Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Взаимосвязь микроструктурных, диффузионных и осмотических параметров глинистых грунтов

ВАК РФ 25.00.08, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Взаимосвязь микроструктурных, диффузионных и осмотических параметров глинистых грунтов"

0031Т8111

На правах рукописи

Лукина Валерия Станиславовна

ВЗАИМОСВЯЗЬ МИКРОСТРУКТУРНЫХ, ДИФФУЗИОННЫХ И ОСМОТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ

Специальность 25 00.08 «Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

7 у янв ¿т

МОСКВА-2007

003178111

Работа выполнена на кафедре инженерной и экологической геологии геологического факультета Московского государственного университета им М В Ломоносова

Научные руководители: доктор геолого-минералогических наук,

профессор Королёв Владимир Александрович,

доктор геолого-минералогических наук, профессор Соколов Вячеслав Николаевич

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук,

профессор Зиангиров Рэм Сабирович,

кандидат геолого-минералогических наук, зав лаб, вед н с Галицкая Ирина Васильевна

Ведущая организация: Московский государственный строительный

университет (МГСУ-МИСИ)

Защита диссертации состоится 14 ноября 2007 года в 18 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 501.001 30 при Московском государственном университете им МВ Ломоносова по адресу 119992, г Москва, ГСП-2, Ленинские горы, геологический факультет, аудитория 301

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке геологического факультет МГУ им М В Ломоносова (Главное здание МГУ, сектор «А», 6 этаж)

Отзывы на автореферат, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу 119992, Москва, ГСП-2, Ленинские горы, Главное здание МГУ, геологический факультет, учёному секретарю диссертационного совета, профессору Л Т Роман

Автореферат разослан 13 октября 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор геолого-минералогических наук,

профессор

ЛТ Роман

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Вопросы диффузионного переноса в глинистых грунтах имеют научно-прикладное значение в инженерной геологии, гидрогеологии, геокриологии и экологической геологии Несмотря на значительное количество работ, посвященных исследованию закономерностей протекания диффузионно-осмотических процессов, большинство из них описывают лишь некоторые факторы диффузионного и осмотического переноса в отдельных грунтах В то же время остается малоосвещенным изменение диффузионной и осмотической проницаемости под воздействием комплекса факторов в глинистых грунтах разного состава и строения, а также их систематизация по диффузионной и осмотической проницаемости Поэтому выявление взаимосвязи микростроения различных глинистых грунтов и их диффузионной и осмотической проницаемости является актуальной задачей

В настоящей работе реализуется комплексный подход к оценке параметров диффузионно-осмотических явлений в глинистых грунтах разного состава и структуры Основным элементом предлагаемого подхода является «микроструктурно-минеральная разновидность глинистого грунта», выделяемая по классификации глинистых пород по составу ассоциаций глинистых минералов и микроструктуре В Н Соколова, В А Королева и В Г Шлыкова, 1997 (табл 1) Классификация учитывает совокупность микроструктурно-минеральных особенностей всех глинистых грунтов и в конечном итоге определяет набор показателей свойств грунтов, зависящих от их состава и строения, включая диффузионные и осмотические

Цели и задачи работы. Целью диссертационной работы являлось выявление, исследование и количественное описание взаимосвязи диффузионных и осмотических параметров в глинистых грунтах с их микростроением для широкого спектра микроструктурно-минеральных разновидностей

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи

1. Обосновать возможность расчета диффузионных параметров глинистых грунтов на основе стандартно определяемых, расчетных и модельных показателей их свойств, а также по принадлежности грунтов к определенной микроструктурно-минеральной разновидности,

2 Установить и описать взаимосвязи показателей свойств грунтов, а также их диффузионных и осмотических параметров в рамках отдельных микроструктурно-минеральных разновидностей;

3 Выявить закономерности изменения диффузионных параметров отдельных микроструктурно-минеральных разновидностей глинистых грунтов в условиях неполного водонасьпцения,

4 Провести типизацию микроструктурно-минеральных разновидностей глинистых грунтов по их диффузионной и осмотической проницаемости

Объекты исследования. При выборе объектов исследования в работе ставилась цель охватить максимально широкий круг существующих микроструктурно-минеральных разновидностей глинистых грунтов. С учетом некоторых допущений данная задача была выполнена В этой связи массив исследованных глинистых грунтов был представлен грунтами различного возраста и генезиса Исследованные грунты принадлежали к широкому спектру глинистых отложений от супесей до аргиллитов Изучались образцы грунтов как естественного, так и нарушенного сложения

Общее количество исследованных образцов грунтов составило 241 единицу, относящиеся к 24 микроструктурно-минеральным разновидностям Образцы грунтов отбирались автором самостоятельно в Москве, Московской области и Крыму, а также были получены при помощи сотрудников кафедры инженерной и экологической геологии из разных регионов России.

Методика исследований и достоверность результатов. Исследование состава, строения и микростроения, состояния и свойств грунтов в естественном и нарушенном сложениях проводилось с помощью стандартных методов Определение диффузионных и осмотических параметров грунтов проводилось двумя методами - в диффузионно-осмотической двухкамерной ячейке и в полуограниченной трубке (метод Чернова) Лабораторные определения коэффициентов диффузии и осмоса проводились с 2-3-кратными повторениями, обеспечивающими воспроизводимость и достоверность получаемых параметров Микроструктурные характеристики грунтов рассчитывались по данным растровой электронной микроскопии (РЭМ) Минеральный состав грунтов определялся при помощи рентгено-структурного анализа Обработка данных проводилась стандартными статистическими методами с использованием прикладных математических программ, что позволило получить достоверные результаты

Научная новизна работы. В процессе исследования закономерностей диффузионно-осмотического переноса в глинистых грунтах были получены следующие новые научные результаты

1 Обоснована возможность расчета коэффициента извилистости поровых каналов на основе стандартно определяемых величин (пористости) и численными методами по РЭМ-изображениям для отдельных микроструктурно-минеральных разновидностей глинистых грунтов

2 Впервые обоснована возможность расчета диффузионных параметров глинистых грунтов по простым расчетным или стандартно определяемым величинам (коэффициенту молекулярной диффузии, пористости, коэффициенту извилистости поровых каналов), с учетом комплекса микроструктурно-минеральных особенностей данного грунта

3 Впервые выявлены и описаны закономерности диффузионного и осмотического переноса для широкого спектра микроструктурно-минеральных разновидностей глинистых грунтов

4 Впервые установлены и описаны закономерности изменения диффузионных параметров глинистых грунтов неполной степени водонасыщения под влиянием изменяющегося компонентного состава

5 Разработана типизация глинистых грунтов по диффузионной и осмотической проницаемости, основанная на выделении их микроструктурно-минеральных разновидностей и позволяющая прогнозировать их диффузионные и осмотические параметры

Практическая значимость работы. Работа обосновывает возможность расчета коэффициента диффузии глинистых грунтов на основе простых стандартно определяемых параметров и по принадлежности грунтов к определенной микроструктурно-минеральной разновидности Подобные оценки не сложны и занимают мало времени в отличие от весьма длительного экспериментального определения диффузионных или осмотических параметров Выделение микроструктурных типов грунтов может проводиться с минимальными ресурсозатратами по косвенным признакам возрасту и генезису грунтов и нескольким стандартно определяемым в грунтоведении показателям (влажности, пористости, гранулометрическому составу и ряду других).

Предложенная типизация грунтов позволяет оценивать диффузионные и осмотические параметры любых глинистых грунтов на основании комплекса их микроструктурных и минеральных особенностей Типизация может широко использоваться в практических целях, различных модельных построениях для оценки параметров диффузионно-осмотического переноса в глинистых грунтах на основании их принадлежности к той или иной микроструктурно-минеральной разновидности

Защищаемые положения. Результаты исследований сформулированы в виде следующих положений, выносимых на защиту

1 Установлена и статистически обоснована неизвестная ранее взаимосвязь коэффициентов извилистости поровых каналов, определенных экспериментально и рассчитанных по пористости, а также полученных моделированием на основе РЭМ-изображений микростроения, дающая возможность корректных оценок коэффициента извилистости грунтов отдельных микроструктурно-минеральных разновидностей и обусловленная особенностями микростроения их порового пространства

2 Установлена и статистически обоснована неизвестная ранее возможность расчета диффузионных параметров глинистых грунтов на основе простых экспериментально определяемых показателей (коэффициента извилистости поровых каналов, пористости) и табличных величин (коэффициента молекулярной диффузии) Она заключается в том, что предлагаемые эмпирические формулы хорошо применимы для большинства микроструктурно-минеральных разновидностей глинистых грунтов (за исключением смектитового типа) с соответствующими установленными нами переходными коэффициентами,

учитывающими микроструктурно-минеральные особенности. Она обусловлена однородностью физико-структурных характеристик грунтов в пределах одного микроструктурного типа, а также усложнением структуры порового пространства в грунтах с преобладанием гидрофильных смешанослойных минералов.

3. Выявлены неизвестные ранее закономерности изменения диффузионных и осмотических параметров глинистых грунтов в зависимости от их физико-химических свойств, минерального состава и микроструктурных особенностей, заключающиеся в следующем

а Влияние факторов диффузионно-осмотического переноса наиболее сильно проявляется в рамках отдельных микроструктурно-минеральных разновидностей,

b При переходе от тонкодисперсных классов микроструктуры к крупнодисперсным и от каолинитового типа минеральной ассоциации к смектитовому коэффициент диффузии грунтов при фиксированных значениях влажности и плотности имеет тенденцию к повышению

Эти закономерности обусловлены однородностью физико-структурных характеристик грунтов в пределах одной микроструктурно-минеральной разновидности

4 Установлена неизвестная ранее закономерность изменения коэффициента диффузии глинистых грунтов в зависимости от степени водонасыщения с учетом микроструктурных характеристик, заключающаяся в следующем увеличение коэффициента диффузии глинистых грунтов в рамках отдельных микроструктурно-минеральных разновидностей под влиянием степени водонасыщения (Kw) характеризуется интервалами его относительно быстрого роста (при Kw<0,5), разделенными зоной медленного роста Зона медленного роста соответствует значениям Kw = 0,50-0,80 для микроструктурно-минеральных разновидностей крупнодисперсного класса иК„ = 0,90-0,95 для микроструктурно-минеральных разновидностей тонкодисперсного класса Это обусловлено влиянием разных категорий связанной воды на диффузию и конкретным соотношением твердой, жидкой и газовой фаз при изменении степени водонасыщения

5 Установленные закономерности позволили предложить типизацию глинистых грунтов по степени диффузионной и осмотической проницаемости на основании микроструктурных характеристик и минерального состава

Источники и личный вклад автора. Диссертация выполнялась на кафедре инженерной и экологической геологии геологического факультета МГУ им М В Ломоносова во время обучения в очной (2003-2004) и заочной (2004-2007 гг) аспирантуре В основу диссертации положены материалы, полученные лично автором в лабораторных исследованиях, а также база данных по глинистым грунтам кафедры инженерной и экологической геологии Всего автором было проведено около 180 лабораторных опытов по определению диффузионных и

осмотических параметров, порядка 150 определений комплекса показателей свойств грунтов и коэффициента извилистости

Апробация работы и публикации. По теме диссертации автором опубликовано 24 работы Основные защищаемые положения и результаты исследований были доложены на международных конференциях и совещаниях «Новые идеи в науках о Земле», РГГРУ (2001, 2003), «Техногенная трансформация геологической среды», Екатеринбург, УГГА (2002, 2006), «Многообразие грунтов морфология, причины, следствия», МГУ (2003), «Вулканизм, биосфера и экологические проблемы», Туапсе (2003), «Геохимия биосферы», Ростов-на-Дону (2001), на годичной сессии Научного совета РАН по проблебам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии «Сергеевские чтения», ИГЭ РАН (2002, 2003, 2004), «Актуальные проблемы экологии и безопасности жизнедеятельности», РУДН (2002), а также на различных молодежных студенческих конференциях «Ломоносов», МГУ (2001, 2002, 2003, 2004), «Школа экологической геологии», Санкт-Петербург (2001, 2002, 2003, 2004), «Геологи - XXI век», Саратов (2001, 2003), «Геология и геоэкология Северо-Запада России», Петрозаводск (2003)

