Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Закономерности формирования инженерно-геологических свойств основных типов глинистыхпород Молдовы в связи с их набуханием и усадкой

ВАК РФ 04.00.07, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Закономерности формирования инженерно-геологических свойств основных типов глинистыхпород Молдовы в связи с их набуханием и усадкой"

'и ии ^

госархстрой рсфср

производственный и научно-исследовательский

институт по инженерным изысканиям в строительстве (пнииис)

На правах рукописи УДК 624.131.3

ВОВК Валентин Михайлович

Закономерности формирования инженерно-геологических свойств основных типов глинистых пород Молдовы в связи с их набуханием и усадкой

Специальность 04.00.07 — Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Москва 1991

Работа выполнена в Институте геофизики и геологии. АН Молдовы

Научшй руководитель --доктор геолсго-минералогических

наук, профессор Р. С. Зиангиров

Официальные оппоненты: доктор г е о лог о-мине ралог ичеоки х

наук Л И. Кульчицкий кандидат геолого-минералогических наук Р. И. Злочевская

Ведущая организация - Молдавский Государственный институт инженерно-технических изысканий ( МолдГИИНТИЗ )

Защита состоится ,2& •ян&а^хл 199^ года в ^ часов на заседании специализированного совета К. 033.11.01 в Производственном и Научно-исследовательском институте по инженерным изысканиям в строительстве (ПНИИИС) Госкомархстроя РСФСР по адресу: 105058, Москва, Окружной проезд, 18.

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

Автореферат разослан 2В Л* 1991 года

О. П. Павлова

ЦлгСтНН*'

т^л ссертлций

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Инженерно-геологические условия территории определяются в значительной степени свойствами слагающих ее горных пород. Сложность взаимоотношений человека с геологической средой на территории Молдовы обусловлена, прежде всего, широким распространением в верхней части разреза значительных по мощности глинистых набухающих пород сармат-меотическопэ возраста, залегавших в различных структурно-тектонических, геоморфологических и гидрогеологических обстановках, в условиях высокой сейсмичности.

Результатом техногенного воздействия на геологическую среду, в том числе и на глинистые набухающие грунты исследуемой территории, являются многочисленные случаи аварий эданий и сооружений, активизации оползневых процессов. Анализ материалов исследований свидетельствует о слабой изученности закономерностей формирования состава, структуры и свойств основных типов набухающих пород территории Молдовы как в процессе литогенеза, так и при техногенном воздействии. При этом практически нерассмотренными остаются вопросы прогноза набухания и усадки и вызванных ими изменеьий прочности и деформируемости грунтов с учетом их внутренних особенностей и различных внешних воздействий.

Цель работы - установление основных закономерностей формирования и изменения инженерно-геологических свойств (ИГС) основных типов глинистых пород Молдовы под влиянием набухания и усадки с учетом воздействия различных факторов.

В задачи настоящей работы входило:

1. Провести анализ генезиса,дать инженерно-геологическую характеристику и сравнительную оценку основных типов набухающих грунтов территории Молдовы.

2. Установить влияние внутренних <$акторог-. состава,струк.уры и

текстуры глинистых грунтов территории на характер объемных деформаций при замачивании их водой и высушивании.

3. Изучить характер и степень влияния различных природных и техногенных факторов на набухание и разупрочнение глинистых грунтов (на примере неогеновых глин Молдовы).

4. Разработать рекомендации по региональной оценке физико-механических свойств (ФМС) набухающих глин Молдовы при изысканиях на основе выявленных особенностей грунтов и роли различных факторов в их изменении.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. На примере неогеновых глин Молдовы выявлены особенности влияния переменных температур на набухание глинистых грунтов.

2. Оценена стелен* воздействия основных природных и техногенных факторов на набухание и разупрочнение карбонатных глин.

3. Установлены различия в закономерностях изменения состава, структуры и свойств карбонатных глин при замачивании их растворами серной кислоты и едкого натра в условиях свободного набухания и при неизменяющемся объеме (под арретиром).

4. Получены новые экспериментальные данные по характеру объемных деформаций и разупрочнения глин природной структуры при циклическом увлажнении-высушивании, диффузионном выщелачивании,замачивании водой. растворами кислот и щелочей различных концентраций.

