Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Исследование закономерностей изменения физико-механических свойств глин в процессе выветривания (на примере Молдовы)

ВАК РФ 04.00.07, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Исследование закономерностей изменения физико-механических свойств глин в процессе выветривания (на примере Молдовы)"

МИНСТРОЙ РОССИИ

Производственный и научно-исследовательский институт по инженерным изысканиям в строительстве (ПНИИС)

На правах рукописи

УДК 624.131.22:624.131.43

БОГДЕВИЧ Олег Петрович

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ИЗМЕНЕНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГЛИН В ПРОЦЕССЕ ВЫВЕТРИВАНИЯ

(на примере Молдовы)

Специальность 04.00.07 — Инженерная геология, мерзлотоведение н грунтоведение

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Москва — 1992

Работа выполнена в Институте геофизшш и геологии Академии наук Молдовы

Научный руководитель

академик АН России Осипов В. И.

Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук, профессор Ярг Л. А., кандидат геолого-минералогпческих наук, старший научный сотрудник Робустова Т. II.

Ведущее предприятие

Молдавский государственный институт инженерно-геологических изысканий (МолдГИИНТИЗ).

00

Защита состоится « X » (ЛН?г<Х 1992 г. в 16 часов на

заседании специализированного Совета К 033.11.01 в Производственном и Научно-исследовательском институте по инженерным изысканиям в строительстве (ПНИИИС) Минстроя России по адресу: 105058 г. Москва, Окружной проезд, 18.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ПНИИИСа. Просим Вас принять участие в защите и отправить Ваш отзыв в двух экземплярах.

Автореферат разослан «30 » ЛИ рСА^Х 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат геолого-

минералогических наук Павлова О. П.

оетля ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Литуататоегь рпботм Изучение процессов выветривания имеет больше научное и практическое значение. На территории Молдовы широко распространены неогеновые глинистые породы еармат-меотического воэ-раста, которое часто слулат средой и основанием инженерных сооруке-ний. В связи с этим исследование изменения физико-механических свойств неогеновых глин при выветривании, залегавших в различных геологических, геоморфологических и климатических условиях имеет первостепенное значение. При крупномасштабном строительстве, во гпемя разработки полезных ископаемых открытым способом, . устройстве • дорохэтых вЫемок и т.. д. возникает необходимость ресенил следующих практических задач: установление мощности зоны съема выветрелых пород и глубины заломэния фундаментов; крутизны и конструкции отгасов дородных ¡значок, строительных котлованов и карьеров; прогноз инженерно-геологических процессов и явлений приуроченных к склонам; разработка Мероприятий но эасите горных пород от воздействия различных агентов выветривания.

Научное значение данной проблемы зшиючается в исследовании закономерностей и природы формирования физико-механических свойств пород при выветривании, как части самой в&кной проблемы грунтоведения -проблемы формирования физико-механических свойств в процессе литогенеза, в частности, гипергенеза

Цельга работы является изучение зако но мерностей изменения Физшсо-механических свойств различных типов глин неогенового возраста территории Молдовы при химическом и физическом выветривании.

Для достиэтэния этой цели бшш поставлены здздох

1) проанализировать влияние процессов длительного гипергенеза на согтав и физико-механические свойства (<й.Ю) основных регионально-генетических типов (РГТ) сармат-меотичосгах глин;

2) провести исследования закономерностей процесса циклического

набухания-усадки в различных условиях, как одного из основных факторов разрушения глинистых пород при физическом выветривании; .

3) разработать методику проведения эксперимента по изучению процессов физического выветривания в натурных условиях и 'охарактеризовать изменение состава и ФШ сарматских глин по сформировавшимся зовам выветривания;

4) изучить влияние генезиса и структурно-текстурных особенностей глин на динамику формирования мощности зон выветривания и их устойчивость к внешним воздействиям.

Научная шюэш работы заключается в следующем: • 1. Для глин сармат-меотического возраста территории Ызздовы дана характеристика влияния длительного гипергенееа на состав, СШ, а также устойчивости к внешним воздействиям гипергенно-изь-йненных л не ватронутых химическим выветриванием пород.

2. Изучен вопрос влияния на циклическую найухаецость глинистых пород их структурно-текстурных особонностей и колебаний температуры, пгч! которых этот процесс протекает в природных условиях.

3. Проведены оригинальные эксперименты в натурных условиях по изучению физического выветривания глинистых пород с различным типои структурных связей, которые определяются их генезисом. Дана характеристика изменения их состава, ОДЗ, показателей степени ьцветрелоетн и динамики формирования вон выветривания. Установлено, что проведенные эксперименты соответствуют процессам выветривания глин с природных условиях.

Практнчзюя» гшчонжэ заключается в установлении закономерностей формирования 5Ш сновных РГГ глинистых пород территория республики в процессё длительного гипергенееа, что позволит более рационально проводить инженерно-геологические изыскания для проектирования различит сооружений. Разработана методика проведения экспериментов по натурному Изучению изменений 4Н0 сарматских глин. Дана оценка устойчивости

- 2 -

глинист!« порол о различием типом структурных связей при физическом выветривании в современных условиях, предложены'регрессионные уравнения для предварительного прогноза старости формирования зон выветривания. Изучен процесс циклического набухания и усадки в различном ре-таме температур, характерных для Физического выветривания, что позволяет давать методические рекомендации для определения максимального набухания глинистых пород при уолаянешш и пнсуиивании. Результаты исследований внедрены в Отделе географии АН РМ для целей прогноза изменений свойств глинистых пород неогенового возраста в условиях длительного взаимодействия с водой при разработке программы гидромелиоративного строительства в республике.

Осдовпмэ аавдаазд»} ползхзшга.

1. На рассматриваемой территории юш выделить четыре основных V

регионально-генетических типа глин сармат-меоти.ческого возраста, которые имеют свои особенности инженерно-геологических свойств. Отлода-яия среднего сармата подразделяются на выветрелые и невыветрелые разности, отличаюадеся историей геологического развития и интенсивностью гипергенных преобразований. Остальные типы глин, изучаемые в данной работе, залегают в зоне выветривания и относятся г - выветрелнм разностям.