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, семи глав, заключения и списка литературы общим объемом 147 страниц машинописного текста Содержит 76 рисунков и 41 таблицу. Список использованной литературы включает 129 наименований, в том числе 117 опубликованных и 12 фондовых источников

Автор искренне признателен своим научным руководителям, доктору г.-м н , профессору В А Королеву и доктору г -м н , профессору В Н Соколову за всестороннюю поддержку на всех этапах выполнения работы Автор признателен Т В Андреевой за предоставление фондовых материалов и образцов грунтов Благодарит за консультации профессора А В Лехова и доцента Е Н Самарина Также выражает благодарность всему коллективу кафедры инженерной и экологической геологии за помощь, рекомендации и советы при подготовке работы, и особенно В Г Шлыкову!, В Д Харитонову, С К Николаевой, В М Ладыгину, М А Викторовой, МЛернову

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Современные представления о диффузионных и осмотических свойствах глинистых грунтов

В первом разделе главы рассматриваются современные направления изучения диффузионных и осмотических свойств глинистых грунтов Диффузионный перенос как составляющая массопереноса при движении подземных вод рассматривался в работах ННВеригина, ААГарибянца, В С Голубева, В М Гольдберга, Е Г Коникова, М Маскета, А А.Рошаля, БСШержукова, ВМШестакова Исследованию защитных свойств глинистых

7

грунтов, используемых при создании хранилищ отходов, посвящены работы И А Брилинг, Р Винберга, А.А Еремеевой, В А.Королева, А В Лехова, В Н Соколова, П Шика Проницаемость глинистых грунтов как покрышек месторождений углеводородов исследуется в работах Ю К Бурлина, В В Еремеева, В М Лазаревой, В И Осипова, В.Н Соколова, Л С Черновой. Существует довольно много классификаций глинистых покрышек месторождений нефти и газа по их экранирующей способности Большинство из них носят региональный характер. В нескольких общих классификациях большое внимание уделено структурному фактору Это, например, оценочная шкала экранирующей способности глинистых пород по ААХанину и классификация глинистых покрышек по фациальным условиям и экранирующей способности В И Осипова, В Н Соколова, В В Еремеева В последней классификации при оценке проницаемости учитывается коэффициент диффузии флюида.

Наиболее значимый вклад в развитие представлений о диффузионно-осмотических явлениях в дисперсных грунтах, описываемых во втором разделе, внесли И А Брилинг, А Н Галкин, И М Горькова, Н П Затенацкая, Р С Зиангиров, И М Зильберман, Р И Злочевская, Н А Комарова, В А Королев, А.М.Монюшко, Окнина НА, А Е Орадовская, Ю А Поляков, В А Приклонский, Н С Реутова, И.А Сафохина, В Н Соколов, 3 М Товбина, В.М Шестаков и др В разделе даны определения диффузии, самодиффузии, коэффициента диффузии, осмоса, коэффициента осмоса и др Приведены законы Фика, Вант-Гоффа, формулы расчета коэффициента диффузии в свободной жидкости и пористых средах, скорости осмотической фильтрации и др Для практических расчетов коэффициента диффузии в грунтах можно применять формулу, использующую коэффициент молекулярной диффузии, пористость и коэффициент извилистости поровых каналов (т.е отношение расстояния между двумя точками грунта к минимальной длине поровых каналов, соединяющих эти точки) Коэффициент извилистости поровых каналов может быть приближенно определен также через пористость по формуле Викке. Приведены единицы измерения коэффициентов диффузии и осмоса, характерные значения показателей в глинистых грунтах и др

Далее приводится анализ современных представлений о факторах, влияющих на диффузионные и осмотические свойства глинистых грунтов Изучению влияния минерального состава, обменных процессов, влажности и плотности на диффузионно-осмотические процессы посвящены работы И А Брилинг, АН Галкина, Н П Затенацкой, МАМалузиса, НАОкниной, И А Сафохиной Влияние внешних условий на диффузионный и осмотический перенос описывает уравнение Эйнштейна Влияние температуры на диффузионный процесс исследовали Л И Кульчицкий, В А Королев, Н А Окнина, 10 А Поляков и др

В четвертом разделе описано влияние структурных параметров на диффузионные и осмотические свойства глинистых грунтов, а также

закономерности изменения микроструктуры грунтов под воздействием диффузионного потока В А Королев, В Н Соколов и В Г Шлыков исследовали количественную взаимосвязь параметров состава, микроструктуры и различных свойств глинистых грунтов. Отдельные закономерности изменения коэффициента диффузии в зависимости от структурных характеристик (пористости, коэффициента извилистости поровых каналов, среднего размера пор и др ) даются в работах Р Винберга, А Н Галкина, В А Королева, В М.Лазаревой, В Н Соколова Эволюцию свойств грунтов под воздействием диффузии исследовали Н.П Затенацкая, В А Королев, Н А Окнина, В А Приклонский, В Н Соколов и др

Пятый раздел посвящен описанию существующих моделей диффузионного переноса Основными методами прогнозирования и моделирования массопереноса являются эмпирические и априорные Априорные методы включают в себя математическое моделирование, физическое моделирование в лабораторных или полевых условиях, аналоговые методы (работы А В Лехова и др.). Построением эмпирических моделей занимались ИАБрилинг, АН Галкин и др Одной из применяемых эмпирических моделей является модель, разработанная 3 М Товбиной для диффузии в силикагелях и опробованная для глин Л И Кульчицким Не существует универсальных и широко применяемых априорных методов моделирования диффузионного переноса

Анализ собранных материалов привел к выводам о том, что 1) закономерности протекания диффузионных и осмотических процессов достаточно хорошо изучены и освещены в научной литературе. Опубликованы характерные значения показателей диффузионно-осмотического переноса для большого количества разновидностей грунтов, 2) несмотря на относительно глубокую проработку этого вопроса, в настоящее время отсутствуют работы, освещающие закономерности диффузионного и осмотического переноса для отдельных микроструктурно-минеральных разновидностей глин, 3) в настоящее время не существует универсальной классификации глинистых грунтов по диффузионной и осмотической проницаемости, учитывающей комплекс физико-химических и структурных параметров, 4) отсутствуют обоснованные для всего спектра глинистых грунтов способы расчета диффузионных и осмотических параметров на основании простых расчетных или стандартно определяемых величин

Глава 2. Инженерно-геологическая характеристика исследуемых грунтов

Исследуемые грунты в соответствии с классификацией глинистых пород по составу ассоциаций глинистых минералов и микроструктуре В Н Соколова, В А Королева и В Г Шлыкова, 1997, (см табл 1) представлены всеми основными микроструктурно-минеральными разновидностями Классы микроструктур в данной классификации отличаются по дисперсности (обозначаются заглавными русскими буквами А, Б, В) Подклассы микроструктур выделяются по разной степени ориентированности микроструктурных элементов

(римские цифры I, II, III) Группы микроструктур выделяются по типу структурных связей (обозначаются строчными русскими буквами а, б, в) Различное сочетание классов, подклассов и групп позволяет выделять в глинистых грунтах 12 различных типов микроструктур Микроструктурно-минеральные разновидности выделяются в составе типов микроструктур по преобладающему глинистому минералу Грунты с преобладанием смектитов относятся к первому типу минеральной ассоциации (обозначаются арабской цифрой 1), с преобладанием гидрослюд - ко второму (2) и четвертому (4) типам, и с преобладанием каолинита - к третьему типу (3)

Табл. 1. Классификация глинистых пород по составу ассоциаций глинистых минералов и микроструктуре В.Н.Соколова, В.А.Королёва и В.Г.Шлыкова (1997) с изменениями авт.

Микроструктура Ассоциация глинистых минералов

Тип 1 Тип 2 Тип 3 Тип 4

Класс Подкласс Группа 1а С-Г-К(Х) 16 С К(Х)-Г 2 Г-С-К(Х) За К(Х)-С-Г 36 К(Х)-Г-С-(У) 4 Г-К-С(У)

А Тонко-дисперс ная I Слабоориентированная а Коагуляци онная Илы глинистые, тяжелые глины

Alai а Alai б А1а2 А1аЗа А1аЗб А1а4

II Средне-ориентированная б Смешанная Тяжелые глины

АПб1а | A1I616 | AII62 | АНбЗа | АИбЗб | AII64

Ш Высокоориентированная б,в Смешанная и крист-цемент Тяжелые глины, аргиллиты

АШб,в 1а АШб,в 16 А1Ш,в 2 АШб,в За АШб,в 36 AIII6,в 4

Б Средне-дисперс ная I Слабоориентированная а Коагуляци онная Илы глинистые и пылеватые, тяжелые глины

Elala Б1а1б Б1а2 Б1аЗа Б1аЗб Б1а4

II Средне-ориентированная б Смешанная Глины (в основном от средних до легких), суглинки

БПб1а | БП616 | БИ62 | БПбЗа | БПбЗб | БП64

П1 Высокоориентированная б,в Смешанная и крист-цемент Глины (в основном от средних до легких), суглинки

БШб,в 1а БШб,в 16 БШб,в 2 БГОб,в За БП1б,в 36 БШб,в 4

В Крупно-дисперс ная I Слабоориентированная а Коагуляци онная Илы пылеватые, глины (от средних до легких)

Blala ВЫ б В1а2 В1аЗа В1аЗб В1а4

II Средне-ориентированная б Смешанная Глины (от средних до легких), суглинки

ВИб1а | ВП616 | ВП62 | ВПбЗа | ВПбЗб | ВП64

III Высокоориентированная б,в Смешанная и крист-цемент Глины легкие, суглинки, супеси, алевролиты, аргиллиты

ВШб,в 1а ВШб,в 16 ВШб,в 2 ВШб,в За ВШб,в 36 ВШб,в 4

Пояснения к классификации:

С - смектит и смешанослойные образования с преобладанием смектитовых слоев, Г - гидрослюда, К - каолинит, X - хлорит, У - упорядоченные смешанослойные минералы (ректорит, корренсит и другие) и вермикулит.

Классификация в целях данного исследования была несколько упрощена Из нее были удалены типы минеральных ассоциаций 5 и 66 в силу их незначительной распространенности Тип 6а (в массиве исследованных грунтов

это преимущественно аргиллиты флишевой формации) был объединен со сходным гидрослюдистым типом 4 Были объединены также смешанная и кристаллизационно-цементационная группы в рамках высокоориентированных подклассов На рис 1 представлены характерные РЭМ-изображения грунтов некоторых исследованных микроструктурно-минеральных разновидностей

Общий массив исследованных грунтов состоит из широкого спектра глинистых отложений от супесей до аргиллитов различного возраста и генезиса Структурные, физические, физико-химические характеристики исследованных грунтов изменяются в широком диапазоне Полученный массив данных является статистически представительным и может использоваться для различного рода построений, в том числе в рамках отдельных микроструктурно-минеральных разновидностей

Глава 3. Методика исследований

В работе были использованы экспериментальные, численные (на основе ПО) и расчетные методы оценки диффузионно-осмотических и структурных параметров грунтов Показатели свойств грунтов определялись стандартными методами Микроструктурные параметры грунтов были определены с помощью растровой электронной микроскопии (РЭМ) Минеральный состав грунтов определялся рентгено-структурным методом Для статистической обработки полученных результатов использовались корреляционный, регрессионный анализы, а также ряд базовых статистических приемов

Коэффициент извилистости определялся тремя способами 1) путем расчета на основе результатов лабораторных экспериментов как отношение электропроводности раствора электролита к электропроводности грунта, насыщенного данным электролитом, 2) путем расчета при помощи эмпирической формулы Викке, использующей значения пористости, 3) в ходе моделирования на основании РЭМ-изображений грунтов при помощи пакета программ «СТИМАН», разработанного В Н Соколовым, Д И Юрковцом и О.В Разгулиной