5. Изучены особенности микросгроения набухающих пород Молдовы на мезо- уровне, предложена гипотеза образования микротрещин в глинах.

6. Выявлены сходства и различия в набухании и разупрочнении при замачивании, а также усадке основных типов глинистых пород Молдовы.

7. Установлен ряд прогнозных региональных зависимостей параметров набухания и прочности глин от их состава и структуры.

Практическая значимость и реализация результатов работы заключается в тем. что установленные закономерности формирования состава

и свойств глинистых пород в связи с их набуханием и усадкой позволяют увеличить достоверность оценки и прогноза изменения инженерно-геологических условий территории распространения набухающих пород при различных природных и техногенных воздействиях. На основе проведенных исследования даны рекомендации по методам оценки ФМС набухающих пород с учетом влияния внутренних и внешних факторов. Результаты исследований внедрены в практику Отделом географии АН Молдовы при разработке программы гидромелиоративного строительства в республике.

Основные защищаемые полоне кия:

- изучен характер и оценена степень воздействия на формирование состава, структуры и свойств глинистых грунтов основных природных и техногенных факторов; установлено,что наиболее влиятельными, вызывающими наибольшее приращение набухания и разупрочнения карбонатных глин яляются замачивание растворами серной кислоты высоких концентраций (>0,5Н) и периодическое увлажнение-высушивание;

- исследованы особенности набухания и разупрочнения неогеновых глин Молдовы с учетом внутренних факторов: исходного состава,структуры и текстуры. Наиболее влиятельными оказались: исходная влажность и ее изменения в процессе увлажнения-высушивания, тип структурных связей, количество обменного натрия, емкость обмена и глинистость;

- дана комплексная инженерно-геологическая характеристика и сравнительная оценка основных типов набухаю«»;* пород Молдовы: среднего сармата,верхнего сармата,балтской и кэтульской свит; каждый тип пород имеет свои особенности объемного деформирования и разупрочнения в результате набухания-усадки.

Исходные данные и личный вклад автора. В основу работы положены данные, полученные в результате исследований состава и свойств грунтов при непосредственном участии автора в полевых и лабораторных исследованиях,проведенных в рамках плановой темы лаборатории физико-, механических свойств горных пород Кяститута г-офизики и геож/лш АН

- 3 -

Молдовы в течение 1985-1900 гг. (Гос. per. N 01.86.0028384). Определение минерального и химического состава выполнялось в СКФ ПНИИИС. Для характеристики грунтов использовались также архивные и фондовые материалы МолдШБТИЗа, МолдГИПРСВОДХОЗа, ВДО Молдгеология.

Автором выполнена большая часть лабораторных экспериментов по изучению различных факторов на изменение свойств грунтов,проанализировано и обработано на ЭВМ около 20000 определений состава и свойств глинистых грунтов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены я обсуждены на конференциях молодых ученых АН Молдовы (1986, 1990).Института геофизики и геологии (1988,1990),IV сгеэда географи-фкческого общества Молдовы (1990), III Всесоюзного семинара по проблемам инженерной геологии городов (Одесса,1987), Всесоюзной научной конференции,посвященной памяти Г. А. Мавлянова (Ташкент, 1990), а также на научных семинарах лаборатории физ. -мех. свойств пород ИГиГ АН Мо-лдоеы и отдела инженерно-геологических исследований ШШЖС( 1986-91).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных статей.

Объем работы Диссертация содержит 142 страницы машинописного текста, 40 таблиц, 57 рисунков и состоит из введения, 8 глав, основных выводов, списка литературы из 189 наименований и приложения, включающего справки о внедрении результатов исследований.

Работа выполнена под научным руководством профессора Р. С. Зианги-рова, которому автор выражает глубокую благодарность за большую научно-методическую помощь и постоянное внимание.