. ?.. Процессы длительного гипергенеэа оказываят значительное влияние на изменение состава, структуры и свойств рассматриваемых РГТ, которое прявляется в ухудзкнин прочностных характеристик и в уменьшении устойчивости при ОбРОДКРНИН.

3. Основным процессам физического выветривания глин в условиях Молдовы является набухание-усадка. Промораживание-оттаивание значительно интенсифицирует• процесс разрушение глинистых пород при выветривании. Это отмечается от макро- до микроуровня, что подтверждается опытами по набуханию-усадке в различном релиме температур и натурному моделированию процессов вмотривяния.

4. Проведенные эксперименты по натурному изучению выветривания соответствуют природным условиям протекания этого процесса. Динамика

I

формирования зон выветривания и интенсивность изменения состава, структуры и свойств глинистых пород зависят от типа структурных свя-еей, которые определяются генезисом и постгенетическими изменениями. .

Исходные данные и личньй вклад автора. В работе использованы данные полевых и лабораторных работ но .изучению глинистых пород сармат- меотического возраста Лабораторией физико-механических свойств горных порог Института геофизики и геологии АН РМ за период 1985 -1091 годы, в которых автор принимал непосредственное участие, а также результаты его собственных исследований циклического набухания и натурного моделирования процесса выветривания. Всего изучено около 150 монолитов глинистых пород различного генезиса, 21 монолит по натурному моделированию выветривания, а такяе выполнено 12 испытаний набухания-усадки по 10 - 12 циклов. Для характеристики физико-механических свойств были использованы фондовые материалы института ЫолдГИШТИЗ, всего около 10 тыс. определений IM0.

Апробация ' работы. Основные результаты исследовании были доложены иа республиканских конференциях мотодых ученых (1986, 1989), на IV сгезде географичеслого общества Милдовы (1990), а также на всесоюзной конференции посвященной 80-ти детию Г. А. Швллнова (Тшжент 1990). По теме диссертации опубликовано 7 с-х-атей.

Объем роботы Диссертация состоит иа введения, б глав, выводов.■ списка использоьанной литературы из 168 наименований и приложения, В1оючаюшэго~справку о внедрений результатов исследований. Работа изложена на 197 страницах машинописного текста и содержит 29 таблиц н 35 рисунков.

■ Глубокую благодарность-автор приносит своему научному руководителю академику АН России В. И. Оешюву за большую научно-методическую пошще. и постоянное внимание при вынолненп'.' работы.

- 1 -

Автор благодарен д. г. -м. н. А. М. Мзнюшко за руководство иссл даваниями в период 1985-1988 гг. , к. г. -м. н. № И. Олянскому эг; консультации во время выполнения исследований, сотрудникам лаборатории ИГиГ АН РМ ЕМ. Вовк, И. А. Вовк, Еа Духопельниковой, Е А. Лжизе, М. А. Маралюк за содействие при выполнении работы и участие в обсуждении результатов исследований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Глава 1. Состоят» вопроса

В этой главе рассмотрена история изучения процессов выветривания советской геологической школой. В решении вопросов минералогии, геохимии и условий образования твердых полезных ископаемых в коре выветривания большое значение имеют работы А. М. Ф°романа, Е И. Вернадского, А. Г. Ветехтина, ИМ. Страхова, В. В. ПЪлынова, И. И. Гинзбурга, С. С. Смирнова, К И. Лукашева, В. П. Петрова, А. И. Перельмана, А. Я. Штельмана, М. А. Глазовекой, ЕII Разумова, Е А. Лисициной, Е П. Каэа-ринова, С. А. Катика и других исследователей. >

Как указывалось многими авторами, образование экзогенных геологических процессов (оползни, сели, осыпания и т. д.) тесно связано с Формированием коры Еыветривания, что обусловило практическое значение исследований процессов выветривания с инженерно-геологической точки зрения. В связи с этим в работах Е. М. Сергеева, И. Е Попова, С. й Вэ-ронкевича, Г. С. Золотарева, IIЕ Коломенского, Е И. Осипова, Я А. Ярг, В. Д. Ломтадзе, Р. С. Зиангирова, Э. А. Дтавахишвили, М.Г. Кванча-хадзе, 3. А. Макеева, Ю. Д. Матвеева, А. К Монюшко, Л. А. Молокова, II И. Калмыковой, Л. В. Передельского, В. П. Ананьева, Е Б. Швеца, Е И. Вехера, И. В. йозляковой и др. , посвященных инженерно-геологическим проблемам, нашел отражение вопрос изменения состава и ФМС горных пород в процессе выветривания.

В инженерной геологии, при подразделении 1соры вьшетривания в условиях уиереиого климата на вони, наиболее распространена схема Е В. Коломенского, дополненная многими исследователями (Г.С. Золотарев, 3. А. Макеев, Э. А. Джавахишвили, В. В. Швец)'. Степень виветрелости пород ряд авторов предлагают оценивать при помощи различных показателей (А. Хеирол, С.Д. Воронкевич, ЕВ. Швец, Г.С.Золотарев, Л. А. Ярг). В работах Е. М. Сергеева, • Н. К Коломенского, С. Е Дроздова, Г. С. Золотарева, Ю. Д. Матвеева рассмотрена методика изучения скорости процессов выветривания и предложены различные по|£азатели для оценки этих параметров. Следует отметить работы Л А. Ярг по лабораторному моделированию процесса выветривания кристаллических пород различного генезиса ь штмшрно-геологических цзлях, в которых методика геохимического моделирования Е [Ьдро дополнена теорией геологического подобия Л. Б. Розовского и И. П. Зелинского.

В зтой главе рассмотрены работы В. И. Осииоаа, Р. И. Димитровой, НЕ Осипова, НА. Вайгекунене, Л. Е Передельского, ЕЕ Ананьева, К. А. Гулакяна, Нгуен Иг о к Елка и других авторе по изучению процесса шичического набухания и усадки глин, который является основным при физической выветривании глинистых пород в условиях умеренного климата. Влияние проьюраания-оттаивании на нь^йнение свойств глин при ьы-ветриьании изучалось Е. Ы. Сергеевым, А. В. Шнервиным, К. Л Ершоьим. С. С. Шроаовии н другими авторами.