При выполнении работы был реализован комплексный подход к экспериментальному исследованию диффузионно-осмотических свойств грунтов, выражающийся в использовании нескольких методик для определения диффузионно-осмотических параметров Это позволило преодолеть недостатки отдельных методик и исследовать широкий спектр грунтов как естественной, так и нарушенной структуры, как полностью водонасыщенных, так и с неполной степенью водонасыщения

Рис. 1. РЭМ-изображения исследованных грунтов микроструктурно-минеральных разновидностей: 1 -тонкодисперсного класса слабоориентированного подкласса с коагуляционным типом структурных связей и смектитовым типом минеральной ассоциации (Л1У, сапонит Архангельский), 2 - тонкодисперсного класса среднериентированного подкласса со смешанным типом структурных связей и смектитовым типом минеральной ассоциации (еРгогь огланлинская глина, Туркменистан), 3 - среднедисперсного класса слабоориентированного подкласса с коагуляционным типом структурных связей и смектитовым типом мин. ассоциации (ЛГУ, осадок хвостохранилища,

Айхальский ГОК, Якутия), 4 - среднедисперсного класса среднериентированного подкласса со смешанным типом структурных связей и гидрослюдистым типом минеральной ассоциации (тШ^, Каспий), 5 - среднедисперсного класса слабоориентированного подкласса с коагуляционным типом структурных связей и каолинитовым типом минеральной ассоциации (ШУ, осадок хвостохранилища, трубка Нюрбинская, Якутия), 6 - крупнодисперсного класса среднеориенгированного подкласса со смешанным типом структурных связей и каолинитовым типом минеральной ассоциации (ргШ, покровный суглинок, Москва), 7 - крупнодисперсного класса слабоориентированного подкласса с коагуляционным типом структурных связей и гидрослюдистым типом минеральной ассоциации (шШ1у, хвалынская глина, Каспий), 8 - крупнодисперсного класса высокоориентированного подкласса со смешанным типом структурных связей и гидрослюдистым типом минеральной ассоциации (тШь», хвалынская глина, Каспий)

Диффузионные и осмотические параметры грунтов определялись экспериментально по широко апробированной И А Брилинг, В А.Королевым, А Н Галкиным и др методике в диффузионно-осмотической двухкамерной ячейке Диффузионно-осмотическая двухкамерная ячейка выполнена из оргстекла и состоит из обоймы с грунтом, закрепленной между двумя перфорированными цилиндрами Один из цилиндров служит камерой для дистиллированной воды, другой - для исследуемого раствора соли (2н КС1) Камеры-цилиндры имеют прямую связь с градуированными капиллярами, позволяющими отследить скорость осмотического передвижения воды Прибор позволяет отбирать пробы воды из цилиндра, в котором первоначально был дистиллят И по определению изменения удельной электропроводности раствора во времени находить изменение концентрации раствора, с помощью которого затем рассчитывались коэффициенты диффузии и осмоса Данная методика позволяет определять диффузионные и осмотические параметры образцов грунтов как нарушенного, так и естественного сложения Ограничением методики является необходимость водонасыщения образцов в ходе эксперимента, что не позволяет отследить влияние степени водонасыщения на диффузионно-осмотические процессы Поэтому в работе дополнительно проводились эксперименты по методике послойного отбора проб (метод А А Чернова), лишенной указанного ограничения

Помимо экспериментального определения коэффициента диффузии, в ходе работы проводился его расчет Расчетные способы оценки коэффициента диффузии основывались на выражении данного показателя через коэффициент молекулярной диффузии (определяемый по формуле Эйнштейна), пористость и коэффициент извилистости Пористость определялась стандартным способом на основе экспериментальных данных о плотности твердой компоненты и плотности скелета Коэффициенты диффузии были рассчитаны тремя способами, отличия которых состояли в использовании полученных разными путями коэффициентов извилистости 1) определенных экспериментально методом электропроводности,

2) рассчитанных по значениям экспериментальной пористости по формуле Викке,

3) рассчитанных по программе «СТИМАН» на основе количественного анализа РЭМ-изображений При этом в ходе работы была решена задача выбора

оптимального для каждой микроструктурно-минеральной разновидности увеличения РЭМ-снимков для расчета коэффициента извилистости.

Использование в работе экспериментальных, численных и расчетных методов оценки диффузионно-осмотических и структурных параметров грунтов дало возможность сравнивать результаты, полученные разными методами, и определять оптимальные условия применения каждого из методов.

Глава 4. Определение коэффициента извилистости грунтов по пористости и данным количественного анализа РЭМ-изображений

В главе обосновываются возможности и корректность расчета и численного определения (по программе «СТИМАН») коэффициента извилистости поровых каналов. Для этого проводилось сравнение расчетных и экспериментальных значений этого параметра. В качестве критерия корректности был использован стандартный статистический показатель - коэффициент парной корреляции. Известно, что коэффициент корреляции двух переменных указывает на наличие или отсутствие линейной связи между ними. Линейная модель является наиболее понятным, ясным, прозрачным и удобным инструментом и наиболее предпочтительна для использования.

Первый раздел главы посвящен описанию базы коэффициентов извилистости, полученных разными способами. Полученные массивы данных являются представительными для проводимых оценок. Во втором разделе обосновываются границы применения эмпирической формулы Викке, использующей значения пористости для расчета коэффициента извилистости. При помощи корреляционного анализа установлено, что данная формула не может быть использована для грунтов смектитового типа минеральной ассоциации (Рис. 2).

Рис. 2. Коэффициенты корреляции рассчитанного по формуле Викке и экспериментального коэффициентов извилистости для микроструктурных типов: 1 - со смекгитовым типом минеральной ассоциации; 2,4 - с гидрослюдистым типом; 3-е као-линитовым типом. Обозначения согласно классификации

(табл.1)

Приведены и обоснованы переходные коэффициенты, учитывающие микроструктурно-минеральные особенности грунтов для расчета коэффициентов извилистости в грунтах с типами минеральных ассоциаций, отличными от

0,4 0,6 0,8 1,0 Коэффициент корреляции

смектитового Пример полученных результатов для двух микроструктурно-минеральных разновидностей приведен в табл 2

Табл. 2. Параметры уравневнй связи экспериментальных (%жс„) и расчетных (Хэгт) коэффициентов извилистости (уровень значимости а = 0,05) для микроструктурно-минеральных разновидностей крупнодисперсного класса среднеориентироваиного подкласса

Среднеориентированный подкласс смешанный тип

Параметры регрессии Тип ассоциации глинистых минералов

гидрослюдистый каолинитовый

Микроструктурно-минеральная разновидность

ВПб 2,4 вшз

Уравнение регрессии У=ЪХ+а Х,„сп =3,41x^,-2,13 Х,ка, = 4,39 х %Вт1€ - 2,85

Доверительный интервал для Ь 6 = 3,41 + 0,87 6 = 4,39 + 0,98

Доверительный интервал для а а = -2,13 ±0,63 а = -2,85 + 0,71

Доверительный интервал для Г у -г +0,015 Л эксл Л э ксп ±0.02

Коэфф корреляции Я 0,74 0,78

В третьем разделе главы обоснованы и описаны возможности определения коэффициентов извилистости по РЭМ-изображениям грунтов Выявлена, детально описана и обоснована область оптимальных масштабов РЭМ-изображений для каждой микроструктурно-минеральной разновидности (область в рамке в табл 3)

Табл 3 Распределение коэффициентов парной корреляции расчетных и экспериментальных коэффициентов извилистости по микроструктурио-мииератьным разновидностям

Класс дисперсности Подкласс ориентированности Увеличение РЭМ-снимков

500 крат 1000 крат

Тип мин. ассоциации 1 смекгито-вый 2,4 гидрослюд истый 3 каолинитовый 1 смектито-вый 2,4 гидрослюдистый 3 каошнито-вый

А - тонкая I - слабая -0,71 -0,63 -0,54 -0,79 -0,79 -0,79

А - тонкая II - средняя -0,55 -0,55 -0,55 -0,94 -0,94 -0,94

А - тонкая П1 - высокая - - - -0,86 -0,86 -0,86

Б - средняя I - слабая -0,44 -0,57 -0,88 -0,82 -0,83 -0,70

Б - средняя II - средняя -0,85 -0,87 -0,87 -0,95 -0,88 -0,69

Б - средняя III - высокая -0,91 -0,91 -0,91 -0,86 -0,86 -0,86

В - крупная I - слабая -0,91 -0,91 -0,91 -0,41 -0,41 -0,41

В - крупная II - средняя -0,73 -0,67 -0,84 -0,74 -0,38 -0,39

В - крупная III - высокая -0,91 -0,91 -0,91 -0,86 -0,86 -0,86

В том же разделе найдены и описаны переходные коэффициенты для определения коэффициентов извилистости по РЭМ-снимкам, учитывающие микроструктурно-минеральные особенности грунтов В табл 4 приведен пример таких коэффициентов в виде уравнений регрессии для грунтов микроструктурно-минеральных разновидностей крупнодисперсного класса слабо- и

среднеориентированного подкласса микроструктуры Полученные в четвертой главе результаты подтверждают первое защищаемое положение

Табл 4 Параметры уравнения связи экспериментальных (Хпт) и найденных при помощи «СТИМАН» (Хгзм) коэффициентов извилистости мвкроструктурно-миверальных разновидностей крупнодисперсного класса (уровень значимости а = 0,05)

Параметры регрессии Подкласс ориентированности микроструктуры

I - слабая II - средняя

Уравнение регрессии У=ЪХ+а = -0,36 х + 0,54 = -0,69 х Хгэм +0,65

Доверительный интервал для Ь Ь = -0,36 ±0,21 Ъ = -0,69 ±0,12

Доверительный интервал для а а = 0,54 ±0,11 а = 0,65 ±0,03

Доверительный интервал для У х =9 ±0,015 Лзксп Лзксп ^ Хзксп ~~ Хэксп —

Коэфф корреляции Д -0,78 -0,71

Необходимое увеличение РЭМ-снимка 500 500

Глава 5. Расчетная оценка диффузионных параметров глинистых грунтов на основе их структурных характеристик

В главе обосновываются возможности корректного расчета коэффициента диффузии глинистых грунтов Первый раздел главы посвящен описанию банка данных для статистических оценок Банк данных представляет собой массив значений коэффициентов диффузии, определенных экспериментально, и три массива рассчитанных коэффициентов диффузии (для трех методов расчета)

Во втором разделе обоснованы возможности расчета коэффициентов диффузии каждым из перечисленных способов Приведены и обоснованы переходные коэффициенты в виде уравнений регрессии для поправки рассчитанного коэффициента диффузии В качестве примера полученных результатов в табл. 5 приведены переходные коэффициенты для расчета коэффициента диффузии на основе экспериментальных коэффициентов извилистости и пористости для грунтов шести микроструктурно-минеральных разновидностей Показано, что расчет коэффициента диффузии через экспериментальные значения пористости (коэффициент извилистости выражен через формулу Викке) не может использоваться для грунтов смектитового типа минеральной ассоциации

Таким образом, в пятой главе предлагаются обоснованные эмпирические формулы, дающие возможность оценивать коэффициент диффузии грунтов отдельных микроструктурно-минеральных разновидностей на основании просто определяемых показателей Данное утверждение подтверждает второе защищаемое положение

Табл 5 Параметры уравнений связи экспериментальных (О) и расчетных (2)^) коэффициентов диффузии (см2/с) при уровне значимости а = 0,05 для отдельных микроструктурно-минеральных разновидностей крупиодисперсвого класса

Параметры Подкласс ориептированности микроструктуры

I - слабая II - средняя III - высокая

Смектитовый тип минеральной ассоциации

Уравнение регрессии У=ЬХ+а D = 0,77 xDz +4,01 10"6 0 = 1,68x2)^+5,01 10~6 D = 1,92x2)^+5,18 10"6

