Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Типизация глинистых грунтов Центрального Предкавказья по потенциалу набухания-усадки при воздействии природных и техногенных факторов

ВАК РФ 04.00.07, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Типизация глинистых грунтов Центрального Предкавказья по потенциалу набухания-усадки при воздействии природных и техногенных факторов"

На правах рукописи УДК 624.131.3

ЕГОРОВ ЮРИИ КОНСТАНТИНОВИЧ

ТИПИЗАЦИЯ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ ЦЕНТРАЛЬНОГО ПРЕДКАВКАЗЬЯ ПО ПОТЕНЦИАЛУ НАБУХАНИЯ - УСАДКИ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ПРИРОДНЫХ И ТЕХНОГЕННЫХ

ФАКТОРОВ

Специальность 04.00.07 Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Москва 1996

Работа выполнена в Северо-Кавказском филиале Производственного и научно-исследовательского института по инженерным изысканиям в строительстве ( СКФ ПНИИИС) Минстроя России

Научные руководители: академик РАН, доктор геолого- минералогических наук, профессор

В. И. Осипов

кандидат химических наук, старший научный сотрудник

С. И. Пахомов

Официальные оппоненты:

доктор геолого- минералогических наук, профессор А. И. Шеко ' кандидат геолого- минералогических наук, доцент Б. А. Снежкин

Ведущая организация: А.О. "СтавропольТИСИЗ"

Защита состоится 16 апреля 1996 года в 1322 часов на заседании специализированного совета К.ОЗЗ.11.01 в Производственном и научно-исследовательском институте по инженерным изысканиям в строительстве (ПНИИИС) Минстроя России по адресу: 105058, Москва, Окружной проезд, 18.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ПНИИИС по тому же адресу. Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения , просим высылать по указанному адресу.

Автореферат разослан " " марта 1996 года Ученый секретарь специализированного

совета, кандидат геол.-мин. наук О. П. Павлова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Набухающие глинистые грунты занимают значительную часть территории Центрального Предкавказья.

Анализ материалов исследований свидетельствует, что методика изучения набухания и усадки, утвержденная нормативами и стандартами для изысканий в строительстве, не всегда позволяет получить достоверные данные. Практически неизученными остаются вопросы прогноза изменения прочностных и деформационных свойств набухающих фунтов при их взаимодействии с грунтовыми водами раз- . личного состава, часто загрязненными различными промышленными и бытовыми стоками. Не учитывается в практике строительства и степень реализации деформаций набухания на подтопленных территориях, где уже максимально набухшие грунты могут быть ошибочно отнесены к ненабухающим. Для предварительной оценки набухающих грунтов и их типизации различные исследователи предлагают разнообразные показатели и критерии, однако полученные по ним результаты дают между собой существенные расхождения.

Цель работы заключалась в установлении и уточнении основных закономерностей процессов набухания и усадки при воздействии природных и техногенных факторов, использовании этих закономерностей для типизации набухающих грунтов Центрального Предкавказья и прогноза их возможных деформаций. Главное внимание уделялось решению следующих задач:

1) выявить основные закономерности взаимодействия глинистых грунтов с грунтовыми водами и промстоками различного состава;

2) оценить применимость различных показателей и критериев для прогноза набухания и усадки глинистых грунтов;

3) установить взаимосвязь кинетики и абсолютной величины набухания и разработать методику ускоренного определения набухае-мости глинистых грунтов;

з

4) провести типизацию глинистых грунтов Центрального Предкавказья на основе полученных взаимосвязей и закономерностей.

Научная новизна работы.

1 .Проанализированы типичные методологические и методические погрешности при моделировании процессов набухания и усадки и даны рекомендации по их устранению.

2.Разработана методика исследования инженерно-геологических свойств глинистых грунтов при их взаимодействии с промстоками.

3.Получены новые экспериментальные данные по изменению состава и свойств глин при их диффузионном выщелачивании, фильтрационном взаимодействии с водой, растворами поверхностно-активных веществ (ПАВ), щелочей (едкий натр), кислот (серной, соляной, фосфорной, уксусной), солей (фосфат натрия ), окислителей (бихромат калия) различных концентраций.

4.Выяслены закономерности изменения свойств глинистых грунтов в процессе набухания в зависимости от их исходного состава и состояния и от вида и концентрации взаимодействующего раствора.

5.Разработана методика ускоренного определения характеристик набухания глинистых грунтов по кинетике начальной стадии набухания на основе математической модели.

¿.Установлены прогнозные региональные зависимости между различными параметрами набухания, характеристиками прочностных и деформационных свойств и показателями состава глинистых грунтов.

7. Для характеристики набухающих грунтов предложен показатель потенциала набухания и усадки, представляющий разницу между пористостью набухшего и усевшего грунта.

