью при длительном обводнении породы.

На основе рассчитанных коэффициентов диффузии для катионов кальция, магния и натрия предлагается детерминированный подход для решения вопроса количественного прогнозирования механических параметров. На основе данного подхода разработана физико-химическая смешанная, детерминированно-стохастическая модель для количественного прогнозирования концентрации катионов кальция, магния и натрия в по-ровом растворе, величин SAR и ESP (exchangeable sodium percentage), а также пластической прочности выщелачиваемых глин. Проведено сравнение экспериментальных данных с теоретическими, рассчитанными на модели.

Попытки прямого стохастического прогнозирования механических свойств глин при их длительном обводнении на основе физико-химических параметров методом парной регрессии не дали положительного результата вследствие низких значений парного коэффициента корреляции. Прогнозирование методом множественной корреляции, хотя и несколько повышает значения коэффициентов корреляции, также не приводит к успеху.

Косвенный прогноз механических свойств глин на основе параметра времени полувыщелачивания методом парной регрессии дает более высокие значения коэффициентов корреляции по сравнению со множественной регрессией, однако, недостаточные для осуществления прогноза приемлемой достоверности.

На основе проведенного дисперсионного анализа основных физико-химических параметров было выявлено, что более половины дисперсии системы составляет случайная компонента, что создает принципиальные трудности для осуществления вероятностного прогноза.

В результате применения детерминированно-стохастической модели для прогнозирования пластической прочности глин при их длительном обводнении были обнаружены симуляция моделью общей формы экспериментальной кривой, а также чувствительность модели к глинам различ-

ной структуры (Рис. 4). Дальнейшая разработка модели представляется весьма перспективной.

Рис. 4. Теоретические и экспериментальные кривые изменении пластической прочности образцов глин при длительном обиодпешш

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЬШОДЫ

диссертационной работы можно сформулировать следующим образом:

и Впервые система глинистых грунтов рассмотрена в качестве многоуровневого и мультипараметрического информационного поля. Дано строгое обоснование выбору и ранжированию прогнозных параметров, определяющих поведение глинистых грунтов при их длительном обводнении. В качестве прогнозных рекомендованы параметры коэффициента агрегированности для частиц < I ц, содержания монтмориллонита, глинистой фракции, кальцита и магнезита, гипса, обменного натрия, общей пористости. Выделены два фактора— структурный и вещественный, формирующие все свойства глин в естественном и выщелоченном состояниях,

2. Исследовано влияние структуры на комплекс химических, физических и механических свойств глинистых грунтов в естественном и выщелоченном состояниях. Выявлено существенное влияние структурного фактора на величины сцепления, сдвигового сопротивления, свободного набухания, давления набухания. Различия в механических свойствах образцов разной структуры обусловлены различиями в минералогии п химическом составе. При обводнении различия между породами разных типов структур частично нивелируются. Приведена качественная модель структурной конверсии глинистых пород при их обводнении.

3. Исследовано влияние длительного обводнения на комплекс химических, физических и механических свойств глинистых грунтов. Выявлено, в целом, ослабление ряда физических, механических характеристик и ухудшение несущей способности глин. Для образцов с пластифици-роваино-коагуляционной структурой, в целом, характерен более широкий интервал изменения ряда свойств по сравнению с образцами с коагуляционно-цементационной структурой. Приведены физико-химические модели межфазового взаимодействия в глинах, балансовая модель. На основе этих моделей и модели структурной конверсии проинтерпретированы экспериментальные данные.

4. Изучена кинетика выщелачивания катионов кальция, магния, натрия из глин при их длительном обводнении. Выявлено влияние структуры, типа катиона, внешнего давления на кинетику выщелачивания катионов, обнаружена стадийность процесса выщелачивания. На основе диффузионной модели рассчитаны коэффициенты диффузии катионов кальция, магния и натрия в глинах при их длительном обводнении.

5. Впервые дано обоснование детерминированному подходу к количественному прогнозированию физических и механических свойств глин при их длительном обводнении. Иа основе диффузионной модели предпринята попытка осуществления детерминированного перманентного контроля некоторых прочностных показателей глинистых пород в процессе их длительного обводнения.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

!• Монюшко A.M., Олянский Ю.И., Зильберман И.М. Инженерно-геологическая оценка изменения свойств некоторых типов неогеновых глин Молдавии при длительном обводнении./IV Всесоюзное совещание «Глинистые минералы и породы, их использование в народном хозяйстве.//Состав и свойства глинистых материалов и пород. Тезисы докладов. (Новосибирск, 27-29 сентября 1988г.), Новосибирск: Гл. ред. АН СССР (Сиб. Отделение), 1988, е.: 150-151.

2. Зильберман И.М. Некоторые тенденции изменения физико-химических свойств сармат-меотических глин Молдавии при их длительном обводнении./Вторая республиканская конференция молодых исследователей//Молодежь и современная наука. Тезисы докладов. (Кишинев, 14-15 декабря 1989г.), Кишинев: Штиинца, 1989, е.: 90-91.

3. Олянский Ю.И., Зильберман И.М. К районированию территории Молдавии по устойчивости неогеновых глин при их обводнении./IV съезд Географического общества Молдавской ССР.//Географические аспекты региональной экологии и природоиспользования в условиях Молдавии. Тезисы докладов. (Кишинев, 19-20 апреля 1990г.), Кишинев, Гл. ред. АН МССР, 1990.

4ч Олянский Ю.И., Богдевич О.П., Вовк В.М., Зильберман И.М.. Зависимость набухания Сарматских глин Северной Молдовы от степени их агрегированности.//Известия АН ССР Молдова. Физика и техника. Т.1, вып. 4, Кишинев, Stiinta, 1991, е.: 61-66.

5. Монюшко A.M., Олянский Ю.И., Богдевич О.П., Вовк В.М., Зильберман И.М. Инженерно-геологическая характеристика Сармат-Меотических набухающих глин Северной и Центральной Молдо-вы.//Инженерная геология, №2, 1991, е.: 28-40.

6. I. Zilberman. Changes of physico-chemical and engineering-geological properties of Neogen clays located in Northern and Central Moldova under long-term leaching./XX International Congress of the Israeli Society of Clay Research.//Kenes shnati/ Thesis of reports. 13 of October, Jerusalem, 1993, pp. 7-8.

7. I. Zilberman. Factor and correspondence analysis in investigation of long-term leaching of clays./ XXI Congress of the Israeli Society of Clay Research.//Kenes shnati. Thesis of reports. 26 of October, Jerusalem, 1994, p.7.