Доверительный интервал для Ь и а b = 0,77 ±0,57, а = 4,01 10"6 ±1,00 10"6 6 = 1,68 + 0,71, а = 5,01 10"6 ±0,96 10"6 Ъ = 1,92 ±1,08, л = 5,18 10"6 ±1,63 10"6

Доверительный интервал для У D = D± 0,34 10"6 2) = 2) ±0,29 10"6 2) = ¿ + 0,48 10^

Гидрослюдистый тип минеральной ассоциации

Уравнение регрессии Y=bX+a 0 = 0,72x2)^+4,31 10Г6» D = 1,50x2),+4,50 10"6 D = 1,92x2),+ 5,18 10'6

Доверительный интервал для Ъ и а Ь = 0,72 ±0,57, а = 4,31 10"6 ±1,04 Ю-6 ¿ = 1,50 ±0,48, а = 4,50 10"6 ±0,74 10"6 Ъ = 1,92 ±1,08, а = 5,18 10"6 ±1,63 10"6

Доверительный интервал для Y D = D± 0,44 10"6 2> = 2)± 027 10'6 D = 2)± 0,48 10"6

Примечание * в отмеченном уравнении уровень значимости а = 0,10

Глава 6. Характеристика диффузионных и осмотических параметров микроструктурно-минеральных разновидностей глинистых грунтов

В первом разделе главы обосновывается целесообразность рассмотрения взаимосвязи показателей свойств грунтов, с одной стороны, и диффузионных и осмотических свойств, с другой, в отдельности для каждой микроструктурно-минеральной разновидности Рассмотрение общего массива грунтов с разными микроструктурными и минеральными особенностями приводит к искажению тенденций диффузионной проницаемости в зависимости от показателей свойств грунтов Доказательство этого проводится следующим образом Показано, что коэффициенты парной корреляции показателей свойств грунтов и коэффициента диффузии при рассмотрении всего массива значений незначительны В то же время при разбиении массива данных на выборки, соответствующие микроструктурно-минеральным разновидностям, получаемые коэффициенты корреляции являются значимыми Рассмотренное доказательство входит в третье защищаемое положение (пункт а)

Во втором разделе главы рассмотрено влияние структурных показателей -пористости и коэффициента извилистости - на диффузионные и осмотические параметры грунтов отдельных микроструктурно-минеральных разновидностей Показано, что взаимосвязь коэффициента диффузии и коэффициента осмоса со структурными показателями (коэффициент извилистости, пористость) определяется комплексом структурно-минеральных особенностей грунтов, а именно- структурой порового пространства и гидрофильностью глинистых минералов

В третьем разделе описано влияние показателей свойств грунтов на коэффициенты диффузии и осмоса в рамках отдельных микроструктурно-минеральных разновидностей Данный раздел также доказывает третье защищаемое положение (пункт Ь) Показано, что взаимосвязь коэффициента диффузии (и коэффициента осмоса) и относительного содержания глинистых минералов в грунтах тонкодисперсных классов микроструктуры и среднедисперсного класса слабоориентированного подкласса является наиболее сильной для каолинитового грунта, и менее сильной - для смектитового При повышении степени агрегированности и ориентированности микроструктурных элементов особенности минерального состава в значительной степени компенсируются изменением микроструктуры Коэффициент диффузии возрастает при переходе от тонкодисперсного класса микроструктуры к крупнодисперсному при фиксированных значениях влажности и плотности Одним из примеров данного утверждения является рис 3.

Ь 8

1 Г

я •

>»

§ 5

•е- .а

I »

£ 2

§ 1 О

* о

■ее- "

•е-

8 7 6 5 и 4 3 2 1 О

1,0 1,2 1,4 1,6 1,8

2,0 2,2 2,4 Плотность, г/см1

20

40

60

80 100 Влажность, %

Рис 3 Зависимость коэффициента диффузии от плотности и влажности для грунтов микроструктурно-минеральных разновидностей слабоориентированного подкласса тонкодисперсного (1), среднедисперсного (2) и крупнодисперсного (3) классов Обозначения см в табл 1

В четвертом разделе исследуются закономерности протекания диффузионного процесса в грунтах неполной степени водонасыщения. Показано, что увеличение диффузионной проницаемости глинистых грунтов под влиянием роста степени водонасыщения характеризуется зоной медленных изменений коэффициента диффузии при значениях степени водонасыщения Кж=0,50-0,80 для микроструктурно-минеральных разновидностей крупнодисперсного класса и Кж=0,90-0,95 для микроструктурно-минеральных разновидностей тонкодисперсного класса (рис 4) Влияние микроструктурно-минеральных различий грунтов выражается в сдвиге точки перелома графика зависимости коэффициента диффузии от степени водонасыщения к началу координат при переходе от тонко- к крупнодисперсным классам микроструктуры

.О 1.Е-05

S о 9.Е-06

X s 8.Е-06

п

■& 7.Е-06

■Я-

X Ч 6.Е-06

X 5.E-0S

S

я 4.Е-06

■& fl- з.Е-ое

<п

2.Е-06

1.Е-06

0,Е+00

o Ala • AI16 л 51a а БПб Ж Bla х B1I6

0,0 0,1 0,2 0.3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Степень водонасыщения, доли ед.

Рис. 4. Зависимость коэффициента диффузии от степени водонасыщения грунтов микроструктурно-минеральных разновидностей тонкодисперсных слабоориентированных Ala (1), тонкодисперсных среднеориентированных АПб (2), среднедисперс-ных слабоориентированных На (3), среднедис-персных среднеориентированных БПб (4), крупнодисперсных слабоориентированных Bla (5), крупнодисперсных среднеориентированных ВПб (6)

Наиболее наглядно влияние фазового (компонентного) состава грунта на его коэффициент диффузии выявляется помощью треугольных диаграмм фазового состава. Совместное влияние степени водонасыщения (К„) и пористости (л) для грунтов с одинаковыми микроструктурными характеристиками выражается в увеличении коэффициента диффузии при увеличении К„п п (рис. 5). Уплотнение грунтов (снижение пористости) приводит при той же влажности к увеличению степени водонасыщения, необходимой для инициации диффузионного процесса.

Результаты, изложенные в рассмотренном разделе диссертации, доказывают четвертое защищаемое положение.

60 70 80 юо% Дт

Рис. 5. Диаграмма фазового состава с изолиниями диффузионной проницаемости грунтов микроструктурно-минеральной разновидности ВПбЗ. Где: цифры на изолиниях - значения коэффициента диффузии £>х10"6 см^с; пунктирная линия - граница поля протекания диффузии; Дт, Аж, Дг -объемные доли твердой, жвдкой и газовой компонент грунта

Изменение

коэффициента

диффузии

полностью

водонасыщен-

ного образца

В пятом разделе описаны закономерности изменения микроструктурных параметров глинистых грунтов под воздействием самого диффузионно-осмотического потока Показано, что двигающийся фронт солей закономерно изменяет микроструктуру глинистого грунта

Глава 7. Типизация микроструктурно-минеральных разновидностей глинистых грунтов по диффузионной и осмотической проницаемости

На основе результатов экспериментальных исследований и с использованием граничных значений параметров диффузионно-осмотического переноса для отдельных микроструктурно-минеральных разновидностей глинистых грунтов была построена их типизация по диффузионной и осмотической проницаемости (табл 6, 7) Выделение граничных значений коэффициентов диффузии и осмоса в типизации проводилось на основе критерия Фурье, который характеризует интенсивность процесса массопереноса

Табл 6 Типизация микроструктурно-минеральных разновидностей глинистых пород по

диффузионной проницаемости анионов СГ (коэффициент диффузии ДхЮ"6 смУс)

Класс микроструктуры Подкласс микроструктуры Степень диффузионной проницаемости глинистых пород и соответствующие микроструктурно-минеральные разновидности

низкая средняя высокая

D<3,0 3,0<D<6)0 D>6,0

А - тонкодисперсный Iслабоориент П среднеориент Ш высокоориент Alal - АГа2,4 - А1аЗ АП61 - А11б2,4 АПбЗ АШб,в2,4

Б - средне-дисперсный Iслабоориент IIсреднеориент III высокоориент - Б1а1-Б1а2,4-Б1аЗ Б1161 - БП62.4 - БПбЗ БШб,в2,4

В - крупнодисперсный Iслабоориент IIсреднеориент III высокоориент - Blal - В1а2,4 - В1аЗ BII61 - ВП62,4 - BII63 ВШб,в1 - ВШб,в2,4 - ВШб,вЗ

Табл 7. Типизация микроструктурно-минеральных разновидностей глинистых пород по _осмотической проницаемости (коэффициент осмоса ^оы,х105 см'/моль с)_

Класс микроструктуры Подкласс микроструктуры Степень осмотической проницаемости глинистых пород и соответствующие ей микроструктурно-минеральные разновидности

низкая средняя высокая

Кссм<2,0 2,0<КОС«<8>0 Коси^.О

А - тонкодисперсный Iслабоориент II среднеориент III высокоориент АПбЗ А1а1-А1а2,4-А1аЗ АП61-АП62,4 А1Лб,в2,4 -

Б - средне-дисперсный I слабоориент II среднеориент III высокоориент Б1а2,4 БП62,4 Б1аЗ БНбЗ Б1а I БП61 БН1б,в2,4

В - крупнодисперсный I слабоориент II среднеориент III высокоориент - В1а1 ВП61 ВШб,в1 - ВШб,в2,4 - В1Пб,вЗ В1а2,4 - В1аЗ BII62,4 - BII63

Предлагаемая типизация микроструктурно-минеральных разновидностей глинистых грунтов по диффузионной и осмотической проницаемости основана на данных многочисленных лабораторных исследований, что обеспечивает высокую достоверность проведенных оценок. Типизация может широко использоваться в практических целях, различных модельных построениях для оценки параметров диффузионно-осмотического переноса грунтов на основании их принадлежности к той или иной микроструктурно-минеральной разновидности Предложенная типизация является пятым защищаемым положением

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1 В работе реализован комплексный подход к экспериментальному исследованию диффузионно-осмотических свойств грунтов, выражающийся в использовании нескольких методик для определения диффузионно-осмотических параметров Это позволило преодолеть недостатки отдельных методик и исследовать широкий спектр глинистых грунтов как естественной, так и нарушенной структуры, как полностью водонасыщенных, так и с неполной степенью водонасыщения Использование в работе экспериментальных, численных (на основе ПО) и расчетных методов оценки диффузионно-осмотических и структурных параметров грунтов дало возможность сравнивать результаты, полученные разными методами, и определить оптимальные условия применения каждого из методов

2 Обоснованы границы применения эмпирической формулы Викке для расчета коэффициента извилистости Данная формула не может быть использована для грунтов со смектитовым типом минеральной ассоциации Приведены и обоснованы переходные коэффициенты, учитывающие микроструктурно-минеральные особенности грунтов, для расчета коэффициентов извилистости в грунтах с типами минеральных ассоциаций, отличными от смектитового Обоснованы и описаны возможности расчета коэффициентов извилистости по РЭМ-изображениям грунтов, в том числе определены переходные коэффициенты, учитывающие микроструктурно-минеральные особенности грунтов Детально описана область оптимальных масштабов РЭМ-изображений для каждой микроструктурно-минеральной разновидности

3 Приведены и обоснованы переходные коэффициенты для расчета коэффициента диффузии по 1) экспериментальным коэффициентам извилистости и пористости; 2) по коэффициентам извилистости, получаемым в ходе количественного анализа РЭМ-изображений грунтов, и значениям пористости; 3) по пористости Использование экспериментальных значений пористости для расчета коэффициента диффузии невозможно в грунтах смектитовых типов минеральной ассоциации

4 Исследование взаимосвязи показателей свойств грунтов и диффузионной проницаемости в отдельности по микроструктурно-минеральным разновидностям грунтов дает более ясные и представительные результаты, не искаженные отличиями структурно-минеральных особенностей грунтов

Взаимосвязь коэффициента диффузии и коэффициента осмоса со структурными показателями (коэффициент извилистости, пористость) определяется комплексом структурно-минеральных особенностей грунтов, а именно- структурой порового пространства и гидрофильностью глинистых минералов. Взаимосвязь коэффициента диффузии (коэффициента осмоса) и относительного содержания глинистых минералов в грунтах тонкодисперсных классов микроструктуры и среднедисперсного класса слабоориентированного подкласса является наиболее сильной для каолинита, и менее сильной - для смектита.