8.Разработана типизация глинистых грунтов по их способности к набуханию и усадке (на примере глин Центрального Предкавказья).

Практическая значимость и реализация результатов работы.

Использование типизации глинисгых грунтов и установленных региональных зависимостей позволяет прогнозировать с достаточной точностью изменение инженерно-геологических свойств набухающих грунтов, что повышает качество строительства и сокращает затраты на ремонт зданий и сооружений. Основные положения и выводы, изложенные в диссертационной работе, использованы при разработке рекомендаций и составлении отчётов по НИР, выполнявшимся в СКФ ПНИИИС в 1984- 1995 годах. Результаты исследований внедрены в практику строительным отделом и отделом охраны природы Не-винномысского ПО"Азот", коммунальной службой г. Невинномысска и акционерным обществом "СтавропольТИСИЗ".

Основные защищаемые положения:

• установлено, что при концентрациях взаимодействующих растворов различного состава до 0,5 н не происходит заметных трансформаций глинистых минералов, но разлагаются их кристаллическая решетка и образуются аморфные окислы алюминия и кремния;

• глины каолинитового состава сорбируют ПАВ меньше, чем глины монтмориллонитового состава; максимальная сорбция наблюдалась для катионактивных ПАВ, минимальная — для анионактивных ПАВ;

• при децинормальной концентрации растворов различного состава их воздействие на грунты изменяло способность к набуханию, что приводило к изменению плотности, а изменение плотности являлось главным фактором, вызывающим изменение прочностных и деформационных свойств глинистых грунтов;

• по влиянию на набухаемость грунтов изученные промстоки делятся на две группы: растворы серной кислоты, натриевой щелочи и натриевой соли фосфорной кислоты влияют на неё сильнее, чем растворы фосфорной, уксусной кислоты и бихромата калия;

• установлена тесная связь между пористостью естественного и набухшего грунта;

• разработана типизация набухающих глинистых грунтов Центрального Предкавказья по потенциалу набухания- усадки, не зависящему от степени реализации каждого из этих процессов.

Исходные данные и личный вклад автора. В основу работы положены материалы, полученные в результате исследований состава и свойств грунтов при непосредственном участии автора в полевых и лабораторных исследованиях, проведенных в рамках плановых тем Северо-Кавказского филиала ПНИИИС (темы 1.24.Н1; 1.21.Н1, гос.рег, № 01860100945; госзаказ № 06-0421-88) в течении 1984-1988 г.г. и ряда хоздоговорных работ за период с 1984 по 1994 г.г. С 1987 года автор осуществлял непосредственное методическое руководство работами по изучению особенностей набухающих глин Центрального Предкавказья в СКФ ПНИИИС.

Автором выполнена большая часть экспериментов по изучению влияния различных факторов на набухание и усадку глинистых грунтов, результаты экспериментов обобщены, проанализированы.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на: конференциях молодых ученых и специалистов ПНИИИС (Москва, 1985-1989 г.г.), XIV Всесоюзном совещании "Глинистые минералы и породы, их использование в народном хозяйстве" (Новосибирск, 1988г.),Всесоюзном семинаре "Математические методы в гидрогеологии" (Душанбе, 1988г.), научно-практической конференции "Эффективность, качество инженерно-геологических изысканий и охрана геологической среды в новых условиях хозяйствования" (Свердловск, 1989), II республиканской конференции молодых исследователей "Молодежь и современная наука" АН МССР (Кишинев, 1989), VI Международном конгрессе МАИГ (Амстердам, 1990), Международном симпозиуме по предотвращению опасных геологических

б

процессов (Пекин, 1991), III Международной конференции "Циклические процессы в природе и обществе" (Ставрополь, 1995), Международном симпозиуме "Инженерная геология и окружающая среда" (Афины, 1997 ; тезисы приняты к печати).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, изданных в 1986-1995 г.г, 2 работы находятся в печати.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 111 наименований и приложения, включающего справки о внедрении результатов исследований, общим объемом 121 стр., иллюстрирована 6 рис. и 23 таблицами.

Автор искренне благодарен научным руководителям: академику РАН, доктору геол.-мин. наук, профессору В.И.Осипову и кандидату химических наук, старшему научному сотруднику С.И.Пахомову за помощь в выборе направления научной работы, за постоянное внимание и детальное обсуждение результатов исследований.

Автор признателен Б.Ф.Галаю, С.Д.Филимонову, В.П.Перцеву, Н.К.Никитину, А.Н.Силантьеву, Ю.А.Балакину, В.И.Тнрановой, Н.И.Порохня, Л.Н.Михайловой, Э.В.Жировой, В.И.Борсяк и др.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Краткий литературный обзор проблемы.