Автор признателен д. г. - м. н.|А. М. Монюшко| за руководство исследованиями в период 1985-1988гг. , к. г. -м. н. Ю. И. Оля некому, д. г.-м. н. И. В. Зеленину, к. г. -м. н. Г. М. Билинкису и[ЮПёру]за консультации и помощь в ходе выполнения работы. Благодарю сотрудников лаборатории ИГиГ АН РМ И. А. Вовк, 0. П. Богдевича, Н. А. Лакизу, М. А. Маралюк, Н. В. Ду-холельникову за дружескую поддержку и оказанное содействие.

- 4 ..

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Литературный обзор проблемы

Литературный обзор включает: 1) анализ изученности набухания и усадки глинистых грунтов, а также влияния различных факторов на формирование их свойств; 2) анализ состояния изученности ФМС глинистых пород Молдовы и анализ деформаций зданий и сооружений, вызванных набуханием и усадкой грунтов оснований; 3) вопросы районирования территорий распространения набухающих грунтов.

Наиболее полное представление о природе и механизме набухания и усадки грунтов дано в монографиях Е. А. Сорочана, Р. С. Зиангирова, В. И. Осипова, Л. И. Кульчицкого, Б. В. Дерягина, Л. В. Передельского и В. П. Ананьева, Х Е. йШоЬЬ.

Влиянием различных факторов на деформационное поведение глинистых грунтов при набухании и усадке занимались многие ученые,при этом выделяются работы Е. А. Сорочана, Р. С. Зиангирова, К И. Осипова, Л. И. Кульчицкого, Р. И. Злочевской.Е П. Затенацкой, С. И. Пахомова и А. М. Монюшко, Л В. Передельского и В. П. Ананьева, В. А. Королева, Ю. Б. Осипова.

Вопросы набухания и усадки неогеновых глин Молдовы освещают в своих работах Л. А. Аносова, Т. И. Робустова, Г. А. Клинова, II Ш. Шадунц, Е М. Мишалов, Н. Г. Оргиян, Г. Н. Сыродоев, Г.А.Тимофеева. В работах Г. Е. Костика, А. М. Монюшко подчеркивается существенная роль процессов набухания-усадки в деформациях зданий и сооружений, построенных на неогеновых глинах в пределах территории Молдовы.

Анализ литературных источников позволяет признать,что: 1) Неодинакова изученность влияния отдельных факторов на набухание и усадку глин; отсутствуют экспериментальные данные по влиянию переменных положительных температур. Практически неизученным остается вопрос о сравнительной оценке влияния отдельных внешних факторов на набухание и разупрочнение глин. 2) Не проводился анали? генезиса, ин.^нернс-

геологическая оценка и сравнительная характеристика основных типов набухающих грунтов территории Молдовы. 3) Недостаточная изученность вопросов набухания и усадки глин Молдовы,особенно с учетом влияния различных внутренних и внешних факторов. 4) Отсутствуют работы по региональной оценке набухания грунтов Молдовы.

Глава 2. Краткий анализ инженерно-геологических условий территории

распространения сармат- жогтесюа глкл; методика исследований.

В главе рассматриваются основные черты природных условий территории, объясняющие ИГС сармат-меотических глин и условия их формирования. Освещается стратиграфия и условия залегания верхнемиоценовых отложений,включающих и объект исследований. Кратко описан неотектонический этап развития структуры Прут-Днестровского междуречья,а также водоносность отложений сармат-меотиса. Различия в интенсивности новейших тектонических движений отдельных блоков определили различную обнаженность неогеновых глин,уменьшающуюся в южном направлениинии.

Изменения ИГС пород происходят в условиях умеренно-континентального климата с недостаточной увлажненностью. Около 90% атмосферных осадков расходуется на испарение, причем через подземную стадию проходит 90-95% выпавшей влаги. Последнее, плюс частые значительные колебания температур на поверхности грунтов (зимой -20_+5°летом +9_+70°) .свидетельствует о подверженности процессам увлажнения-высушивания (набухания-усадки) глинистых пород в приповерхностных слоях.

Методика исследований. Объектом настоящего исследования являются набухающие глины Молдовы, а предметом научного анализа - формирование их ИГС. Основными типами набухающих пород являются среднесармат-ские, верхнесарматские, балтекие и «агульские. Каждый из выделенных типов пород целесообразно назвать регионально-генетическим (РГ'Г). Под РГТ мы понимаем совокупность пород определенного номенклатурного вида, одинакового возраста происхождения, со сходными условиями

- 5 -

залегания на конкретной территории.