Большое шшченне для познания природа форшровшмы оьойогъ Исоген -четвертичных от догний Цолдоьы играют работы Г. Ц Ышшкиса, Е Ц Взйринского, А. Е Друмл, И. Я Киру, Ф. С. Гкреса, Е X. Гошки. Комплексный анализ состава и средне-сарматских глин республики дай в работах Л А. Аносовой, Т. И. Робуотовой, Г. А. Клиновой, К. 111 ИЬдуши, 1.А. Тиш4*зеьой Е Г. Оргилн, I'. Е Сиродое-ва.

В результате алалиэа состояний вопроса установило: 1) при ина>-аерпо-геологическом иьучонии неогеновых глин терраюрии ¡м-.сиуолики V

- о

уделялось достаточное внимание процессам гипергенеза и влиянию га на физико-механические свойства и на устойчивость к обводнению; 2) не в полной мере рассмотрен вопрос воздействия на процесс набухания-усадки неогеновых глин Молдовы различного режима температур; 3) не изучен характер выветривания глин различного генезиса и влияния на этот процесс структурно-текстурных особенностей глинистых пород.

Глава 2. Основный черты геологического строения района.

Рассматриваются основные черты природных условий региона (рельеф, климат, гидрография), геоморфология, история геологического развития сармат-Меотической толщи глинистых пород, которые оказывают влияние на формирование инженерно-геологических свойств (ИГП и-их последующее изменение в процессе гипергенеза.

Анализируя историю геологического развития региона можно сделать следующие выводы. Дифференцированный характер новейших тектонических движений определил условия накопления, залегания и распространения отложений верхнего плиоцена на территории Молдовы. Осадочный чехол имеет моноклинальное " залегание с падением на юго-запад. В северной части республики, испытывающей поднятие на протяжении всего четвертичного периода, в верхней части разреза распространены морские пес-чано-глинистые породы среднего сармата, которые испытывали гипергенные изменения на протяжении всего плиоцен-четвертичного периода преимущественно на всю мощность. В центральной части республики в зону гипергенных изменений наряду с глинами среднего сармата попадают и отложения балтекой свиты, слагающие приводораздельные участки территории. 11а юге междуречья глинистые породы неогена представлены отложениями верхнего сармата и кагульской свиты, • и также й . значительной степени геохимически изменены при выветривании. Таким образом вывет-релые глинистые породы верхнего миоцена очень часто залегают в сфере хозяйственной деятельности человека и служат основание:-' и средой ин-

хенерных сооружений.

В связи с этим возникает необходимость разделения всей толщи неогеновых глин на отдельные региональнсУ-генетические типы (РГТ), под которыми мы будем понимать породы определенного номенклатурного вида, одинакового возраста и происхождений характеризующиеся сходными условиями валегания и приуроченные к конкретной территории, испытывавшей одиншювые по знаку и интенсивности-тектонические движения и находящееся в одинаковых палеоклиматических условиях на протяжении всей истории геологического развития. На севере это среднесарматские глины, в пределах Центрально-Молдавской.возвышенности - среднесарматские от-юаюния и глины балтской свиты. Южнее Кодр встречаются глинистые породы Верхнего сармата, а ешэ далее на юг это отложения кагульской сьиты. Невыветрелые глины среднего сармата попадают в зону активной нниенерной деятельности залегая на севере и в центральной части территории преимущественно в поймах рек и на молодых террасах. .

Цэщиосгь иыветрелой зоны колеблется от 1-2 м до 30-50 м и более в зависимости от условий геологического залегания. Часто наблюдается увеличение зоны выветривания по зонам тектонических нарушений. Уощ-ьость активной воны физического выветривания, отличающейся интенсивной тревдшоватостью под действием процессов набухания-усадки и промораживания-оттаивания. для глин неогенового возраста составляет 5-10 м (В. IL Покатилов 1S83) и зависит от климатических условий, интенсивности расчленения рельефы и условий залегания.

Глава 3. £атохапиаспаи хедюлюристша rsmassitm пород

caíase- игогачвсакиго возраста.

В э+ой главе дано иакроописание основных РГТ глинистых пород неогена, как измененных и процессе гипергенева, так и не затронутых химическим выветриванием. Проанализировано влияния геохимических преобразований в процессе длительного гипергенева без влияния агентов фи

- б -

зического выветривания на изменение механического, минерального и химического состава пород. Также рассмотрена характеристика постава по типичным резрезам основных РГТ глин. Установлено, что для рассматриваемых пород происходит общий процесс выщелачивания при выветривании в период неоген-четвертичного времени, который сопровождается выносом легкорастворимых солей, разрушением крупных агрегатов и увеличением дисперсности при микроагрегатном анализе. По составу обменных катионов у элювия глин среднего сармата отмечается повышение содержания обменного калия и магния и уменьшение обменных натрия и кальция по сравнению с невыветрелыми породами, что также характерно для процесса выщелачивания (В. П. Петров 1967). Одновременно происходит повышение вверх по разрезу содержания карбонатных ионов в водных вытяжках и самих карбонатов, а также степени агрегированности.

Проявление процессов окисления выражается в резком отличии концентрации закиси и окиси железа, а также величины окионо-закисного коэффициента у выветрелых и иевыветрелых разностей глин, что связано с разложением железосодержащих минералов (пири:.сидерит). Окисление проявляется и при разложении органического вещества Так наблюдается резкое отличие в содержании гумуса у выветрелых и иевыветрелых сред-несарматских глин.

Минеральный состав глинистой фракции при выветривании изменяется незначительно и зависит, в основном, от палеогеографических условий осадконакопления. По большинству показателей состава все исследуемые типы глин значимо различается между собой.

Глава 4. Оцеита физию-механических свойств кеогековьн

глинистая пород.