Литературный обзор включает: 1) состояние изученности влияния состава, состояния и свойств глинистых грунтов на их набухание и усадку (Е.А.Сорочан, Р.С.Зиангиров, В.И.Осипов, Л.И.Кульчицкий, Л.В.Передельский, В.П.Ананьев, С.И.Пахомов, Ж.Е.Рогаткина, С.А.Лапицкий, А.И.Котюжан, Б.А.Снежкин, Р.И.Злочевская, Н.П.За-тенацкая и др.); 2) анализ изученности инженерно-геологических аспектов взаимодействия глин и промстоков (Ф.Е.Волков, В.И.Диви-силова,Р.И.Злочевская, С.И.Пахомов, А.М.Монюшко, Е.М.Сергеев, Е.А.Сорочан, Р.С.Зиангиров, Н.А.Лаврова, Н.А.Окнина, Е.СДзек-

цер, С.Д.Воронкевич, А.Г.Криворотов и др.); 3) вопросы типизации набухающих грунтов (В.И.Осипов, В.Т.Трофимов, С.И.Пахомов, Л.В.Передельский, В.П.Ананьев, Р.С.Зиангиров, Е.А.Сорочан, Э.В. Запорожченко, А.И.Котюжан).

Анализ публикаций позволяет утверждать, что более изученным является влияние состава и состояния грунтов на их набухание, чем на усадку. Для изучения влияния промстоков на глинистые грунты каждый исследователь применял свою методику, поэтому трудно сравнивать полученные результаты. Практически нет данных о влиянии растворов фосфорной, азотной, уксусной кислот на набу-хаемость глин. Не изучено и влияние окислителей и поверхностно-активных веществ на инженерно- геологические свойства грунтов. Нет общепринятой методики прогнозирования набухания грунтов естественного сложения по косвенным данным.

Глава 2.Инженерно-геолошческая характеристика основных типов набухающих грунтов Центрального Предкавказья.

В главе содержится краткая инженерно-геологическая характеристика основных генетических типов набухающих грунтов Центрального Предкавказья. Приведены данные о составе и свойствах изученных глин, охарактеризованы их литологические особенности. Для экспериментов кроме полиминеральных глин Центрального Предкавказья использовались и мономинеральные глины: аскангель из месторождения в районе г.Махарадзе (Грузия), каолинитовая глина из Прося-новского месторождения (Украина).

Глава З.Методика исследований. 3.1. Некоторые методологические предпосылки.

Дан краткий анализ распространенных методологических и методических ошибок при анализе взаимодействия глинистых грунтов с водой и промстоками (взаимодействие грунта и промстока изучается как одностороннее воздействие последнего; не учитывается часто

весьма значительная буферность грунта по отношению к промстоку и при моделировании диффузионного взаимодействия большая часть эксперимента проводится с сильно измененным промстоком; анализируется только результат процесса, а не сам процесс и т.д.).

Не всегда оправданным является количественное описание процессов набухания или уплотнения по начальным, наиболее интенсивным их этапам с использованием понятия "условная стабилизация", так как при этом могут упускаться значительные деформации, особенно для грунтов с преимущественным содержанием натриевого монтмориллонита в глинистой фракции.

3.2.Методика изучения набухания н усадки глин при взаимодействии с водой и промстоками.

Для экспериментов с промстоками применялись методики и приборы, позволяющие изучать взаимодействие в проточном режиме, то есть при постоянном возобновлении раствора, и контролировать параметры процесса в ходе опыта. Вначале анализировалось изменение химического и минералогического состава глинистой фракции, как наиболее активной составной части грунта. Оценивалась степень разложения глинистых минералов при длительном взаимодействии с данным промстоком. Для правильной оценки способности грунтов к набуханию под воздействием промстоков дополнительно к стандартным характеристикам состава грунта определялась емкость поглощения, состав и содержание поглощенных катионов, глинистой фракции, состав водной вытяжки до и после экспериментов. В грунтах после взаимодействия с промстоками анализировалось и содержание специфических компонентов промстоков ( фосфатов, сульфидов, ПАВ и др.). Емкость поглощения определялась по методу Бобко-Аскинази в модификации Грабарова и Уваровой, а состав поглощенного комплекса по методу Пфеффера. При предварительном исследовании груша оценивалась его буферность относительно компонентов

промстока, способность сорбировать одни компоненты и вступать в химические реакции с другими компонентами. В ходе экспериментов постоянно определялся коэффициент фильтрации грунтов и анализировался состав фильтрата. В образцах до и после опытов определялись компрессионные, деформационные свойства и сопротивление пенетрации конусом Ребиндера. Рентгено-структурный анализ проводился на аппарате ДРОН-0,5, количественный состав глинистых минералов высчитывался по методу без стандарта ( по Горбунову И.И.).

Для статистической обработки результатов опытов использовались пакеты программ для ПЭВМ БТАТОИАИС8-4.1, ЕХСЕЬЬ-5.0 и др.