Из используемых в работе методологических положений выделим следующие. 1. Изменение внешних условий непосредственно на свойства грунта влияния не оказывает. Внешнее воздействие влияет на состав грунта, прочность связей между структурными элементами, вследствие чего изменяются механические свойства грунта. 2. Поскольку формирование ИГО глин представляет собой многофакторный процесс, необходимо в первом приближении рассмотреть е?о в крайних условиях влияния конкретного фактора при неизменности влияния остальных факторов.

Для решения поставленных задач применялся традиционный комплекс исследований: полевые, лабораторные и камеральные. Исследование проводились на невыветрелых природных образцах, имеющих обоснованную стратиграфическую привязку. Изучался состав, структура и текстура, а также свойства грунтов как в естественном состоянии,так и после внешнего вовдействия. Определение параметров грунтов выполнялось по общепринятым методикам в соответствии с действующими ГОСТами.

В главе описывается методика экспериментов по лабораторному моделированию влияния замачивания,высушивания, переменного увлажнения-высушивания, переменных положительных температур, выщелачивания, растворов серной кислоты и едкого натра на деформируемость (набухание „ усадку) и прочность грунтов. Для сравнительного анализа влияния внешних факторов на набухание и разупрочнение грунтов использовался метод ^образцов-близнецов!' Для сравнения применялся графический метод с помощью "яшиков с усами" (Тьюки,1981).

Обработка результатов включала расчет статистических характеристик распределения,корреляционно-регрессионный аналнз методами парной и множественной корреляции. Для количественного анализа использовались пакеты программ для микроэвм, а также ЗКР (ИЛИ) и ЗТАТОЯЛРЮЗ.

Глава 3. Литогенез сармат мэотических глин Молдовы.

Основные резульуаты анализа формирований состава, структурно-текстурных особенностей и ИГС набухающих пород территории в течение полного цикла литогенеза сводятся к следующему:

На стадии седиментогенеза Накопление глинистых осадков каждого РГТ происходило в отличительных условиях. Среднесарматские осадки отлагались в полузамкнутом и тепловодном Галицийском заливе сарматского моря. Глинистый материал поступал,в основном,с Восточно-Европейской платформы. Макрослоистость формировалась под влиянием преимущественно тектонического, а микрослоистость - климатического факторов. В обмелевшем и опресненном бассейне отлагались верхнесарматские осадки. Седиментация осадков Салтской и кагульской свит проходила в условиях обширной аллювиальной равнины.

На стадии диагенеза. Наряду с геостатическим давлением существенную роль в уплотнении, дегидратации и упрочнении морских глинистых осадков играли физико-химические процессы - в частности катион-ный обмен и цементация. Значительная часть морских глин испытала позднедиагенетические и раннекатагенетические изменения, что соответствует третьему и четвертому инженерно-геологическому типу пород (по И. Г. Коробановой, 1980). Наряду с региональными, существовали и локальные особенности диагенеза, в результате сформировались отдельные слои "переуплотненных" и "недоуплсгненных" глин.

Из стадии гипергенсза изменение ИГС глин контролировалось направленностью и интенсивностью тектонических движений, а также климатическими условиями. В результате среднесарматские глины выветривались более длительное время в северной,более увлажненной части территории. На юге Молдовы в более сухих и теплых условиях выветриваются кагульские глины. Более интенсивно выветриваются глины морского генезиса Ведущими процессами при этом выступают набухание-усадка, окисление пирита, выщелачивание, температурные колебания.

- 8 -

Глава 4. Характеристика состава.строения и свойств изученных глин

В результате комплексных исследований дана инженерно-геологическая характеристика основных типов набухаквдх пород территории и проведен их сравнительный анализ.