Установлено, что по физическим свойствам рассматриваемые породы (РГТ) в большинстве случаев не различаются между собой. Небольшие отличия по таким показателям как - влатаюеть на границе текучести и

- 9 -

число пластичности связано с условиями осадконакопления и не зависят от процессов гипер1'енееа

В результате постгенетических преобразований для среднесарматских глин отмечается рост неоднородности вначений давления набухания, увеличение коэффициента регрессии "а" для зависимости давления набухания от свободного набухания и повышение ранга размокаемости, что связано с формированием шкротрещиноватости в зоне выветривания. Для пластической прочности и сопротивления срезу грунта естественного сложения прослеживается влияние выветривания на прочностные характеристики. Так невыаетрелые глины среднего сармата имеют значительно большие величины этих показателей по сравнению с выветрелыми разностями

Для количественной оценки потери прочности грунта при взаимодействии с водой был использован коэффициент разупрочнения Кр равный отношению сопротивления пенетрации грунта естественного сложения к сопротивлению пенетрации после свободного набухания. Зависимость коэффициента разупрочнения от величины набухания имеет экспоненциальный вид и различный характер для отдельных генетических типов пород (рис. 1). Влиже всего по параметрам регрессионных уравнений к осред-няющей кривой располагается зависимость для невыбетрелых глин среднего сармата и отложений кагульской свиты. Наиболее устойчивыми при свободном набухании являются выветрелые глины среднего сармата.

Рассматривая типичные раареаы толщи изучаемых РГГ глин неогенового возраста установлено, чго аадегая в приповерхностных условиях они испытывают воздействие климатических факторов обуславливающих набуха-цие-усадку и промерзание-оттаивание. Глубина активного слоя сезонного колебания температур и влажности колеблется от 4 до 8 мецюв и вави-сит'от условий валегания, климата, геоморфологии, структурно-текстурных особенностей пород и других факторов.

Г : Глава 5. 1аив*вашш гхшшсхш пород в «шиш* .шш^шюго

- 10 -

• *>

и // Ю

• //

*0 *0

У

м < 30

. //

к ¿У- X

• ' л/ 1

/О №

Я1 аг ОЗ

<Г як ед

к'р 8 Ц

го го

УО ы

к

во / '/

60 •« • у / / < / к

/ / -

*0 , / Л' ' т

30 / / /

го : ^

у

ю

——

о1 аг я»

Нр

-т-га/

а аз

С*и/ 8*»» г8.

а а»

э*м, а.

а! й!

Эаш ед.

Рис. 4, ■ Зависимость иоэ^ици-ента разупрочнения ВЛ от В*2

величины свободного набухания для различных регионально-генетических типов .пород: а - неЕМ-[стрелые глины среднего сармата; б - гьтетрелые глины среднего сармата; г- - выветрелке верхнесарматские отложения; г - породы кагульскоП спиты; д - глины балтскоР свиты; I - линия регрессии для толщи сармат-меотических глинистых пород в целом; 2 -для конкретного регионально-генетического типа отложений.

- и -

ya^aMtójaa-JSAiiraaiaiüiM.

Для целей прогнозирования изменений свойств глин при физическом выветривании необходимо знать характер изменения параметров набухания и усадки в условиях попеременного ; злажнения-высушивания. Этот процесс является типично природным и éro действие на свойства грунтов во

/ ' 1 многих случаях сильнее чем воздействие такого мощного фактора, как

проиерзачие-оттаивание. Влияние периодического увлажнения-высушивания на параметры набухания усадки проявляется в существенном увеличении этих характеристик с кадцым последующи! циклом.

Проводились исследования набухания-усадки трех различных РГТ глин. В результате чего установлено, что изменение Ееличины набухания иьйет свои особенности дли каждого рассматриваемого типа отложений. У цавивстрелых глин среднего сармата, со смешанным типом структурных сеивуй (по В. И. Осипову), максимальное значение свободного набухания 10,66) отучается на третьем цикле набухания-усадки (рис. 2). Затем происходит некоторое снижение его величины (0,45) и стабилизация в последующих циклах. Верхнесарыатские отложения, характеризуемые значительным влиянием разового типа контактов, проявляет максимальное наиуханне ь цервой цикле (0,63). Далее эта величина резко снимается Í0,43) ¡i стабилизирует свои значения на 7 - 8 циклах. Для пород ка тульской свиты пика набухания в первых циклах не отмечается. Эти отложении о»лича»'Гся меньшим влиянием фазового типа контактов. Свобод hütí набухание стабилизирует свои значения на 5 - С циклах. Установившиеся винчении набухания рассматриваемых глин зависят от гид(>о$иль-ности. характеризуемой влсшюсты) на границе текучести.

Характеристикой типа структурных связей в грунте и влияния кго на в нашем случае, шлат служить его свободное напухание в естественном с_ угояиии. Пик набухания глин в первых циклах проведения опыта имеет обратную связь с этим показателем; чем больше его величина тем ШШ.И» первоначальное набухание. Косвенным подтверждением преоблада-

IZ - ,

( б*^ ) при циклическом увлажнении и высушивании для различных регионально-генетических типов глинистых пород: 1« - средний сармат невыветрелый; 2 & - кягульскпя свитй; 3 х - верхний сармат выветрэлый.

Ш щ

ч«

а.

И.У. К У. «.У. НУ. К. У. И.» К». II. Н. К.Ч И. У. н. у. к. у.

II ЗШЕЗЕШВХЗШ кшим

** и.К К», НУ. К1. КЧ К.У. К.» Н.У, НЧ ЧУ, к,».

■ г 11 ЕЖТЕтаОЕЕий

Рис. 3. Измен-, ние величины относительного объемного набухания ( ) при циклическом увлажнении и высушивании глин средне

го (о) и верхнего (б) сармата для различного родима температур 1« - набухание после усадки при температуре +20°; 2 * - при те! пературс +70°; .3 о - после замораживания грунта в набухаем сос тоянии и усадке при температуре +20°.