З.З.Экспресс-метод определения параметров набухания.

Кинетика набухания, как и величина набухания, однозначно определяется составом и состоянием грунта, видом взаимодействующей с ним жидкости и внешними факторами (температурой, давлением).

Попытки рассчитать величину набухания с помощью анализа временных рядов, аппроксимировать изменение скорости набухания с течением времени только степенной или экспоненциальной функциями дали погрешность в десятки процентов для некоторых грунтов. Кинетика набухания некоторых грунтов лучше описывается степенной функцией, других — экспоненциальной. Поэтому для прогноза была выбрана функция, совмещающая в себе эти две функции и при логарифмировании легко преобразуемая в линейную, что позволило применить для подбора значений коэффициентов метод наименьших квадратов:

^ = келХь , (1)

Iй

где - величина набухания; I - время; к,а,Ь - эмпирические коэффициенты, зависящие от состава грунта, его давления набухания и активной пористости. Коэффициенты в полученном уравнении опреде-

ю

лялись для экспериментальных значений скорости набухания, определенных на начальных стадиях процесса (1-2 суток при лабораторном моделировании).------------------------

Время стабилизации 1г, за которое скорость набухания достигает значения, соответствующего условной стабилизации, определялось как корень нелинейного уравнения:

0,01 = аЛЬ (2)

по комбинированному методу секущих-хорд. В качестве величины условной стабилизации в левую часть уравнения можно подставлять сколь угодно малые величины и повысить точность определения параметров набухания.

Набухание за период от конца экспериментального моделирования до времени условной стабилизации t2 рассчитывалось интегрированием обеих частей уравнения (1) по модифицированному методу прямоугольников. Для нахождения времени стабилизации- и численного интегрирования возможно применение других методов, обеспечивающих достаточную точность.

Набухание за время от начала опыта до времени стабилизации определялось по уравнению:

= ¿вУП, + I (3)

где - набухание, определенное экспериментально за время 11.

Влажность.набухания рассчитывалась по влажности образца после завершения кратковременного моделирования и по расчетному приращению объема.

Ошибки при расчетах по такой методике не превышали 3-5% для 129 образцов грунтов монтмориллонигового, каолинитового и полиминерального составов, с различной исходной влажностью и плот-

костью, естественной и нарушенной структуры.. Исследовалось набухание как в дистиллированной воде, так и в различных промстоках.

Прогноз набухания грунтов в промстоках по начальной кинетике этого процесса применим только для слабоконцентрированных и неагрессивных растворов из-за "химического набухания" и пучения, вызываемого образованием газов, например, при разложении карбонатов кислотами. При фильтрации промстоков через грунт происходит вынос растворимых для данного фильтрата солей и суффозия, что затрудняет прогноз объемных деформаций.

Глава 4. Основные закономерности изменения инженерно-геологических свойств грунтов при воздействии различных природных и техногенных факторов.

4.1.Взаимодействие глинистых грунтов с водой и растворами поверхности о-актквных веществ.

Проводились эксперименты как по диффузионному насыщению (выщелачиванию) грунтов в ПНГ, так и по длительной фильтрации воды или растворов через образцы грунта (60-120 суток). Исследовалось влияние растворов неионогенных (0020,словатон), катио-нактивных (синтегал,трансферин) и анионактавных (вотамол, суль-фонол) ПАВ концентраций от 0,1 до 10 г/л.

Установлено, что глины каолинитового состава сорбируют ПАВ меньше, чем глины монтмориллонитового состава. Катионакгавные ПАВ сорбируются лучше, чем неионогенные, так как положительно заряженные активные группы в синтегале и трансферине притягиваются к отрицательно заряженным глинистым частицам( рис.1). Взаимодействие катионактивных ПАВ с глинами ведет к коагуляции глинистых частиц, что увеличивает проницаемость глин для растворов. Анионактивные ПАВ практически не сорбируются, так как заряд их активных групп совпадает с зарядом глинистых частиц.

Растворы ПАВ концентрации до 0,3 г/л активизируют набухание монтмориллонита, при более высоких концентрациях - уменьшают набухание. Катионактивные и неионогенные ПАВ концентрации до 10 г/л повышают набухание каолинита. Раствор сульфонола при концентрации до 5 г/л повышает, а при более высоких концентрациях снижает набухание каолинита, что связано с соотношением содержания натрия в поровом растворе и поглощенном комплексе грунта.

Взаимодействие глин с дистиллированной водой снижает сопротивление пенетрации конусом в 3-10 раз, уменьшает сцепление в 1,5-2 раза, а угол внутреннего трения — в 4-10 раз. Длительное взаимодействие растворов ПАВ с грунтами приводит к уменьшению сопротивления пенетрации в 20-90 раз, сцепления — в 1,5-2 раза. Угол внутреннего трения уменьшается в меньшей степени, а иногда даже возрастает.