Выявлены закономерности диффузионного процесса в грунтах неполной степени водонасыщения Увеличение диффузионной проницаемости глинистых грунтов под влиянием роста степени водонасыщения (Ки) характеризуется зоной медленных изменений коэффициента диффузии (Э) при значениях степени водонасыщения К„ = 0,50-0,80 для микроструктурно-минеральных разновидностей крупнодисперсного класса и К« = 0,90-0,95 для микроструктурно-минеральных разновидностей тонкодисперсного класса Влияние микроструктурно-минеральных различий грунтов выражается в сдвиге точки перелома графика Б =/(К„) к началу координат от тонко- к крупнодисперсным классам микроструктуры Совместное влияние степени влажности и пористости для грунтов с одинаковыми микроструктурными характеристиками выражается в увеличении коэффициента диффузии с ростом данных показателей. Уплотнение грунтов приводит к увеличению степени водонасыщения, необходимой для инициации диффузионного процесса

5 На основе результатов экспериментальных исследований обоснована типизация микроструктурно-минеральных разновидностей глинистых грунтов по их диффузионной и осмотической проницаемости

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1 Королев В А., Соколов В Н, Савиновская В С Экранирующая способность глинистых грунтов как следствие их микроструктурных особенностей // Сергеевские чтения Материалы годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии Вып 6 М, ГЕОС, 2004, с 49-53

2 Лукина В С Диффузионная проницаемость глинистых грунтов неполной степени водонасыщения с учетом микроструктурных особенностей // Материалы научн конф «Эколого-геологические проблемы урбанизированных территорий», Екатеринбург, 2006

3 Савиновская В С. Влияние микроструктуры на диффузионные параметры глинистых грунтов // Материалы международной конф студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов» М, МГУ, 2002, вып 7, с 167-168

4 Савиновская В С Выяснение экранирующей способности грунтов в целях создания защитных экранов // Материалы XIV молодежной конф, посвященной памяти К О Кратца «Геология и геоэкология Северо-Запада России» Петрозаводск, 2003, с 131-133

5 Савиновская В С Диаграммы фазового состава Гиббса как метод изучения процесса дегидратации глинистых грунтов // Тез докл Всероссийской научн конф студентов, аспирантов и молодых специалистов «Геологи XXI века» Саратов, СО ЕАГО, 2001, с 56-57

6 Савиновская В С Диффузионная проницаемость глинистых грунтов и показатели микроструктуры // Тез докл Всероссийской научн конф студентов, аспирантов и молодых специалистов «Геологи XXI века». Саратов, СО ЕАГО, 2003, с 103-107

7 Савиновская В С Защитные функции глинистых экранов и проблема глобального распространения химического загрязнения // Тез докл III Туапсинской международной научн конф «Вулканизм, биосфера и экологические проблемы» Туапсе, 2003, с 93-94

8 Савиновская ВС Об эколого-геологических проблемах создания защитных глинистых экранов // Материалы III межвузовской молодежной научн конф «Школа экологической геологии и рационального недропользования» Санкт-Петербург, СПбГУ, 2002, с 306-308

9 Савиновская ВС О возможности использования глинистых грунтов разных микроструктурных типов в качестве защитных экранов // Материалы международной конф. студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов» М, МГУ, 2004

10 Савиновская В С Определение диффузионно-осмотических параметров глинистых грунтов с целью оценки их защитных свойств // Материалы II межвузовской молодежной научн конф «Школа экологической геологии и рационального недропользования» Санкт-Петербург, СПбГУ, 2001, с 248-250

11 Савиновская В С Оценка диффузионных параметров глинистых грунтов города Москвы // Материалы международной конф студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов» М, МГУ, 2001, вып 6, с 126

12. Савиновская В С Проницаемость глинистых грунтов как следствие особенностей порового пространства // Материалы международной конф студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов» М, МГУ, 2003, часть 1, с 128-129

13 Савиновская В С Эколого-геологическая оценка экранирующей способности глинистых грунтов // Материалы IV межвузовской молодежной научн конф «Школа экологической геологии и рационального недропользования» Санкт-Петербург, СПбГУ, 2003, с 240-242

14 Савиновская В С Экранирующая способность глинистых грунтов различных структурно-минеральных разновидностей // Материалы V межвузовской молодежной научн конф «Школа экологической геологии и рационального недропользования» Санкт-Петербург, СПбГУ, 2004

15. Савиновская ВС, Королев В.А, Соколов ВН. Взаимосвязь диффузионных и микроструктурных параметров глинистых грунтов // Материалы годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии «Сергеевские чтения» М , ГЕОС, 2002, вып 4, с 38-42

16. Савиновская В С, Королев В А, Соколов В.Н. Выявление взаимосвязи структурных и диффузионных параметров глинистых грунтов. // Материалы VI международной конф «Новые идеи в науках о Земле» Москва, 2003, т 4, с 117

17. Савиновская ВС, Королев В.А, Соколов ВН Диффузионно-осмотический перенос в процессах техногенной трансформации геологической среды // Материалы международной научно-практической конф «Техногенная трансформация геологической среды», Екатеринбург, УГГА, 2002, с 123-126

18 Савиновская ВС, Королев В А, Соколов ВН Диффузионная проницаемость глинистых грунтов в связи с их многообразием // Труды международной научн конф «Многообразие грунтов морфология, причины, следствия» М, МГУ, 2003, с 92-93

19 Савиновская ВС, Королев В А, Соколов ВН Исследование диффузионных параметров грунтов с целью оценки их защитных свойств // Материалы V международной конф «Новые идеи в науках о Земле». Москва, 2001, т 4, с 33

20 Савиновская В С, Королев В А, Соколов В Н Коэффициент извилистости пор как показатель экранирующей способности глинистых грунтов // Сергеевские чтения. Материалы годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии Вып. 5 М, ГЕОС, 2003, с 49-53

21 Савиновская ВС, Королев В А., Соколов ВН. Оценка роли диффузионного переноса в миграции загрязняющих компонентов на примере г Москвы // Тез. докл III Международного совещания «Геохимия биосферы» Ростов-на-Дону, изд-во Ростовского университета, 2001, с 33-35

22. Савиновская В С, Королев В А, Соколов В Н Эколого-геологические проблемы создания искусственных защитных глинистых экранов // Материалы Всероссийской научно-практической конф «Актуальные проблемы экологии и безопасности жизнедеятельности» М, РУДН, 2002

23 Королев В А, Соколов В Н, Лукина В С Типизация глинистых грунтов по диффузионно-осмотической проницаемости // Вестник Московского университета Серия 4 Геология 2007 г., №6 (в печати)

24 Лабораторные работы по грунтоведению. Учебное пособие - М, «Высшая школа», 2007 (в печати)

Подписано в печать 10 10 2007 г Исполнено 12 10 2007 г Печать трафаретная

Заказ № 867 Тираж 100 экз

Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш , 36 (495) 975-78-56 www autoreferat ru

Содержание диссертации, кандидата геолого-минералогических наук, Лукина, Валерия Станиславовна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ДИФФУЗИОННЫХ И ОСМОТИЧЕСКИХ СВОЙСТВАХ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ.

1.1. Современные направления изучения диффузионных и осмотических свойств глинистых грунтов.

1.1.1. Глинистые грунты как водоупоры.

1.1.2. Глинистые грунты как природные сорбенты и защитные экраны.

1.1.3. Глинистые грунты как покрышки месторождений углеводородов.

1.2. Представления о диффузионных и осмотических свойствах глинистых грунтов

1.3. Факторы, определяющие диффузионно-осмотические свойства глинистых грунтов

1.3.1. Влияние минерального состава и обменных процессов.

1.3.2. Влияние влажности и плотности грунтов.

1.3.3. Влияние внешних условий.

1.4. Существующие представления о взаимосвязи структурных, диффузионных и осмотических параметров глинистых грунтов.

1.4.1. Влияние показателей структуры на диффузионно-осмотический перенос.

1.4.2. Изменение микроструктуры глинистых грунтов под воздействием диффузионно-осмотического переноса.

1.5. Моделирование диффузионного переноса.

Выводы к главе 1 и постановка задач исследований.

ГЛАВА 2. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ИССЛЕДУЕМЫХ ГРУНТОВ.

2.1. Выбор грунтов и подготовка образцов к исследованиям.

2.2. Минеральный состав.

2.3. Структурные особенности.

2.4. Физические и физико-химические свойства.

Выводы к главе 2.

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ.

3.1. Методика лабораторного определения диффузионно-осмотических параметров в двухкамерной ячейке.

3.1.1. Устройство прибора.

3.1.2. Постановка и проведение эксперимента.

3.1.3. Обработка результатов эксперимента.

3.2. Методика определения коэффициента диффузии в полуограниченной трубке

3.2.1. Устройство прибора.

3.2.2. Постановка и проведение эксперимента.

3.2.3. Обработка результатов эксперимента.

3.3. Методика расчетного определения коэффициента диффузии с использованием структурных характеристик.

3.4. Методика определения микроструктурных параметров методом растровой электронной микроскопии (РЭМ).

3.5. Методики определения коэффициента извилистости поровых каналов.

3.5.1. Экспериментальное определение коэффициента извилистости.

3.5.2. Расчетное определение коэффициента извилистости.

3.5.3. Численное определение коэффициента извилистости на основании количественного анализа РЭМ-изображений.

3.6. Методика обработки результатов и выявления зависимостей.

Выводы к главе 3.

ГЛАВА 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ИЗВИЛИСТОСТИ ГРУНТОВ ПО ПОРИСТОСТИ И ДАННЫМ КОЛИЧЕСТВЕННОГО АНАЛИЗА РЭМ-ИЗОБРАЖЕНИЙ.

4.1. База данных для оценок.

4.2. Корректность расчета коэффициента извилистости в грунтах отдельных микроструктурно-минеральных разновидностей.

4.3. Корректность численного определения коэффициента извилистости в грунтах отдельных микроструктурно-минеральных разновидностей.

4.3.1. Обоснование выбора увеличения РЭМ-снимков для определения коэффициента извилистости.

4.3.2. Корректность численного определения коэффициента извилистости.

Выводы к главе 4.

ГЛАВА 5. РАСЧЕТНАЯ ОЦЕНКА ДИФФУЗИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ НА ОСНОВЕ ИХ СТРУКТУРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК.

5.1. Экспериментальный банк данных для оценки.

5.2. Возможность расчетной оценки диффузионной проницаемости на основании структурных характеристик для грунтов отдельных микроструктурно-минеральных разновидностей.

5.2.1. Возможность расчета коэффициентов диффузии по экспериментальным значениям коэффициентов извилистости и пористости.

5.2.2. Возможность расчета коэффициентов диффузии по экспериментальным значениям пористости.

5.2.3. Возможность расчета коэффициентов диффузии по расчетным коэффициентам извилистости и экспериментальным значениям пористости.

Выводы к главе 5.

ГЛАВА 6. ХАРАКТЕРИСТИКА ДИФФУЗИОННЫХ И ОСМОТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МИКРОСТРУКТУРНО-МИНЕРАЛЬНЫХ РАЗНОВИДНОСТЕЙ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ.

6.1. Обоснование необходимости разделения грунтов по микроструктурно-минеральным разновидностям для оценки диффузионных и осмотических свойств.

6.2. Влияние структурных характеристик грунтов на диффузионные и осмотические параметры в пределах микроструктурно-минеральных разновидностей в условиях полного водонасыщения.

6.2.1. Влияние извилистости поровых каналов.

6.2.2. Влияние пористости.

6.3. Влияние показателей свойств грунтов на диффузионные и осмотические параметры в пределах отдельных микроструктурно-минеральных разновидностей в условиях полного водонасыщения.