ния какого-то типа контактов в грунте может служить содержание карбонатов. Так образцы, для .которых отмечается повышенное влияние фазового типа контактов, имеют несколько большее содержание карбонатов: верхний сармат -17,IX, средний сармат -10.9Х. кагульская срита -8,3%.

В процессе набухания-усадки влажность набухания стремится к постоянной величине, которая не зависит от исходной Зруктуры грунта. Ее

I

величина несколько больше влажности йа границе текучести за счет свободной и рыхлосвязаной воды из образовавшихся в процессе эксперимента трещин и стабилизирует свои значения на 4 - 5 цикл.

С целью установить влияние различного режима температур на изменение свойств при циклическом набухании-усадке, были проведены сдеду-

I

ющие эксперименты. Одну серию образцов глин среднего и верхнего сармата при циклическом набухрнии-усадке дополнительно замораживали при температуре -10 в набухше:ы состоянии и затем проводилась их усадка в лабораторных условиях. Другую серию после каждого набухания подвергали усадке при температуре +70 . Эта схема, по нашему мнению, наиболее соответствует природным условиям. Так в зимний период грунт испытывает воздействие отрицательных температур в набухшем состоянии, потер»1 влажности здесь не происходит. Усадка начинается в период оттепели или в весенне-летний период при положительных температурах. Влияние повышенных положительных температур соответствует летнему времени года, когда температура поверхности почвы достигает в Шлдове »-70 .

Установлено, что повышение температуры до +70 не приводит к увеличению значений максимального набухан: 1 в процессе циклического увлажнения-высушивания (рис.3). Здесь также отмечается пик набухания для , обеих типов пород после первого цикла аналогично усадке при ком натной температуре, что свидетельствует о незначительном отличии этих процессов мзду собой.

Замораживание образцов в водонасщэнном состоянии .увеличивает вначения установившегося набухания. Пика, ь Первых циклах не наблюда

- 14 -

ется, что можно объяснить дополнительным разрушением структурных связей под воздействием отрицательных температур. В дальнейшем разрушение микроагрегатов глинистых частиц способствует более равномерному упорядочению микротекстуры при последующей усадке и увеличению значений свободного набухания. Величина установившегося максимального набухания с промораживанием несколько больше у верхнесарматских глин за счет большей гидрофильности и соответственно равна 0,72 и 0,69. Однако разница между этими величинами и набуханием без воздействия отрицательных температур больше у глин среднего сармата и составляет соответственно 0,19 и 0,11, что свидетельствует о большей термодинамической устойчивости к внешним воздействиям верхнесарматских отложений.

Изменения влажности на границе текучести при циклическом набухании и усадке не происходит. Ее значения колеблются около величины 0,68 для верхнесарматских глин и 0,49 у грунтов среднего сармата. Влажность максимального набухания изменяет свои значения по циклам аналогично схеме набухания-усадки без замораживания. Она по абсолютным значениям и по разнице от влажности на границе текучести больше у верхнесарматских отложений.

В связи с этим можно говорить о том, что хотя основным процессом разрушения структуры грунта при физическом выветривании является его набухание-усадка, в условиях умеренного климата следует учитывать и воздействие промораживания и оттаивания. Данную схему проведения эксперимента можно рекомендовать для оценки максимальной потенциальной способное ¡'и глин к набуханию.

Глава б. Кауче1ка процесса шветркванка в натуркьгс условиях.

Било рассмотрено изменение мощности зон выветривания физического типа в интенсивной стадии развития, а также состава и ФЫС глинистых •юрод среднего и верхнего сармата в конкретных климатических условиях

- 15 -

за период около двух лет. Для этой цели были оборудованы два опытных участка в августе-сентябре 1988 г. , которые представляют собой горизонтально расположенные выемки размером 1,0 х 1,0 м и глубиной 0,5 м заполненные грунтом нарушенного сложения. В нее плотно укладывались монолиты естественного сложения размером 20 х 20 х 30 см. Монолиты отбирались в карьере кирпичного завода г. Кишинева. Здесь среднесар-матские отложения залегают на глубине 50 - 70 м и представляют собой толщу твердых, слоистых серых, зеленовато-серых до черного глин. Над ними распространено несколько,водоносных горизонтов. Породы верхнего сармата залегают в верхней части разреза и-представлены твердыми глинами зеленовато-голубого цвета карбонатизированными, трещиноватыми. По трещинам наблюдаются следы геохимического выветривания в виде окислов железа и марганца. Монолиты отбирались из не затронутых гипергенными изменениями свежевскрытых частей массива. Глубина отбора от поверхности составляет более 20 м. Через определенные промежутки времени монолиты извлекались визуально выделялись зоны выветривания проводилось их макроописание, фотографирование, и лабораторное изучение состава и ФМС.

Для выделения зон выветривания глинистых пород принята схема П. Р. Коломенского (1952). Вследствие соотношения масштаба тредановатоети н глыбовой зоне (II), которая составляет первые десятки сантиметров, и размеров монолита выделить ее. не представляется возможным. Здесь рассмотрено формирование зоны тонкого дробления (IV) и мелкообл»моч-ной зоны (III). Установлена скорость формирования мощности -ЧГ'Н вырег ривашм IV и III для рассматриваемых типов пород. Характеристика г>. пени выветрелости проводилась с помошу показателя предло-н-нно,г. п. Золотаревым (1971), который рассчитывался для каждой груипч ом.ч']чк Так для физических свойств выбран покдепт^сь по .ия^н^чи»- i:..-,|.|.,t"»> и та пористости, для набухающих свойств - влажности н-юушшч, д.ч прочностных - сопротивления- пенотрячии ггя" ' -ч"г>-'е«"''Ч№,1'л ■

- ¡6 -

Установлено, что в период интенсивного развития процессов физического выветривания основными процессами, приводящими к изменению <М! рассматриваемых глин, являются набухание-усадка и промораживание-оттаивание под действием сезонных колебаний температур и влажности." При этом формируются зоны выветривания, достаточно хорошо выделяемые во время макроописания монолитов. Еще на качественном уровне присутствуют отличия в формировании зон выветривания между глинами среднего и верхнего сармата, имеющих в результате различного генезиса и постгенетических преобразований различный тип и природу структурных связей. Дли оценки типа структурных связей рассматриваемых глин был применен расечетный метод а использованием модели "перекашивающегося карточного домика", которая била предложена В. Н. Соколовым (1935). Установлено, что глины верхнего сармата имеют более прочные единичные контакты, образовавшиеся за счет процессов цементации при диагенэг.е, по сравнению со среднесарматскими отложениями, .