Лнтологическме особенности Все типы глин в невыветрелом состоянии характеризуются серым и зеленым цветом, плотным сложением, наличием макро- и микрослоистости. Оптические исследования шлифов глин выявили существенную роль аутигеййых карбонатов в формировании их структурного каркаса. Количество мелкозернистого пирита уменьшается от среднесарматских (-3%) к балтским глинам. В образцах среднего и верхнего сармата преобладает пелитовая мезоструктура, а в глинах балтской и кагульской свит - алевропелитовая. Мезотекстура морских сарматских глин преимущественно линзовидная, слоистая и неяснослоис-тая; микротекстура - ориентированная или частично ориентированная.• Для лагунно-дельтовых глин характерна пятнистая мезотекстура и неориентированная микротекстура, в глинах зоны гипергенеза выявлены многочисленные "залеченные" микротрещины. С учетом комплекса факторов предложено два механизма их обраэования: 1) За счет кристаллизации гипса и лимонита (с увеличением объема), образованных при окислении пирита под воздействием атмосферных вод. 2) Микротреищы образуются в результате процессов набухания-усадки глин, затем они "залечиваются" выпавшими из растворов на геохимическом барьере (по А. И. Перель-ману) гипсом и лимонитом.

Изученные глины отличаются высокой.дисперсностью, коагуллционным и смешанным типом структурных связей, гидрослюдисго-монтмориллонито-вым составом глинистой фракции, слабой засоленностью, высокой карбо-натностью, сродней емкостью обмена, преобладанием в обменном комплексе катионов кальция и магния (табл. 1). По большинству показателей состава все изученные типы глин различается между собой.

Физические свойства. Природная влажность глин варьирует ь широ-

- 9 -

Таблица 1

Основные показатели состава, структуры и физико-механических свойств набухающих глин Молдовы,

гру- Показатода^!^ Средний сармат Верхний сармат Балтская свита Кагульская свита

Водораств.соли (по сух.ост.) 0,2210,21/41 О,21±0,26/31 0,1210,07/16 0,1810,65/15

Содержание карбонатов , % 12 , 412, 4/41 9,915,1/34 10,113,4/16 9,013,6/12

Содержание гипса,% О,06±0,05/36 О,08*0,05/29 0,0910,07/14 0,0610,06/13

Аморфный кремнезем, % 0,48±0,07/37 0,7110,36/34 0,6810,38/16 0,5310,16/13

Емкость поглощ. мг-екв/1оог п. 17,813,О/43 22,4+4,7/34 23,914,2/16 24,415,1/12

Натрий обменный мг-акв/юог п. 1,2Ю,9/38 2,5±1,1/30 0,910,6/15 Э,6±1,0/12

Монтмориллонит в глин. фракции?! 32.447,6/34 36.9112,0/33 57,1113,8/14 31,5114,3/8

Содерж.глин.частиц (<0,005ММ)Я 62,9112,2/43 71,3112,2/33 60,2±18,9/14 68,0117.1/12

Ксэфф.агрегиров. (<о,005мм) 1,95±0,68/36 2,0211,21/28 2,2311,18/14 1,6410,25/12

Влажность природная,% 23,£±3,8/637 24,412,8/48 23,113,7/112 24,513,5/117

Число пластичности, % 24,3±4,3/637 28,515,5/48 27,616,8/112 29,215,8/117

Плотность грунта,г/см 3 2,010,07/637 2,03 0,06/48 2,0110.07/99 2,0110,07/99

Пористость,% 40,513,6/637 40,212,8/48 40.013.6/112 40.613,1/117

Величина свободного .набуханияЖ 13,516,2/83 23.4111,6/60 8,212,3/35 17.817.1/43

Влажность набухания,% 32,1±4,3/02 38,616,2/60 25.414,6/38 34,714,0/53

Давление набухания,МПа 0,10±0,09/62 О, 31 Ю, 17/43 о.озю.ог/гг 0,3310.13/38

Объемная усадка,% 10,312,9/45 16,216,8/34 8,513,9/21 14,515,5/30

Пластическая прочность,МПа 0,4910,20/53 О, 52Ю, 19/33 0.7410,30/21 0,6010,22/30

Солротивл.сре зу (Р=0.1МПа),МПа 0,14*0,04/56 О,1710.04/36 0,1910,05/18 0,1610,04/30

Сцепление,МПа 0,1210,03/56 0, 1510,04/36 0.1610,Об/18 0,1510,04/30

Угол внутреннего трения, град. 13,510,06/56 14,010,06/36 15,810,03/18 15,010.05/30

Модуль деформац. (0,5<Р<: 1МПа)МПа 15,9+5,3/35 20,316,9/31 21. 117,1/17 20,917,2/16

Примечание: в числителе - среднее ± стандарт, в знаменателе - число определений.