6.3.1. Влияние минерального состава глинистой составляющей.

6.3.2. Влияние влажности и плотности.

6.4. Закономерности протекания диффузионно-осмотических процессов в грунтах отдельных микроструктурно-минеральных разновидностей в условиях неполного водонасыщения.

6.5. Закономерности изменения микроструктурных параметров под воздействием диффузионно-осмотического потока.

Выводы к главе 6.

ГЛАВА 7. ТИПИЗАЦИЯ МИКРОСТРУКТУРНО-МИНЕРАЛЬНЫХ РАЗНОВИДНОСТЕЙ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ ПО ДИФФУЗИОННОЙ И ОСМОТИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ.

7.1. Обоснование подходов к типизации.

7.1.1. Анализ выборки диффузионных и осмотических параметров на основе микроструктурного критерия.

7.1.2. Критерии выделения граничных значений коэффициентов диффузии и осмоса в типизации.

7.2. Типизация микроструктурно-минеральных разновидностей глинистых грунтов по диффузионной и осмотической проницаемости.

Выводы к главе 7.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Взаимосвязь микроструктурных, диффузионных и осмотических параметров глинистых грунтов"

Актуальность темы диссертации. Вопросы диффузионного переноса в глинистых грунтах имеют большое научно-прикладное значение в инженерной геологии, гидрогеологии, геокриологии и экологической геологии. Несмотря на значительное количество работ, посвященных исследованию закономерностей протекания диффузионно-осмотических процессов, большинство из них описывают отдельные факторы диффузионно-осмотического переноса. В то же время остается малоосвещенным изменение диффузионно-осмотической проницаемости под воздействием комплекса факторов в различных глинистых грунтах, а также систематизация глинистых грунтов по их диффузионно-осмотической проницаемости.

Настоящая работа предлагает комплексный подход к оценке параметров диффузионно-осмотических явлений в различных глинистых грунтах. Основным элементом предлагаемого комплексного подхода является микроструктурно-минеральная разновидность глинистого грунта. Она объединяет совокупность микроструктурно-минеральных особенностей грунтов и в конечном итоге определяет набор показателей свойств грунтов — физических, химических, физико-химических (включая диффузионные и осмотические), прочностных и деформационных.

Цель и задачи диссертации. Целью работы являлось выявление, исследование и количественное описание взаимосвязи диффузионных и осмотических параметров в глинистых грунтах с их микростроением для широкого спектра микроструктурно-минеральных разновидностей.

Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Обосновать возможность расчета диффузионной проницаемости глинистых грунтов на основании стандартно определяемых, расчетных и модельных параметров их свойств, а также по принадлежности грунтов к определенной микроструктурно-минеральной разновидности;

2. Установить и описать взаимосвязи показателей свойств грунтов, а также их диффузионных и осмотических параметров в рамках отдельных микроструктурно-минеральных разновидностей;

3. Выявить закономерности изменения диффузионной проницаемости отдельных микроструктурно-минеральных разновидностей глинистых грунтов в условиях неполного водонасыщения;

4. Провести типизацию микроструктурно-минеральных разновидностей глинистых грунтов по их диффузионной и осмотической проницаемости.

Научная новизна. В процессе исследования закономерностей диффузионно-осмотического переноса в глинистых грунтах были получены следующие новые научные результаты:

1. Обоснована возможность расчета коэффициента извилистости поровых каналов на основе стандартно определяемых величин (пористости) и по РЭМ-изображениям для отдельных микроструктурно-минеральных разновидностей.

2. Впервые обоснована возможность расчета диффузионных параметров глинистых грунтов по простым расчетным или стандартно определяемым величинам (коэффициент молекулярной диффузии, пористость, коэффициент извилистости поровых каналов), с учетом комплекса микроструктурно-минеральных особенностей данного грунта.

3. Впервые выявлены и описаны закономерности диффузионного и осмотического переноса для широкого спектра микроструктурно-минеральных разновидностей глинистых грунтов.

4. Впервые установлены и описаны закономерности изменения диффузионной проницаемости глинистых грунтов неполной степени водонасыщения под влиянием изменяющегося их компонентного состава.

5. Разработана типизация глинистых грунтов по диффузионной и осмотической проницаемости, основанная на выделении их микроструктурно-минеральных разновидностей и позволяющая прогнозировать их диффузионные и осмотические параметры.

Практическая значимость работы. Работа обосновывает возможность расчета диффузионной проницаемости глинистых грунтов на основе простых стандартно определяемых параметров и по принадлежности грунтов к определенной микроструктурно-минеральной разновидности. Подобные оценки не сложны и занимают мало времени в отличие от весьма длительного экспериментального определения диффузионных или осмотических параметров. Выделение микроструктурных типов грунтов, в свою очередь, может проводиться с минимальными ресурсозатратами по косвенным признакам: возрасту и генезису грунтов и нескольким стандартно определяемым в грунтоведении показателей (влажность, пористость, гранулометрический состав и ряд других).

Предложенная типизация грунтов позволяет оценивать диффузионные и осмотические параметры любых глинистых грунтов на основании комплекса их микроструктурных и минеральных особенностей. Типизация может широко использоваться в практических целях, различных модельных построениях для оценки параметров диффузионно-осмотического переноса в глинистых грунтах на основании их принадлежности к той или иной микроструктурно-минеральной разновидности.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Установлена и статистически обоснована неизвестная ранее взаимосвязь коэффициентов извилистости поровых каналов, определенных экспериментально и рассчитанных по пористости, а также полученных моделированием на основе РЭМ-изображений микростроения, дающая возможность корректных оценок коэффициента извилистости грунтов отдельных микроструктурно-минеральных разновидностей и обусловленная особенностями микростроения их порового пространства.

2. Установлена и статистически обоснована неизвестная ранее возможность расчета диффузионных параметров глинистых грунтов на основе простых экспериментально определяемых показателей (коэффициента извилистости поровых каналов, пористости) и табличных величин (коэффициента молекулярной диффузии). Она заключается в том, что предлагаемые эмпирические формулы хорошо применимы для большинства микроструктурно-минеральных разновидностей глинистых грунтов (за исключением смектитового типа) с соответствующими установленными нами переходными коэффициентами, учитывающими микроструктурно-минеральные особенности. Она обусловлена однородностью физико-структурных характеристик грунтов в пределах одного микроструктурного типа, а также усложнением структуры порового пространства в грунтах с преобладанием гидрофильных смешанослойных минералов.

3. Выявлены неизвестные ранее закономерности изменения диффузионно-осмотических параметров глинистых грунтов в зависимости от их физико-химических свойств, минерального состава и микроструктурных особенностей, заключающиеся в следующем:

- Влияние факторов диффузионно-осмотического переноса наиболее сильно проявляется в рамках отдельных микроструктурно-минеральных разновидностей;

- При переходе от тонкодисперсных классов микроструктуры к крупнодисперсным и от каолинитового типа минеральной ассоциации к смектитовому коэффициент диффузии грунтов при фиксированных значениях влажности и плотности имеет тенденцию к повышению;

Эти закономерности обусловлены однородностью физико-структурных характеристик грунтов в пределах одной микроструктурно-минеральной разновидности.

4. Установлена неизвестная ранее закономерность изменения коэффициента диффузии глинистых грунтов в зависимости от степени водонасыщения с учетом микроструктурных характеристик, заключающаяся в следующем: увеличение коэффициента диффузии глинистых грунтов в рамках отдельных микроструктурно-минеральных разновидностей под влиянием степени водонасыщения (Kw) характеризуется интервалами его относительно быстрого роста (при Kw<0,5), разделенными зоной медленного роста. Зона медленного роста соответствует значениям Kw = 0,50-0,80 для микроструктурно-минеральных разновидностей крупнодисперсного класса и Kw = 0,90-0,95 для микроструктурно-минеральных разновидностей тонкодисперсного класса. Это обусловлено влиянием разных категорий связанной воды на диффузию и конкретным соотношением твердой, жидкой и газовой фаз при изменении степени водонасыщения.

5. Установленные закономерности позволили предложить типизацию глинистых грунтов по степени диффузионной и осмотической проницаемости на основании микроструктурных характеристик и минерального состава.

Объекты исследования, источники и личный вклад автора работы. В диссертационной работе реализован комплексный подход к оценке диффузионных и осмотических явлений в глинистых грунтах. В основе подхода лежит выделение микроструктурно-минеральных разновидностей. Поэтому при выборе объектов исследования в работе ставилась цель охватить весь круг существующих микроструктурно-минеральных разновидностей глинистых грунтов. С учетом некоторых допущений данная задача была выполнена. В этой связи массив исследованных грунтов был представлен грунтами различного возраста и генезиса. Исследованные грунты принадлежали широкому спектру глинистых отложений от супесей до аргиллитов. Исследовались образцы грунтов как естественного, так и нарушенного сложения.

Изучение взаимосвязи диффузионно-осмотических параметров и комплекса микроструктурно-минеральных особенностей глинистых грунтов базировалось на результатах масштабной серии лабораторных экспериментов. Всего автором было проведено порядка 140 опытов в диффузионно-осмотической двухкамерной ячейке, порядка 40 опытов в полу ограниченной трубке, порядка 150 определений комплекса показателей свойств грунтов и коэффициента извилистости. Результаты экспериментов были дополнены фондовыми материалами и сведениями из базы данных по глинистым грунтам кафедры инженерной и экологической геологии геологического ф-та МГУ им.М.В.Ломоносова. Общее количество исследованных образцов грунтов составило 241 единицу.

Образцы грунтов отбирались автором самостоятельно на протяжении 2002-2004 гг. в Москве и Крыму, а также были получены при помощи сотрудников кафедры инженерной и экологической геологии.

Автор самостоятельно проводил определение коэффициентов извилистости поровых каналов при помощи программы «СТИМАН». Статистическую обработку зависимостей автор осуществлял при помощи пакетов Statistica-б и Ms Excel.

Публикации и апробация работы. По теме диссертации опубликовано 24 работы, в том числе 1 статья в Вестнике Московского университета и раздел в учебном пособии «Лабораторные работы по грунтоведению». Основные защищаемые положения и результаты исследований были доложены на международных конференциях и совещаниях: «Новые идеи в науках о Земле», РГГРУ (2001, 2003), «Техногенная трансформация геологической среды», Екатеринбург, УГГА (2002, 2006), «Многообразие грунтов: морфология, причины, следствия», МГУ (2003), «Вулканизм, биосфера и экологические проблемы», Туапсе (2003), «Геохимия биосферы», Ростов-на-Дону (2001), на годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии «Сергеевские чтения», ИГЭ РАН (2002, 2003, 2004), «Актуальные проблемы экологии и безопасности жизнедеятельности», РУДН (2002), а также на различных молодежных студенческих конференциях: «Ломоносов», МГУ (2001, 2002, 2003, 2004), «Школа экологической геологии», Санкт-Петербург (2001, 2002, 2003, 2004), «Геологи - XXI век», Саратов (2001, 2003) «Геология и геоэкология Северо-Запада России», Петрозаводск, 2003.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы и приложений общим объемом 147 страниц. Работа содержит 76 рисунков, 41 таблицу. Список использованной литературы включает 129 наименований.

Заключение Диссертация по теме "Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение", Лукина, Валерия Станиславовна

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 7

1) На основе результатов многочисленных экспериментальных исследований обоснована типизация микроструктурно-минеральных разновидностей глинистых грунтов по их диффузионной и осмотической проницаемости.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные исследования позволили получить следующие выводы и результаты:

1.

1.1. Закономерности протекания диффузионно-осмотических процессов достаточно хорошо изучены и освещены в научной литературе. Опубликованы характерные значения показателей диффузионно-осмотического переноса для большого количества разновидностей грунтов.

1.2. Несмотря на глубокую проработку вопроса, в настоящее время отсутствуют работы, освещающие закономерности диффузионно-осмотического переноса в рамках отдельных микроструктурно-минеральных разновидностей. Тем не менее, такие исследования представляют большой интерес. Любой грунт может быть достаточно легко отнесен к микроструктурно-минеральной разновидности. Процесс такого отнесения представляется более удобным, нежели поиск аналога с описанными параметрами диффузионного переноса в научной литературе.