Рис.1. Сорбция ПАВ на глинистых минералах. Кривые 1,3,5 показывают сорбцию сульфонола, синтегала и ОС-20 при взаимодействии с каолинитом; кривые 2,4,6 — сорбцию тех же ПАВ при взаимодействии с монтмориллонитом, соответственно.

4.2.Взаимодействие глинистых грунтов с кислотами, щелочами, окислителями.

Было изучено влияние натриевой и калиевой щелочей, серной, уксусной, соляной, фосфорной и азотной кислот концентрации 0,5 и на глинистую фракцию 31 одного образца полиминеральных глин Центрального Предкавказья. Установлено, что при таких концентрациях не происходит заметных трансформаций глинистых минералов, но имеет место разложение их алюмосиликатных ядер и образование аморфных окислов алюминия и кремния.

По воздействию на глинистую фракцию грунтов выделены 3 группы промстоков: 1) натриевая и калиевая щелочи, а также уксусная кислота разлагают глинистые минералы, выщелачивая, в среднем, 34% кремнезёма и 1,5-2,5% глинозёма из кристаллической решетки; 2) фосфорная кислота разрушает кристаллическую решетку глинистых минералов, выщелачивая ,в среднем, 3% окиси кремния и 9% окиси алюминия; 3) серная, соляная и азотная кислоты — 7-9% кремнезёма и 8-12% глинозёма.

Для изучения взаимодействия в фильтрационном режиме с образцами глинистых грунтов использовались растворы серной кислоты и натриевой щелочи, фосфорной кислоты и ее натриевой соли; уксус-рой кислоты и бихромата калия. Концентрация растворов в этих опытах была децинормальной и воздействие на грунты носило преимущественно физико-химический характер без сильного изменения скелета грунта.

При длительной фильтрации кислот полностью разлагаются карбонаты, образующийся углекислый газ вспучивает грунт. Образуется и выносится с фильтратом гипс. При взаимодействии с серной

кислотой в грунте возрастает содержание серы. При взаимодействии с фосфорной кислотой в грунте образуются слаборастворимые соли магния и кальция. Раствор бихромата калия окисляет органическое вещество и переводит двухвалентное железо в его трехвалентную форму, которая способствует образован™ прочных агрегатов глинистых частиц в грунте. Хром из шестивалеитной переходит в трехвалентную форму, хорошо сорбируемую глинами, что приводит к коагуляции глинистых частиц и росту коэффициента фильтрации.

Максимальная проницаемость получена при фильтрации серной и уксусной кислот, минимальная (почти нулевая) — при фильтрации фосфорной кислоты. Коэффициент фильтрации в коренных глинах майкопской серии для раствора бихромата калия, в начале эксперимента составляющий 14,9-10-6 см/сек, через 50 суток достигал нуля. Как коренные майкопские глины, так'и их дериваты в наших экспериментах были совершенно непроницаемы для воды при создании градиента напора в 1-2 см.

4.3.Аиализ зависимостей между характеристиками состава, состояния и свойств глинистых грунтов.

Изучена возможность использования для расчета набухания по косвенным признакам различных характеристик состава и состояния грунтов естественного сложения.

Для 458 различных по возрасту и составу образцов глинистых грунтов Центрального Предкавказья получено уравнение, позволяющее достоверно предсказать коэффициент пористости набухшего грунта е™ 01=0,85; коэффициент детерминации №=72%; стандартная ошибка оценки 8Е-0,17;) по коэффициенту пористости естественного грунта е:

е.* = 0,122 + 1,0813 е (4)

Достоверность прогноза несколько повышается при введении в уравнение (4) величин влажности на границе раскатывания Ч/р и раэ-

ницы между влажностями на границе текучести и естественной W, коэффициент множественной корреляции (детерминации ) Л 2 возрастает до 77%, стандартная ошибка оценки 8Е уменьшается до 0,14: еБ\у = -0,0914 + 1,0286е + 0,00448(\\Гь-\\9 + 0,00508 \УР (5) Ниже приведены характеристики образцов грунтов, которые были использованы для вывода уравнений (4,5) и последующих (табл.1).

Таблица 1

Характеристики изученных образцов(п=458).