- ]С -

них пределах - от 14 до 46%. Несколько повышенная влажность верхнесарматских и кагульских глин обусловлена, прежде всего,их большей адсорбционной (десорбционной) способностью. По показателям пластичности все выделенные типы глин различаются между собой (за исключением пары верхний сармат-кагул). Изученные грунты относятся к средне и сильноуплотиенным (по И. М. Горьковой). Встречаются слои "недоуп-лотненных" и "переуплотненных" глин. Большая степень уплотнения залегающих на водоразделах более молодых бадтских отложений является подтверждением существенной роли процессов усадки. Средние значения пористости глин изученных типов колеблятся возле 40%. Преобладают сильно водонасыщенные глины (0>0,9).Различия по степени водонасмщения обьясняется, прежде всего, различными условиями испарения влаги. Наибольшей изменчивостью показателей выделяются балтские глины. Отличительной особенностью глин Молдовы является их высокая плотность, более низкая влажность и пористость по сравнению с сарматскими глинами Предкавказья.

Механические свойства. К особенностям прочностных и деформационных свойств изученных глин необходимо отнести следующие. Глинистые породы всех РГТ при природной влажности и плотности характеризуются высокой прочностью - сопротивление пенетрации конусом в среднем составляет 0,49-0,71 №а (табл. 1). Установленные различия по пластической прочности между типами связаны, прежде Есего, со степенью сце-ментированности структурных элементов. По сопротивлению сдвигу сред-несарматские глины отличаются от других типов меньшими значениями показателей. Для сарматских глин установлена тесная корреляционная связь между сопротивлением сдвигу и пластической прочностью (1?=0,75). Наибольшей величиной общего сцепления (до 0,48 Ша) обладают сильно уплотненные, карбонатные разности глин верхнего сармата, балтской и кагульской свит. При сдвиге по подготовленной поверхности сцепление глин уменьшается в среднем в б, а "к .ле ее увлажнения - ь

- И -

10-15 раз и составляет 0,001-0,03 Ша. Преимущественное большинство изученных образцов имеет слабую сжимаемость (а=0,0005-0,01 МПа). Морские сарматские глины оказались более сжимаемыми, чем отложения балтекой и кагульской свит. Существеное влияние на сжимаемость глин территории оказывает тип структурных связей.

Глава 5. Закономерное!и изменения объема глин при воздействии различных факторов.

Учитывая природно-климатические условия территории Молдовы,а также интенсивность и характер техногенеза. изучено влияние основных факторов физического, химического и физико-химического воздействия на набухающие грунты. В главе рассматриваются объемные деформации пород при замачивании водой, высушивании, выщелачивании, циклическом увлажнении-высушивании,воздействии переменных температур,а также замачивании растворами кислот и щелочей разных концентраций.

Замачивание водой, в результате анализа более 500 определений величин свободного набухания, влажности набухания, а также давления набухания,полученных в ходе лабораторных экспериментов,установлено, что все выделенные типы глин относятся к набухающем (по Е. А. Сороча-ну). Величина свободного набухания изменяется от 1 до 39%, влажность набухания - от 18 до 57% и давление набухания - от 0,00 до 0,75 МПа. Характерно,что среди глин балтекой свиты и среднего сармата преобладают среднекабухающие,а среди верхнего сармата и кагульской свиты -сильно набухающие разности. С помощью параметрических критериев Сть-юдента и 5ишера выявлены различия по набуханию между типами. Результаты сравнительных определений давления набухания разными методами показали неприменимость метода"арретирного хода" для измерения давления набухания неогеновых глин Мэлдовы. Для сармат-меотических глин установлена прямая тесная линейная связь между давлением набухания и величиной свободного набухания.

введены исследования по оценке влияния на набухание грунтов в

- 12 -

воде следующих факторов: 1) состава грунта; 2) структурно-текстурных особенностей; 3) внешних факторов.