Несмотря на попытки в этой области, в настоящее время не существует универсальной классификации глинистых грунтов по диффузионной проницаемости, учитывающей комплекс физико-химических и структурных параметров.

1.3. Отсутствуют проработанные и обоснованные для всего спектра глинистых грунтов способы расчета коэффициента диффузии на основании простых расчетных или стандартно определяемых величин.

2.

2.1. Исследованиями были охвачены грунты всех типов микроструктуры согласно классификации микроструктур глинистых пород В.Н.Соколова.

2.2. Исследуемые грунты представлены в соответствии с классификацией глинистых пород по составу ассоциаций глинистых минералов и микроструктуре В.Н.Соколова, В.А.Королева и В.Г.Шлыкова всеми основными микроструктурно-минеральными разновидностями.

2.3. Широта охвата микроструктурно-минеральных разновидностей грунтов соответствует целям настоящего исследования и достаточна для них.

3.

3.1. В работе реализован комплексный подход к экспериментальному исследованию диффузионных и осмотических свойств грунтов, выражающийся в использовании нескольких методик для их определения. Это позволяет преодолеть недостатки отдельных методик и исследовать широкий спектр грунтов как естественной, так и нарушенной структуры, как полностью водонасыщенных, так и с неполной степенью водонасыщения.

3.2. Использование в работе экспериментальных, численных (на основе ПО) и расчетных методов оценки диффузионно-осмотических и микроструктурных параметров грунтов дает возможность сравнивать результаты, полученные разными методами, и определять оптимальные условия применения каждого из методов. Данное утверждение реализовано в последующих главах диссертации.

4.

4.1. Обоснованы границы применения эмпирической формулы Викке для расчета коэффициента извилистости. Данная формула не может быть использована для грунтов со смектитовым типом минеральной ассоциации. Приведены и обоснованы переходные коэффициенты, учитывающие микроструктурно-минеральные особенности грунтов; для расчета коэффициентов извилистости в грунтах с типами минеральных ассоциаций, отличными от смектитового.

4.2. Обоснованы и описаны возможности расчета коэффициентов извилистости по РЭМ-изображениям грунтов, в том числе определены переходные коэффициенты, учитывающие структурно-минеральные особенности грунтов. Детально описана область оптимальных масштабов РЭМ-изображений для каждой микроструктурно-минеральной разновидности.

5.

5.1. Обоснованы возможности применения экспериментальных коэффициентов извилистости и пористости для расчета коэффициента диффузии. Приведены и обоснованы переходные коэффициенты в виде уравнений регрессии для поправки рассчитанного коэффициента диффузии.

5.2. Обоснованы возможности применения экспериментальных значений пористости для расчета коэффициента диффузии. Метод не может использоваться для грунтов смектитовых типов минеральной ассоциации. Приведены и обоснованы переходные коэффициенты в виде уравнений регрессии для поправки рассчитанного коэффициента диффузии.

5.3. Описаны возможности расчета коэффициентов диффузии по коэффициентам извилистости, получаемым в ходе количественного анализа РЭМ-изображений грунтов, и значениям пористости.

6.1. Исследование взаимосвязи показателей свойств грунтов и коэффициента диффузии в отдельности по микроструктурно-минеральным разновидностям грунтов дает более ясные и представительные результаты, не искаженные отличиями структурно-минеральных особенностей грунтов.

6.2. Взаимосвязь коэффициента диффузии и коэффициента осмоса со структурными показателями (коэффициент извилистости, пористость) определяется комплексом структурно-минеральных особенностей грунтов, а именно: структурой порового пространства и гидрофильностыо глинистых минералов.

6.3. Взаимосвязь коэффициента диффузии и коэффициента осмоса и относительного содержания глинистых минералов в грунтах тонкодисперсных классов микроструктуры и среднедисперсного класса слабоориентированного подкласса является наиболее сильной для каолинита, и менее сильной - для смектита. При повышении степени агрегированности и ориентированности микроструктурных элементов особенности минерального состава в значительной степени компенсируются изменением микроструктуры.

6.4. Выявлены закономерности диффузионного процесса в грунтах неполной степени водонасыщения:

- Увеличение коэффициента диффузии глинистых грунтов под влиянием роста степени водонасыщения характеризуется зоной медленных изменений коэффициента диффузии при значениях степени водонасыщения 0,50-0,80 для микроструктурно-минеральных разновидностей крупнодисперсного класса и 0,90-0,95 для микроструктурно-минеральных разновидностей тонкодисперсного класса. Влияние микроструктурно-минеральных различий грунтов выражается в сдвиге точки перелома графика: от тонко- к крупнодисперсным классам микроструктуры перелом сдвигается к началу координат.

- Совместное влияние степени водонасыщения и пористости для грунтов с одинаковыми микроструктурными характеристиками выражается в увеличении коэффициента диффузии с ростом данных показателей.

- Уплотнение грунтов приводит к увеличению степени водонасыщения, необходимой для инициации диффузионного процесса.

7.1. На основе результатов многочисленных экспериментальных исследований обоснована типизация микроструктурно-минеральных разновидностей глинистых грунтов по их диффузионной и осмотической проницаемости.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Лукина, Валерия Станиславовна, Москва

1. Боровиков В.П., Боровиков И.П. Статистический анализ и обработка данных в среде Windows. M., 1998, 608 с.

2. Брилинг И.А. Исследование переноса водных солевых растворов в порах глинистых грунтов // Вестник МГУ. Серия геология, 1967, № 2, с.90 99

3. Брилинг И.А. Об ионном обмене в глинах в процессе диффузионного продвижения солей // Вестник МГУ. Серия геология, 1965, № 5, с. 62 68

4. Брилинг И.А., Рошаль A.A., Чичекина JI.A. Диффузия ионов и сопутствующие процессы в каолине. И Вестник МГУ. Серия геология, 1978, №3, с.86-93

5. Бурлин Ю.К. Природные резервуары нефти и газа. Изд-во МГУ, 1976, 134 с.

6. Веригин H.H., Шержуков Б.С. Диффузия и массообмен при фильтрации жидкости в пористых средах / В сб. «Развитие исследований по теории фильтрации в СССР», М., «Наука», 1969, с. 237-277

7. Веригин H.H., Васильев C.B., Саркисян B.C., Шерэ/суков Б.С. Гидродинамические и физико-химические свойства горных пород. М., Недра, 1977, 271 с.

8. Вознесенский Е.А., Самарин E.H., Шешина А.Б. Инженерно-геологические особенности глинистых пород междуречья Качи Бодрака // Вестник Московского университета, 1986 г., с. 97120

9. Галкин А.Н. Диффузионно-осмотические свойства глинистых пород юго-востока Беларуси в условиях загрязнения геологической среды. Витебск, Изд-во УО «ВГУ им. П.М.Машерова», 2004, 126 с.

10. Галкин А.Н. Исследование диффузионно-осмотических свойств глинистых грунтов в связи с геоэкологическими проблемами // Проблемы охраны геологической среды. Тезисы докладов конференции, Минск, 1995, с. 130 131

11. Галкин А.Н., Королев В.А. Методика исследований диффузии солей в глинистых породах // Проблемы инженерной и экологической геологии. Тезисы докладов конференции, М., МГУ, 1998, с. 13

12. Гидрогеология. Под ред. Шестакова В.М, Орлова М.С., М., МГУ, 1984, 317с.

13. Голубев B.C. Динамика геохимических процессов. М., Недра, 1981, 208 с.

14. Голубев B.C., Гарибянц A.A. Гетерогенные процессы геохимической миграции. М., «Недра», 1968, 192 с.

15. Гольдберг В.М. Взаимосвязь загрязнения подземных вод и природной среды. Гидрометеоиздат, 1987, 248 с.

16. Гольдберг В.М., Скворцов Н.П. Проницаемость и фильтрация в глинах. М., «Недра», 1986, 160 с.

17. Горев Л.Н., Пелешенко В.И. Методика гидрохимических исследований. Киев, «Вища школа», 1985, 231 с.

18. Грунтоведение. Под ред. Трофимова В.Т., М., МГУ, 2005, 1024 с.

19. Дытнерский Ю.И. Обратный осмос и ультрафильтрация. М., «Химия», 1978, 352 с.

20. Дэвис Дэ/с. С. Статистический анализ данных в геологии. М., «Недра», 1990, в 2х кн. по 319 с. и 427 с.

21. Затенацкая Н.П. Закономерности формирования свойств засоленных глин, М, Наука, 1985, 144 с.

22. Затенацкая Н.П. Экспериментальные данные по диффузии солей в глинистых породах / В сб. «Труды геологического института АН СССР», 1965, вып. 115, с. 143-159

23. Затенацкая Н.П., Сафохина И.А. Диффузионное выщелачивание глин. М., «Наука», 1968, 88 с.

24. Злочевская Р.И., Королев В.А. Электроповерхностные явления в глинистых породах. М., МГУ, 1988,177 с.

25. Казаринова С.Е., Карасев О.И. Учебно-методические материалы по теории статистики. М., ТЕИС, 1998, 59 с.

26. Кноринг Л.Д., Деч В.Н. Геологу о математике. Ленинград, «Недра», 1989, 208 с.

27. Комарова H.A. О диффузии солей в почвах // В сб. «Проблемы советского почвоведения», 1937, сб. 4, с. 63-95

28. Коников Е.Г. Диффузионная проницаемость и прогнозирование солепереноса в лиманно-морских грунтах. Геоэкология. 1993, №6, с. 43-58

29. Королев В.А. Инженерно-геологические особенности глинистых пород юго-западной части горного Крыма. // Вестник Московского университета. Серия 4. Геология. 1986 г., №3, с.69-80

30. Королев В.А. Мониторинг геологической среды. М., МГУ, 1995, 272 с.

31. Королев В.А. Очистка грунтов от загрязнений. М., МАИК «НУКА/ИНТЕРПЕРИОДИКА», 2001,365 с.

32. Королёв В.А., Соколов В.Н., Лукина B.C. Типизация глинистых грунтов по диффузионно-осмотической проницаемости. // Вестник Московского университета. Серия 4. Геология. №6,2007 г.

33. Королёв В.А., Соколов В.Н., Шлыков В.Г. Исследование фундаментальной взаимосвязи состава, структуры и свойств глинистых грунтов на основе геоинформационных технологий. -Известия секции наук о Земле РАЕН, 1999, вып.2, с.47-61.

34. Королёв В.А., Соколов В.Н., Шлыков В.Г. Исследование фундаментальной зависимости состава, структуры и свойств глинистых грунтов на основе ГИС. // Ежегодная научная конф. "Ломоносовские чтения". Тез. докл. М., Изд-во МГУ, 1999, с. 49-50.

35. Корякина Н.С., Березкина Г.М. Текстурные изменения глин в процессе фильтрации. // Материалы XI Всесоюзного совещания по изучению и использованию глин и глинистых минералов (тезисы докладов). М; ИГЕМ, 1976

36. Кривошеева З.А., Злочевская Р.И., Королев В.А., Сергеев Е.М. О природе изменения состава и свойств глинистых пород в процессах литогенеза. Вестник МГУ, серия «Геология», №4, 1977, с. 60-73

37. Кульчицкий Л.И. Роль воды в формировании свойств глинистых пород. М., «Недра», 1975, 212 с.

38. Кульчицкий Л.И., Усъяров О.Г. Физико-химические основы формирования свойств глинистых пород. М., «Недра», 1981, 178 с.