Геохимические изменения рассматриваемых глин идут на протяжении всего эксперимента и характеризуются процессами окисления, карбонати-зации и засоления. Они имеют постепенный характер и увеличивают спою интенсивность в результате форм рования трещнноватости при выветривании, что увеличивает водопроницаемость породы (табл. 1)! Вода, являясь одним из основных агентов выветривания, способствует протеканию геохимических преобразований. Шрвые признаки появления пятен, гнезд и прослоев о*1с.я&зненного материала вследсвие окисления различных минералов для глин среднего сармата появляются на 273 сутки, а для верхнесарматских отлокеннй на 306 сутки после начала эксперимента. Шесте с тем отмечается неуклонный рост окисно-закпсного коэффициента по железу п зоне тонкого дробления (IV) во времени у обеих типов пород. Отобранные образцы из вон повышенной концентрации окислов железа превышают ее величину по сравнению с об«ком грунта в несколько раз. Повышается концентрация водорастворимых солей для зоны тонкого дроб-

- 17 -

Таблица 1.

.Изменение некоторых показателей химического состава сарматских глин при выветривании в современных условиях.

Показатель - средний сармат верхний сармат

Исходи, сост. Время выветрив. Исходи, сост. Время выветрив.

360 сут 542 сут 306 сут 511 сут

Сух. ост. г/л 0,38 0,75 1,12 0,15 0,19 0,20

Катионы % N3* 0,016 0,008 0,006 0,019 0,016 0,008

К* 0,016 0,014 0,014 0,008 0,007 0,006

Са*' V* 0,047 0,121 0,203 0,025 0,030 0,031

0,027 0,053 0,072 0,012 0,006 0,010

Анионы % сГ 0,011 0,011 0,008 0,008 0,012 0,010

0,247 0,497 0,782 0,046 0,047 0,051 0,058

нсо3" 0,031 0,047 0,036 0,043 0,046

КарОонатн. % 8,90 11,06 15,06 11,71 15,25 25,57

Гипс X 0,07 0,92 1.90 0,01 0,10 1,09

ГеО % 0,931 0,904 0,765 0,689 0,556 0,750

Гег03 X 0,498 0,618 1,004 0,536 0,502 0,918

К -Гег0}/Ге0 0,535 0,684 1,313 0,778 0,903 1,220

Емк. погл. 14,37 18,39 19,98 19,5.3 24,48 10,53 1,53

Коэфф. агр. Ка 15,46 6,21 2,93 3,48 1,25

Примечания: для монолитов глин приведены средние значения показа телей состава

ления (IV) у среднееарматеких пород с 0,38 до 1,12 г/л, а для верхи--сарматских с 0,15 до 0,20 г/л. Карбончтность соответственно увеличив кается с 8,9£ до 15,6% и с 11,717, до 25,57%, а гипс с 0,077 до 1. =0~ и с 0.01Х до 1,09%. Одновременно происходит снижение ко-лН'ИЦИ'-я п яг-регированности "Ка" по выделенным зонам выветривания и •:•■> ьрем^"» в зоне тонкого дробления (IV).

ФМС более чувствительны к внешним воздействиям ч^м Гл^н-ящ

- 10 -' .

тава. По колебанию их значений четко выделяются зоны выветривания. Проведена статистическая обработка результатов исследований (табл. 2) и сравнение их между собой с использованием параметрических критериев. Для более наглядной оценки изменения физико-механических свойств при выветривании использовался графический метод изображения статистических характеристик упорядоченного числового'ряда ("ящики с усами", Дж. Тьюки 1981).

Установлено, что глины среднего сармата более подвержены воздействию агентов выветривания; Значения плотности имеют меньшие величины в мелкообломочной (III) ив аоне тонкого дробления (IV), а также большую интенсивность ее изменения от менее в более выветрелым разностям. При этом для физических свойств отмечается увеличение степени неоднородности в этом направлении. Влажность на границе текучести и число пластичности не изменяют своих значений в процессе физического выветриваний.

Свободное набухание и влажность набухания характеризуются увеличением степени неоднородности и средних значений вверх по разреву, что объясняется влиянием сезонного увлажнения-высушивания и промерзания-оттаивания. По этому показателю среднесарматские глины более чувствительны к внешним воздействиям по сравнению с верхнесарматскими. Набухание после одноразовой усадки значительно снижает свои величины, что свидетельствует об уменьшении потенциальной способности к набуханию глин при физическом выветривании. Влажность набухания после усадки увеличивает свои средние значения при постоянной дисперсии.

В процессе выветривания происходит уменьшение средних значений и степени неоднородности таких характеристик, как сопротивление пенет-рации грунта естественного сложения, после свободного набухания и после одноразовой усадки с последующим набуханием, а также сопротивления срезу грунта естественного сложения. По зтим показателям наблюдаются резкие изменения при переходе от одной зоны выветривания к

' - 10 - ,

Таблица 2.

Иеменение некоторых показателей физико-механических свойств сарматских глин Молдовы по зонам выветривания.