Стати стич. W, Р* е е^

характер. % г/см2 % % % %

Ср. значен. 29,8 1,46 0,87 56,9 28,6 11,1 1,08 21,3 0,47

Дисперсия 91,9 0,03 0,05 174,1 60,0 83,8 0,09 64,8 0,01

Станд. откл. 8,6 0,18 0,23 12,8 7,9 9,1 0,30 8,1 0,10

Станд. ошиб. 0,5 0.01 0.01 13,2 0,4 0,5 0,02 0,4 0,01

Минимум 9,3 1,05 0,37 21,1 9,3 0,1 0,41 0,1 0,19

Максимум 58,3 1,97 1,57 86,0 57,0 57,2 2,10 41,2 1,07

Величина, характеризующая потенциал набухаемости грунта, то есть максимально возможные деформации при изменении его влажности, названа нами потенциалом набухания-усадки Кб«". Она может

быть представлена суммой относительных деформаций набухания

и усадки для данного груша или, что предпочтительней, разностью коэффициентов пористости набухшего и усевшего грунта:

+ (6) = - еж (7)

Установлена корреляция величины потенциала набухания-усадки с величинами естественной влажности и влажности на пределе текучести:

= - 0,130 + 0,0244 XV; (11=0,81; И2=66%) (8)

1«

= - 0,322 + 0,0162 (11=0,71; 1^=51%) (9)

Для всех изученных грунтов методом пошагового подбора переменных было получено достоверное уравнение для расчета по естественной влажности V/ и влажности на границе текучести У/ь (И 2=69%, БЕ=0,16):

Кб\У= -0,324 + 0,0183 W+ 0,00664 WL (10)

На рисунке 2 показано соотношение между фактическими и рассчитанными по уравнению (10) значениями Кбуу , иллюстрирующее возможность применения данного уравнения для прогноза.

0 0,5 1 1,5

Фактические значения «ему Рис.2. Соотношение.между расчетными и фактическими значениями потенциала набухания-усадки.

Изучена возможность использования для расчета набухания и усадки различных характеристик состава и состояния грунтов естественного сложения. Получен целый ряд статистически достоверных уравнений.

Глава 5. Типизация глинистых грунтов Центрального Предкавказья по потенциалу набухания - усадки.

Величины относительного набухания и усадки нельзя использовать в качестве классификационных признаков, так как один и тот же грунт в зависимости от стадии набухания или усадки, в которой он

находится, будет отнесен к разным таксонам типизации. Поэтому типизация набухающих глинистых грунтов была проведена по потенциалу набухания-усадки который не зависит от степени реализации каждого из этих процессов (см.табл.2) . Зная потенциал набухания-усадки, коэффициент пористости естественного грунта и коэффициент пористости этого же грунта, но максимально набухшего или усевшего, можно определить для любого образца грунта направление и величину его возможной деформации при изменении влажности.

Набухающие глинистые грунты морского генезиса были разбиты на 4 типа, обозначенных в таблице 2 латинскими буквами от А до О, по величине влажности на границе текучести >^1, : А- менее 50%; В- от 50% до 60%; С- от 60% до 70%; Б- более 70% . Внутри каждого тала выделены 2 класса по значениям естественной влажности W: А1-<20%,А2->20%; В1<25%,В2->25%; С1-<30%,С2->30%;01-<35%,02->35% (см. таблицу 3). Безусловно, генезис пород (континентальный или морской) в большой степени определяет их поведение при изменении влажности, и разделять глинистые породы по происхождению необходимо на самых ранних этапах проведения типизации, К сожалению, мы располагали лишь единичными данными о набухании и усадке для континентальных глинистых грунтов, что не позволило провести их детальную классификацию. Поэтому слабонабухающие

эолово-делювиальные лессовидные суглинки ^пыу и армавирские

глины М2аР были выделены в отдельный типы грунтов по потенциалу набухания Квху без их дальнейшего разделения на классы. Приближенные значения показателей набухания и усадки для разных типов грунтов можно определить по таблицам 2,3; более точно они рассчитываются по формулам ( 4, 5,8-10).

Выделенные по генезису в отдельные типы континентальные глинистые грунты, изученные нами (43 образца), практически полнос-

тью можно отнести к типу А, но это еще требует дополнительного экспериментального подтверждения с большим количеством образцов.

Таблица 2

Значения показателей набухания, усадки и потенциала Кзот для различных типов глинистых грунтов Центрального Предкавказья.

Тип грунта К-во обр., п Среднее значение показателя Стандартное отклонение

в £,% Кем

vdQni.iv 14 0,90 1,01 0,78 0,18 5,9 5,9 6,6 2,5 0,23

0,17 0,15 0,11

М,ар 29 0,60 0,68 0,43 5.1 6,1 10,6 0,25

0,08 0,13 0,06 3,8 0,13

А 122 0,75 0,54 0,89 7.8 6.9 12,2 0,35

0,16 0,14 0,20 5,5 0,17

В 143 0,78 0,20 0,44 0,96 9, 9 7,1 18,8 0, 52

0,11 0,25 6,2 0,21

С 120 0,95 0,47 1,18 12, 0 24,1 0, 71

0,18 0,08 0,25 9,3 5,4 0,22

о 75 1,43 0,22 0,48 0,10 1,43 0,23 15, 4 11, 5 29,6 8,1 0,-95 0,23

К типу А относится примерно 30% образцов глин и суглинков, представляющих караганские и чокракские отложения и 20% глин верхнего сармата. Сюда попадают и 4-6% образцов нижнесарматского и майкопского возраста. Глинистая фракция у образцов, отнесенных нами к типу А, составляет менее 50%, её состав преимущественно гидрослюдистый и каолинитовый. Состав поглощенного комплекса, в основном, магниево-кальциевый.