39. Лабораторные работы по грунтоведению. Учебное пособие. «Высшая школа», 2007 (в печати)

40. Лазарева В.М. К вопросу об изучении влияния состава пород на изменение их физиеских свойств. // Материалы XI Всесоюзного совещания по изучению и использованию глин и глинистых минералов (тезисы докладов). М; ИГЕМ, 1976, с. 171-173

41. Лазарева В.М. Особенности глинистых пород-покрышек Ферганской впадины и оценка их изолирующих свойств. // Материалы XI Всесоюзного совещания по изучению и использованию глин и глинистых минералов (тезисы докладов). М; ИГЕМ, 1976, с. 173—175

42. Лебеденко Ю.П. Миграция ионов и обратный осмос в мерзлых породах // В сб. «Проблемы геокриологии». М., 1988, с. 148-152

43. Лехов A.B., Соколов В.Н. Проблемы миграции продуктов разложения осадка сточных вод. // Геоэкология. 2002, №1, с. 39-48

44. Лукина B.C. Диффузионная проницаемость глинистых грунтов неполной степени водонасыщения с учетом микроструктурных особенностей // Материалы научн. конф. «Эколого-геологические проблемы урбанизированных территорий», Екатеринбург, 2006

45. Маскет М. Течение однородных жидкостей в пористой среде. Институт компьютерных исследований, 2004, 640 с. Репринтное издание с M-JI, Гостоптехиздат, 1949

46. Методическое пособие по инженерно-геологическому изучению горных пород. Под ред. Сергеева Е.М., Максимова С.Н., Березкиной Г.М. Том I, II, М., изд-во МГУ, 1968, 370 с.

47. Окнина НА. Процессы диффузии и диффузионного выщелачивания солей в глинистых породах / В сб. «Глины, их минералогия, свойства и практическое значение». М., «Наука», 1970, с. 181-185

48. Осипов В.И., Соколов В.Н. Подготовка образцов глин для микроструктурных исследований. // Материалы XI Всесоюзного совещания по изучению и использованию глин и глинистых минералов (тезисы докладов). М; ИГЕМ, 1976

49. Осипов В.И., Соколов В.Н., Еремеев В.В. Глинистые покрышки нефтяных и газовых месторождений. Наука, 2001, 238 с.

50. Осипов В.И., Соколов В.Н., Румянцева H.A. Микроструктура глинистых пород. М., «Недра», 1989,211 с.

51. Поляков Ю.А. Диффузия в почвах и методы ее определения / В сб. «Физико-химические методы исследования почв». М., «Наука», 1968, с. 32 — 76

52. Практикум по грунтоведению. Под ред. Трофимова В.Т., Королева В.А. М., МГУ, 1993, 390 с.

53. Приклоиский В.А., Окнина H.A. Диффузионные процессы в глинистых породах и их значение в гидрогеологии и инженерной геологии // В сб «Проблемы гидрогеологии». М., «Госгеолтехиздат», 1960, с. 330 335

54. Программа факторного анализа по методу соответствий и главных составляющих. ВСЕГИНГЕО, М., 1976, 24 с.

55. Рошаль А. А. Методы определения миграционных параметров. // Обзор ВИЭМС. Гидрогеология и инженерная геология, 1980

56. Савиновская B.C. Влияние микроструктуры на диффузионные параметры глинистых грунтов. // Материалы международной конф. студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов». М., МГУ, 2002, вып.7, с. 167-168

57. Савиновская B.C. Выяснение экранирующей способности грунтов в целях создания защитных экранов // Материалы XIV молодежной конф., посвященной памяти К.О.Кратца «Геология и геоэкология Северо-Запада России». Петрозаводск, 2003, с.131-133

58. Савиновская B.C. Диаграммы фазового состава Гиббса как метод изучения процесса дегидратации глинистых грунтов // Тез. докл. Всероссийской научн. конф. студентов, аспирантов и молодых специалистов «Геологи XXI века». Саратов, СО ЕАГО, 2001, с. 56-57

59. Савиновская B.C. Диффузионная проницаемость глинистых грунтов и показатели микроструктуры // Тез. докл. Всероссийской научн. конф. студентов, аспирантов и молодых специалистов «Геологи XXI века». Саратов, СО ЕАГО, 2003, с. 103-107

60. Савиновская B.C. Защитные функции глинистых экранов и проблема глобального распространения химического загрязнения // Тез. докл. III Туапсинской международной научн. конф. «Вулканизм, биосфера и экологические проблемы». Туапсе, 2003, с.93-94

61. Савиновская B.C. Об эколого-геологических проблемах создания защитных глинистых экранов // Материалы III межвузовской молодежной научн. конф. «Школа экологической геологии и рационального недропользования». Санкт-Петербург, СПбГУ, 2002, с.306-308

62. Савиновская B.C. О возможности использования глинистых грунтов разных микроструктурных типов в качестве защитных экранов // Материалы международной конф. студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов». М., МГУ, 2004

63. Савиновская B.C. Оценка диффузионных параметров глинистых грунтов города Москвы // Материалы международной конф. студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов». М., МГУ, 2001, вып.6, с. 126

64. Савиновская B.C. Проницаемость глинистых грунтов как следствие особенностей порового пространства // Материалы международной конф. студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов». М., МГУ, 2003, часть 1, с.128-129

65. Савиновская B.C. Эколого-геологическая оценка экранирующей способности глинистых грунтов. // Материалы IV межвузовской молодежной научн. конф. «Школа экологической геологии и рационального недропользования». Санкт-Петербург, СПбГУ, 2003, с.240-242

66. Савиновская B.C., Королев В.А., Соколов В.Н. Выявление взаимосвязи структурных и диффузионных параметров глинистых грунтов. // Материалы VI международной конф. «Новые идеи в науках о Земле». Москва, 2003, т.4, с.117

67. Савиновская B.C., Королев В.А., Соколов В.Н. Диффузионная проницаемость глинистых грунтов в связи с их многообразием // Труды международной научн. конф. «Многообразие грунтов: морфология, причины, следствия». М., МГУ, 2003, с.92-93

68. Савиновская B.C., Королев В.А., Соколов В.Н. Исследование диффузионных параметров грунтов с целью оценки их защитных свойств // Материалы V международной конф. «Новые идеи в науках о Земле». Москва, 2001, т.4, с.ЗЗ >

69. Сергеев Е.М. Инженерная геология. М., изд-во МГУ, 1978, 384 с.

70. Сергеев Е.М., Злочевская Р.И. О понятии «глинистый минерал». Вестник МГУ, серия «Геология», № 6, 1966, с. 57-61

71. Смирнов С.И. Происхождение соленосности подземных вод седиментационных бассейнов. М, Недра, 1971, 216 с.

72. Соколов В.Н. Эволюция микроструктуры глинистых грунтов при техногенезе. В сб.: «Эволюция инж.-геолог. условий Земли в эпоху техногенеза». // Тр. Межд. научной конф. / Под ■ ред. В.Т.Трофимова и В.А. Королёва. М., Изд-во МГУ, 1997, с. 79.

73. Соколов В.Н., Королев В.А., Шлыков В.Г. Принципы моделирования и прогноза свойств глинистых пород на основе их состава и микростроения. // Вестник МГУ, серия «Геология», № 4, 1997, с. 59-67

74. Соколов В.Н., Юрковец Д.И., Разгулина О.В. Определение коэффициента извилистости поровых каналов с помощью компьютерного анализа РЭМ-изображений // Известия РАН. Серия физическая, 1997, т. 61, № Ю, с. 1898-1902

75. Теоретические основы инженерной геологии. Механико-математические основы. Под ред. Сергеева Е.М. М., «Недра», 1986, 254 с.

76. Теория и методология экологической геологии. Под ред. Трофимова В.Т., М., МГУ, 1997, 368 с.

77. Товбина З.М. Вязкость водных растворов в капиллярах силикагеля. // «Исследования в области поверхностных сил» Сборник докладов Ш конференции по поверхностным силам. М., «Наука», с. 24-30

78. Товбина З.М., Стражеско Д.Н. Изучение диффузии растворенных веществ в силикагелях. // Укр. хим. журнал, Киев, 1967, т.34, вып. 9, с.58-65

79. Чернов В.А. Количественные закономерности диффузии в почвах. // Тр. Почв, ин-та им. Докучаева, 1939, т.ХХ

80. Чернова JI.C. Характеристика глинистых толщ над основными продуктивными горизонтами в среднеобской нефтегазоносной области. // Материалы XI Всесоюзного совещания по изучению и использованию глин и глинистых минералов (тезисы докладов). М; ИГЕМ, 1976

81. Шарафутдгшов Р.Б., Строганов A.A., Левин А.Г., Ларичев Л.Н., Шищиц И.Ю. Геолого-геохимические аспекты захоронения радиоактивных отходов // Научные и технические аспекты охраны окружающей среды, вып. 5, М., ВИНИТИ, 1999, с. 2 91

82. Шестаков В.М. Гидрогеодинамика. М., МГУ, 1995, 368 с.

83. Шлыков В.Т. Рентгеновские исследования грунтов. М., МГУ, 1991, 184 с.

84. Экологические функции литосферы. Под ред. Трофимова В.Т., М., МГУ, 2000, 432 с.

85. Bodenbehandlung Stand der Technik und neue Entwicklungen. © Bayerischen Landesamt ftir Umweltschutz, Augsburg, Fachtagung am 11 Juni 2002

86. Brigham W.E., Reed P.W., Dew I.N Experiments on mixing during miscible displacement in porous media. // SPE Journal, 1961, v.l, №1, pp. 1-8

87. Calmano Wolfgang, Gerth Joachim, Hollederer Gorch. Sorption und Diffusion organischer Spurenstoffe im System Boden / Wasser / Öl. Teilprojekte im Sonderforschungsbereich 188 der DFG, 01.01.89-30.06.96, Technische Universität Hamburg, Hamburg

88. Kästner Matthias. Leitfaden "Biologische Verfahren zur Bodensanierung". 2001

89. Klinkerberg J. Analogy between diffusion and electrical conductivity in porous roeks. // Bui. Amer. Geo!. Society, 1951, v.62, №6, pp. 559-564

90. Malusis MA., Shackelford C.D. Modeling Contaminant Transport Through Clay Membrane Barriers. // International Containment & Remediation Technology Conference and Exhibition, 2001

91. Malusis MA., Shackelford C.D., Olsen H.W. A Laboratory Apparatus to Measure Chemico-Osmotic Efficiency Coefficients for Clay Soils. // Geotecnical Testing Journal, 2001, issue 3, volume 24, p.229-242

92. Siyal Altaf Ali. Improving the leaching efficiency of saline soil réclamation. // Cranfleld University. Nov.-2003

93. Sokolov V.N. Engineering-geological classifïkation of clay raicrostructures. // Proseedings Sixth International Congress International Assotiation of Engineering Geology. Balkema, Rotterdam, 1990, s. 753-760

94. Wienberg Reinhard. Bewertung der Altlasten hinsichtlich der Desorption und Mobilität von organischen Schadstoffen im Boden // Handbuch der Altlastensanierung. 4. Lieferung, 11/89

95. МЭ.Брилинг H.A. Исследование закономерностей переноса растворов электролитов в глинистых грунтах // Диссертация на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук, М., МГУ, 1967, 205 с.

96. Галкин А.Н. Диффузионно-осмотические свойства глинистых грунтов Гомельского промышленного региона // Диссертация на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук. М., МГУ, 1999, 169 с.

97. Красовская И.А. Оценка состояния эколого-геологических условий территории г.Гомеля. // Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук. Москва, 2005

98. Лехов A.B. Физико-химические модели гидрогеодинамики массивов карбонатных карстующихся пород. // Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук. Специальность гидрогеология. 1987

99. Определение предельно допустимых объемов РАО для размещения на Загорском полигоне МосНПО «Радон». Основные положения оценки безопасности. Гл. инженер Баринов A.C. Москва, МосНПО «Радон», 2001

100. Отчет по теме ИБ 2.1.17 «Составление атласа инженерно-геологических карт (просадочности) по зонам деятельности территориально-изыскательских организаций (заключительный)». Книги 1,2. КУ «Тирасполь». Рук. темы зав.СКИЛО Я.Е.Шаевич. М., 1990

101. Юрковец Д.И. Программное обеспечение для количественного морфологического анализа структуры по полутоновым изображениям // Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. М., МГУ, 1998