Средний сармат Верхний сармат

Зона выв II зона 111 зона IV зона II зона III зона IV зона

Кол. опр. п - 18 п - 30 п -'29 п - 26 п - 22 п - 13

Плотность 1,99+0,02 1,95-2,01 1,88+0,10 1,66-2,04 1,72+0,12 1,40-1.86 1,97+0,05 1,89-2,07 1,90+0,08 1,73-2,02 1,79+0,09 1,64-1,92

Пзристост п 7. 42,6+0,84 41,6-44,5 46,5+3,43 40,7-53,6 50,3+4,79 39,1-59,6 42,2+2,12 38.2-46,5 44,3+3,56 38,1-50,5 47,7+4,20 42,3-55,6

Ест. влаж. (доли ед) 0,27+0,02 0,24-0,29 0,28+0,04 0,18-0,35 0,27-)0,09 0,08-0,42 0,25+0,03 0,18-0,31 0,25+0,05 0,16-0,35 0,26+0,06 0,14-0,34

Влах. гр. (доли ед) 0,50+0,05 0,38-0,59 0,50+0,03 0,44-0,57 0,50+0,04 0,40-0,57 0,50+0,08 0,38-0,63 0,48+0,10 0,35-0,66 0,49+0,08 0,35-0,61

Степень влах 6 0,98+0,03 0,90-1,0 0,88+0,10 0,63-1,0 0,71+0,20 0,20-0,98 0,93+0,07 0,75-1,0 0,86+0,10 0,55-1,0 0,76+0,13 0,50-0,69

свободное наб. 0,03+0,02 0,01-0,07 0,06+0,06 0,01-0.17 0,08+0,09 0,0-0,39 0,04+0,05 0,0 -0,17 0,04+0,05 0,0 -0,19 0,05+0,04 0,01-0,13

Влажность наб. С 30+0,02 0.28-0,35 0,36+0,04 0,27-0,44 0,42+0,04 0,36-0,51 0,29+0,03 0,23-0,35 0,32+0,05 0,23-0,46 0,40+0,10 0,27-0,57

объемная усадка 0,11+0,03 0,04-0,18 0,12+0,08 0,03-0,38 0,13+0,08 0,00-0,28 0,11+0,05 0,04-0,19 0,13+0,07 0,04-0,26 0,16+0,09 0,04-0,30

Наб. после усадки 0,39+0,10 0,16-0,61 0,37+0,10 0,22-0,60 0,29+0,11 0,10-0,56 0,43+0,11 0,22-0,65 0,35+0,12 0,12,-0,61 0,28+0,09 0,09-0,42

Сопр. пен. ест. сост. 3,72+1,02 1,77-5,51 2,42+1,61 0.64-7,18 1,06+0,81 0,24-2,94 5,98+1,98 2,94-11,4 3,86+3,01 1,38-12,9 1,48+0,64 0,54-2,34

Сопр. пен. наб. сост. 1,5Ь0,9 0,42-2,82 0,6+0,53 0,17-2.82 0,17+0,05 0,07-0,31 1,27+1,01 0,25-4,96 0,82+0,85 0,19-2,92 0,29+0,22 0,11-0,91

Сопр. пен. ус. -наб. 0,13+0,04 0,05-0,20 0,10+0,04 0,05-0,24 0,09+0,03 0.03-0; 18 0,14+0,04 0,08-0,24 0,12+0,04 0,05-0,22 0,10+0,01 0,08-0,12

Коэфф. разупрочн 3,67+2,94 1,2-12,0 6,24+5,80 1,4-26,6 6,52+5,49 1,6-22,3 7,75+6,72 1,3-27.2 7,95+8,07 1,0-31,4 6,67+3,60 1,7-14,6

Козфф. разупрочн 12,2+8,0 3,3-27,8 5,66+3,77 1,5-15,2 2,19+0,96 1,0-5,0 9,5+6,42 1,67-25,0 8,2+10,67 1,3?-45,6 3,01+2,52 1,1-10,11

Сопротив. срезу. 1,30+0,28 0,89-1,85 0,96+0,40 0,51-1,91 0,50+0,14 0,24-0,75 2,10+0,46 1,50-3.35 1,я;аи,е5 1,05-3,51 0,96*0,32 0.44- 1.45

Условные обозначения: в первой строк«1 среднее значение + станпчгт. во второй строке пределы колебания частных значений

другой. Установлены закономерности изменения коэффициентов разупрочнения грунта при взаимодействии с водой при выветривании. Более четкр вдесь изменяется коэффициент разупрочнения после одноразовой усадки и набухания. Происходит значительное уменьшение его средних значений и степени неоднородности от менее к более выветрелым разностям.

Рассматривая динамику формирования зон выветривания установлено, что приращение мощности происходит по степенному закону. Били получены уравнения регрессии для этой зависимости (табл. 3). Из рис. 4 видно, что глинистые породы среднего сармата менее устойчивы к внешним воздействиям ' по сравнению с верхнесарматскими отложениями. Так за один год Еы'ветривания в одинаковых условиях мощность зон III + IV для пород среднего сармата равняется 20 см, а верхнего сармата - 14 см. Как указывалось В. И. Осиповым i 1979) интенсивность разрушения глинистых пород зависит от типа структурных связей в грунте, что подтверждается данными результатами.

Для оценки степени выветрелости изучаемых глин был использован показатель Г. С. Золотарева рассчитанный по различным группам физико-механических свойств. Так для физических свойств это коэффициент пористости, набухающих - влажность набухания, прочностных - сопротивление пенетрации грунта естественного сложения. Данный показатель изменяется от 0 до 1. Сформировавшиеся зоны выветривания характеризуются уменьшением неоднородности и средней величины показателей степени выветрелости при внешних воздействиях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основным результатом проведенных исследований является тот факт, что.устойчивость глинистых пород к воздействию основных процессов выветривания зависит от их генезиса и постгенотических изменений, оказывающих влияние на формирование типов структурных связей в грунте. В связи с этим можно утверждать следующее.

- £1 -

км гоо зоо т яю чю гм т

i, сутки

t сутки

Рис. 4. Динамика Формирорания зон рнгетрирания глинистых пород среднего (а) и верхнего (б) сармата: I - мощность зон птогрм-рания Ш + 1У; 2 - мощность 1У зоны гггетрирпния.

Таблица 3.

Уравнения регрессии зависимости мощности зон выветривания III +■ IV и IV от времени.

Тип глинистых Зона Уравнение регрессии Коэфф.

п Ошибка

пород выв. вида у - ах корр.