Для грунтов, относящихся к каждому типу, по методу наименьших квадратов получены уравнения, позволяющее по величине коэффици-

ента пористости естественного грунта прогнозировать величину потенциала набухания-усадки, то есть возможные объёмные деформации этого фунта при изменении влажности. Коэффициенты корреляции в этих уравнениях изменяются от 0,5 до 0,7, а средняя сумма квадратов ошибок—от 0,016 до 0,030.

К типу В относится более половины всех образцов глин и суглинков, представляющих майкопские и чокракские отложения, 40% кара-ганских и 18-20% верхнесарматских глин и их дериватов. Сюда попадают 6-8% образцов глинистых грунтов континентального происхождения. Глинистая фракция у образцов, отнесенных нами к типу В, составляет 50-70% и имеет полиминеральный состав. Поглощенный комплекс имеет преимущественно калыдиево-магниевый и калыдаево-натриевый состав.

В таблице 3 представлены средние значения показателей свойств образцов фунтов, отнесенных к различным классам .

Таблица 3

Показатели свойств грунтов различных классов.

Класс Средние значения показателей свойств

грунта V/, ра, •Ь, е е™

% г/см' % % % %

А1 17 1,59 35 16 7 8 0,72 0,83 0,24

А2 26 1,52 44 21 8 16 0,78 0,93 0,43

В1 22 1,66 54 28 12 14 0,63 0,83 0,43

В2 32 1,44 55 28 9 22 0,89 1,06 0,59

С1 26 1,57 64 36 14 19 0,72 0,95 0,55

С2 37 1,33 65 32 11 26 1,04 1,27 0,77

30 1,44 74 34 25 20 0,88 1,34 0,83

т 45 1,23 75 37 12 33 1,21 1,47 1,00

В таблице 3: р6 - плотность скелета (сухого) грунта; Лр- число пластичности.

В тип С попадает более трети образцов майкопских глин и более четверти сарматских глин и их дериватов, 23% караганскнх I! единичные образцы чокракских отложений. Глинистая фракция у этих образцов составляет 60-70%, гидрослюды, монтмориллонита и каолинита примерно поровну, иногда преобладают монтмориллонит или смешаннослойные .-минералы ряда монтмориллонит-гидрослюда. Состав поглощенного комплекса разнообразный, часто, натриево-кальциевый и натриево-магниевый.

К наиболее опасному для зданий и сооружений типу В относятся примерно 70% образцов нижнесарматских тяжёлых глин и чуть более 40% глин верхнего сармата. Сюда же попадают 10% образцов кара-ганских и единичные образцы чокракских отложений. Глинистая фракция у образцов, отнесенных нами к типу Б, составляет от 50 до 82°/.. в составе преобладает монтмориллонит, суммарное содержание монтмориллонита и гидрослюды или смешаннослойных минералов их ряда часто достигает 80-90%. Состав поглощенного комплекса, в основном, кальциево-натриевый и кальциево-магнисвый .

Обращают на себя внимание средние значения величин объёмной усадки, которые часто превышают значения величин набухания у Пантов, относящихся к типам А,В,С и достигают 30% у грунтов класса Б2.

Заключение

1. Проанализированы типичные методологические и методические погрешности при моделировании процессов набухания и усадки и даны рекомендации по их устранению.

2.Изучено изменение инженерно-геологических свойств глинистых грунтов различного состава и состояния при их диффузионном и

фильтрационном взаимодействии с водой и растворами: ПАВ, натриевой и калиевой щелочей, серной, соляной, фосфорной и уксусной кислот, фосфата натрия, бихромата калия различных концентраций.

Подтверждено, что при децинормальной концентрации растворов промстоков их воздействие на грунты носит физико-химический характер без сильного изменения скелета грунта. Изменяется способность к набуханию, что влияет на плотность грунтов, которая является основным фактором, контролирующим изменение прочности и способности к деформациям.

3.Выделены группы промстоков 0,5 нормальной концентрации по возрастанию их воздействия на глинистую фракцию грунтов: 1) натриевая и калиевая щелочи, уксусная кислота; 2) фосфорная кислота; 3) серная, соляная и азотная кислоты.

На взаимодействие грунтов и промстоков влияет тип контакта между структурными элементами грунта — все промстоки в большей степени влияют на делювиальные майкопские глины с ближними коа-гуляционными контактами, чем на коренные глины с преобладанием переходных контактов.