В результате корреляционно-регрессионного анализа оценено влияние состава твердой фазы на величину набухания. Наилучшая корреляционная связь показателей набухания'выявлена с содержанием обменного натрия, емкостью обмена и содержанием глинистых частиц. Учет типа структурных связей существенно псйышает тесноту связи. Итог множественного анализа выборки из 114 образцов выражается следующим уравнением с коэффициентом корреляции Я - 0,76:

= 0,148+0,062 Иаобм.+0,03 г гл+0,014 Еобм. (1)

где: £зу/ - относительное набухание; Маобм. , Еобм. - соответственно количество обменного натрия и емкость обмена,мг-экв/100г. п. ;

2 гл. - содержание глинистых частиц (< 0,002мм), %. Повышенная набухаемость верхнесарматских и кагульских глин обусловлена, прежде всего, большим содержанием обменного натрия и глинис-тостостью.

Изучены особенности кинетики набухания. Для глин Молдовы существует связь состава обменных катионов и временем набухания. В целом, изученные грунты, вследствие повышенного содержания обменного кальция, сравнительно быстро набухают, что позволяет утверждать о применимости госговского критерия стабилизации набухания.

При оценке влияния исходной влажности грунта на его набухание использована схема "набухание после подсушивания" как наиболее распространенная в природе. С уменьшением исходной влажности от влажности набухания до влажности усадки (\ishr) набухание грунта увеличи-

вается. Установлено,что для природных грунтов нарушается линейная связь Ебу/ = Г (Шсх.), что связано с наличием цементационных структур. Каждый грунт имеет свою исходную "критическую"влажность (подсушивания), при которой происходит разрушение м^л грегатных цеме,рационных связей и последующее интенсивное набухание.

- 13 -

В ходе выполнения множественного регрессионного анализа влияния параметров состояния на набухание использовался метод неформального анализа причинно-следственных связей между показателями. В результате получено следующее уравнение для сармат-меотических глин Молдовы: ¿БУ! - 0,11+1.55 («з*-У)-0,11 КсН0,02бЛ- (*?-0,80) (2) где: - относительное набухание; Уэ* - влажность набухания; V -природная влажность грунта; Кс1 - показатель уплотненности (по Е А. Приклонскому); ^ - показатель консистенции. Выявлены особенности влияния типа структурных связей на набухание сарматских глин. Установлена обратная связь величины набухания с коэффициентом агрегированности (Кагр.). Кривая регрессии описывается уравнением:

¡(Гбэ* - -0,27-1,80 1е Кагр. (Й-О.бБ) (3)

Среднесарматские микрослоистые глины проявляют анизотропность набухания. Результаты экспериментов показали,что для них набухание в направлении, перпендикулярном слоистости в среднем в 2 раза больше, чем параллельном слоистости.

В результате изучения влияния внешнего давления на величину набухания получены экспоненциальные зависимости для каждого типа глин.

Высушивание. Особенности усадки грунтов изучались на образцах природной структуры. Установлена значительная усадочность верхнесарматских (сред. 16,27.) и кагульских (14,6%) глин. Результаты сравнительного анализа усадки пород отдельных типов во многом повторяют закономерности набухания, что подтверждает взаимосвязь этих процессов. Исходя из того, что на стадии замедленной усадки большая часть изученных грунтов теряет менее 27. своего объема, для прогноза величины усадки использована разность где УгЬг - влажность усадки при 1=20." Для глин каждого типа получены прогнозные линейные уравнения связи с высокими коэффициентами корреляции (1? > 0,75). Среднесарматские глины проявляют анизотропию усадки. Величина усадки

- 14 -

перпендикулярно микрослоистоети в среднем в б раз больше, чем пара-лельно слоистости. Специальные эксперименты выполнены по изучению усадки глин в зависимости от их исходной влажности. Для более сцементированных глин характерно более реэкое снижение величины усадки при уменьшении исходной влажности. С помощью ультразвукового прибора УК-14П выявлены некоторые особенности механизма усадки карбонатных глин. Оптические исследования позволили установить особенности формирования усадочной трещиноватости в сарматских глинах, затронутых процессами выветривания.