0,82 "

средний IY h - 0,06t 0,99 0,08

0,55

сармат III+IY h - 0,78t 0,99 ' 0,05

0.46

верхний IY h - 0,38t 0,99 0,08

0,46

сармат III+IY h - 0,98t ■ 0,99 0,09

1. Исходя иэ особенностей состава глигчстыя пород, их образования, постгенетических изменений, и условий залегания нч рассматриваемой территории можно выделить четыре основа. РГТ гл:»н счоуят-жэти

- £2 -

ческого возраста. Глинистые породы среднего сармата, в зависимости от условия залегания и истории геологического развития, подраэделятся на выветрелые и невыветрв.ше разности.

2. Выделенные РГТ не различаются медду собой по физическ-м свойствам, так-как здесь рассматривались породы залегающие на глубинах где отсутствует значительное влияние климатических факторов. Вместе с тем проявляются различия по набухающим и прочностным свойствам. В процессе длительного гипергева отмечается рост степени неоднородности значений давления набухания. Выветрелые среднесарматские глины характеризуется большей устойчивостью при взаимодействии с водой по сравнению с невыветрелими, что подтверждается различным характером зависимости коэффициента разупрочнения от свободного набухання. У выветре-лш разностей глин отмечается увеличение ранга раэмокаемости и уменьшение значений прочностных показателей, что объясняется наличием мик-ротрещиноватости, которая формируется при длительном гипергеневе иод действием процессов окисления и выплачивания.

3. Основным процессом физического выветривания рассматриваемых глин в условиях Молдовы является набухание-усадка. Влияние отрицательных температур, пюываюпр«» промораживание и оттаивание, значительно интенсифицирует процесс раярувения породы при выветривании. Это отмечается не Фом.ко на м-жро- и мезоуровне при формировании тре-смноьатоети, но и ни ыикроуровне. что подтверждается увеличением максимального набухший во врс-ия проведения опытов по циклическому ув-лашишы и высушиванию в различном режиме температур.

4. Изучаемые РГТ имеют свои особенности изменения набухающих свойеть при цюшче^«м уимимвшш высушивании и являются достаточно чувствительными к-внешним воздействиям. Так во время проведения опытов по набуханию-усадке отмечается надичпэ пика набухания в первых циклах, что связано с типом структурных свяеей в грунте, значения набухания и вли.-тшоо-ти ш^ухалиа становятся постоянными на 4 - 5 циклах,

- 23 -

-а пластической прочности черев 3 - 4 цикла.

5. Оценка типа структурных связей глин верхнего и среднего сармата, для которых выполнялись опыты по натурному моделированию процессов выветривания и циклическому набуханию-усадке в различном режиме температур, проводилась рассчетным способом с использованием модели "перекашивающегося карточного домика", которая была предложена Соколовым В. Н. В результате чего установлено отличие по этому важному показателю структуры между рассматриваемыми типами пород. Глины верхнего сармата характеризуются большим влиянием на свойства фазового типа контактов, образованых в результате процессов цементации.

6. При проведении опытов по натурному моделированию внешних воздействий отмечается формирование рон выветривания соответствующих зонам тонкого дробления (IV) и межообломочной зоне (III) коры выветривания физического типа. Динамика их образования может быть описана уравнениями степенного вида. Более термодинамически устойчивыми к внешним воздействиям являются породы верхнего сармата, что можно объяснить типом, структурных связей в грунте обусловленных их генезисом. В общем случае глинистые отложения с более прочными контактами мевду структурными элементами выветриваются с меньшей интенсивностью.

7. Продукты геохимического преобразования глин зависят от исходного состава пород и имеют одинаковую направленность для изучаемых отложений. Основными процессами, протекающими при Проведении экоп*ри мента, являются окисление, карбочатизация, засоление и накопление гипса. Для механического состава отмечается снижение коэффициента аг-регированности, что объясняется разрушением ры.леватых микроагрегатод в процессе выветривания. Установлено, что процессы геохимического изменения при выветривании не ялияот на Формирование <>тру!пу|>нну cf^w в глинистой породе.

8. Изменение «гот! грунтов так*е зкчиоит >>г г-к-ч ич-'Ч;*-.,-,. r(l!, яений и их первоначальных свойств. Для глини'ччх нор >д ре.........

- 24 -

незиса отмечается тенденция к выравниванию свойств от глыбовой зоны к зоне тонкого дробления. Морские слоистые глины среднего сармата характеризуются большей интенсивностью и величиной уменьшения Физико-механических свойств.

Список опубликованньи работ но теме диссертации.

1. Статистический анализ результатов определений инженерно-геологических свойств сарматских глин северной и центральной Молдавии/УМо-лодежь, наука, производство: Тез. докл. научн. конф. Кишинев. Шгиинца, 1986 (соавтор Б. М. Боьк).

2. Методика оценки тина структурных связей неогеновых глин Молдавии // Молодежь и современная наука: Тез. докл. научн. конф. Кишинев. Шгиинца, 1989.

3. Оценка степени выветрелосги неогеновых глин Молдавии при инженерно-геологическом районировании /7 Тез. дога. IV съезда Географического общестьа Молдовы. Кишинев. Шгиинца, 1990.

4. Инженерно-геи югические условия мелиорации аемель в северной Молдавии //Тез. дом. конф. "Техногенные факторы и проблемы прогноза сейсмического эффекта". Ташкент. Фан. 1990, (соавтор В. М. Вовк).

5. Зависимость набухания сарматских глин Шлдовы от степени их агрегированносги // Иав. АН РМ. Физика и техника. 1991, N1,(соавторы Ю. И. Олянекий, В. М. Вовк, И. М. Зильберман)..

6. Инженерьо-геологическая характеристика сармат-меотических набухающих глин северной и центральной Молдавии // Инж. геология. 1991, N2. (соам-оры A.M. М;нюшко, Ю. И. Олянекий, В. М. Вовк, И. М. Зи.пьберман).

7. Геьу.чьтаты изучения реологических свдйсть сармат-меотических глин // Инв. АН Fit' Финика и тнхника. 1392, N1 (соавторы Ml И. Олянекий, В М. Виьк).