4.Щелочная среда уменьшает проницаемость глин из-за увеличения их дисперсности вследствие роста отрицательного электрокинетического потенциала глинистых частиц, образования отрицательного заряда амфотерных центров, поверхностного гидролиза, сорбции ионов гидроксила.

При взаимодействии с кислыми промстоками проницаемость глинистых грунтов зависит от содержания карбонатов. При большом содержании карбонатов скорость фильтрации вначале сильно возрастает, затем кристаллизация гипса приводит к образованию уплотненной зоны и проницаемость снижается. Позже, в результате развития процессов суффозии, проницаемость вновь возрастает, стабилизируясь на среднем уровне. Максимальная проницаемость глин по-

лучена при фильтрации серной и уксусной кислот, минимальная (почти нулевая) при фильтрации фосфорной кислоты. Коэффициент фильтрации коренных глин майкопской серии для раствора бихрома-та калия, в начале опыта составляющий 14,9-Ю-6 см/сек., через 50 суток достиг ал нуля. Как коренные майкопские глины, так и их дериваты в наших экспериментах были совершенно непроницаемы для воды при небольших градиентах напора.

5.Разработана методика ускоренного определения характеристик набухания по кинетике начальной стадии набухания, определяемой экспериментально, и описании всего процесса на основе математической модели. Предлагаемое для использования в модели произведение степенной и экспоненциальной функций, в отличие от их раздельного использования, повышает точность прогноза и дает возможность применения данной методики для грунтов различного состава, водо-насыщенности и проницаемости. Ошибки при расчетах по данной методике не превышали 3-5%.

6.Установлены прогнозные региональные зависимости между различными характеристиками набухания и легкоопределяемыми показателями состава и свойств глинистых грунтов, обеспечивающие 70-80% точности предсказаний. Показана непригодность для прогноза набухания и усадки ряда показателей, предлагаемых различными исследователями.

7.Впервые установлена тесная взаимосвязь между пористостью естественного и набухшего грунта (11=0,8), которая подтверждает тот факт, что пористость грунта, как и кинетика ее изменения, являются комплексными характеристиками генезиса и состава грунта.

8.Предложен классификационный пок;штель потенциала набухания и усадаи грунта Кз«, представляющий разность коэффициентов пористости максимально набухшего и усевшего грунта, не зависящий от

стадии реализации процессов набухания и усадки в естественном образце.

9. Разработана типизация глинистых грунтов Центрального Предкавказья t использованием зависимостей между естественной влажностью, влажностью на границе текучести и показателем потенциала набухания-усадки. Такая типизация и использование эмпирических зависимостей позволяют с высокой точностью прогнозировать для глинистых грунтов различного происхождения и состава направление и величину возможных деформаций при изменении влажности в результате природных или различных техногенных факторов.

Слисок опубликованных работ по теме диссертации

1. Зависимость результатов пенетрационных исследований от особенностей состава и состояния глинистых грунтов. //Докл. науч,-техн. конф. мол. спец. ПНИИИС. М.,1986.-Деп. во ВНИИИС, выпуск №6, №6910.-8 с.

2. К методике определения набухания глинистых грунтов в воде и промстоках.// Докл.научн.-техн. конф. мол. спец. ПНИИИС. М.,1987.-Деп. во ВНИИИС. -12 с.

3. Исследование свойств набухающих грунтов. Ставрополь ЦНТИ.1988, № 88-5.(Соавторы: С.И.Пахомов, Е.В.Кайль). -3 с.

4. Методика ускоренного определения набухания глинистых грунтов. Ставрополь. СтавропольЦНТИ, 1989, № 89-17,- 3 с.

5. К изучению взаимодействия глинистых грунтов с промстока-ми.//Тез. докл. научн. конф.:"Молодежь и современная наука". Кишинев: Шгаинца, 1989. С.92-93.

6. Clays and liquid interaction in environmental geology.//Proc. 6th Int. Congress IAEG. Amsterdam. 1990. PP. 1463-1466. (Collaborator S.I.Pakhomov).

7. Свойства набухающих грунтов.//Тез. докл. Междунар. симпоз. Пекин. 1991.- 2 с.---------- ------

8. Изучение набухания и усадки глинистых грунтов при их циклическом увлажнении - высыхании.//Докл.Ш Междунар. конф. "Циклические процессы в природе и обществе". Вып. 3-4. Ставрополь, 1995. С.103-106.

9. Interactions between surfactant solutions and clays.// Proc. Int. Sympos. Athens, Greece, 1997 (Collaborator S.i.Pakhoraov, in print).

10. Swell-shrinkage potential and prediction swell behavior of an expansive clays. Proc. Int. Sympos. Athens, Greece, 1997 (in print).