Эксперименты по цжлическому увлажнению-высуяиванло глин показали существенное увеличение параметров набухания и усадки. Величина набухания возросла для кагульских глин - в среднем на 34%, или в 3 раза, а для среднесарматских - на 23%, или в 2, Б раза. Величина относительной усадки возросла соответственно в 1,6 и 1,8 раз. Для глин со смешанным типом структурных связей установлено наличие "горба" на кривой набухания, что говорит о резком скачке набухания после первых циклов.

Показатели набухания и усадки, характеризующие диапазон изменения объема пород при разных значениях влажности, были использованы для оценки степени литификации глин. По показателю Ьлит. - (е9л,- е0)/ (е^ - е5(1.г,1 (Зиангиров и др.197б) все изученные грунты следует отнести к сильнолитифицированным (0,6 < Шит. < 0,9).

Выплачивание. Прогноз деформационного поведения глин при длительном взаимодействии с водой оснобывался на экспериментах по диффузионному выщелачиванию образцов, помещенных в оригинальные приборы из оргстекла. Анализ результатов более 100 опытов позволил выделить несколько особенностей изученных глин. 1).Для всей изученной толщи отмечено приращение деформаций набухания в среднем на 5-10%. Выделено четыре группы образцов по характеру деформаций в процессе выщелачивания - с приращением объема, с приращением и уменьшением, не иэ-

- 15 -

меняющие и, наконец, уменьшающие свой объем. Для каждой группы установлена различная степень природной выщелоченности, причем наименее измененные грунты дают наибольшее приращение объема 2). Деформации грунта контролируются как исходным составом, так и его изменением в процессе опыта. Отмечено снижение содержания водорастворимых солей (в 1,2-1,5 раза), карбонатов, гипса, изменение состава обменного комплекса и дисперсного состава. 3). Особенностью деформаций молдавских глин является существенная роль процессов окисления пирита. 4). Установлена связь между концентрацией фильтрата в процессе выщелачивания и характером изменения объема грунтов. 5). Б зависимости от исходного состава выщелачивание может вызвать как увеличение, так и снижение давления набухания глин.

Воздействие переменных температур. Изучено набухание глин как природной, так и нарушенной структуры в условиях переменных температур (205-40°и 20т70°).Результаты длительных (>100 суток) экспериментов показали существенное увеличение набухания природных глин на 4-9 %, тогда как приращение составило Б5-225Х (рис.1). Для более сцементированных глин приращение оказалось большим. В то же время образцы нарушенной структуры (пасты) прирастили набухание всего на 12-20%. Сравнение результатов экспериментов с природными глинами, а также грунтами с нарушенной структурой позволяют констатировать, что увеличение набухания природных глин происходит за счет разрушения цементационных контактов под воздействием термических деформаций структурного каркаса, а также изменяющегося расклинивающего давления водных пленок.

Техногенное воздействие на грунты изучено на примере замачивания растворов кислот 01,90,) и щелочей (НаОН). Глины природной структуры замачивались растворами различных концннтраций (0,1Н, 0.5Н, 1Н, 5Н). Эксперименты проводились в приборах из оргстекла по двум схемам: свободное набухание и "под арретиром".

- 16 -

iv.lL

и

го

.1

а

Г

10

5

п

( г з н н ы> во по

Рис,1.Влияние поременны*.температур на величину набухания (свш) срвднесарматских глин.

- грунт природной структуры,— грунт нарушенной структуры! ••• уплотненный (Р=о.5МПа) порошок грунта («=тегигр.).

Диапазон температур:*** - 20*{ 111 - 204-4сГ! III - 20*70'.

»-4 --)

* * <ЧН Рие-г.Зависимость величины набухания (£вш) и сопротивления срезу (т*() при Р=о.1МПа среднесар-матских глин от концентрации (С) растворов ЯаОЯ (5) Л,30, (6).

1,2 - набухание в р-рах НаОН (1) и я<90« (г)| 3,4 - сопротивление

срезу при Р=0,1МПа после набухания в р-рах Яаои (э) Я,30« (4).

Значительная карбонатность глин Молдовы определила специфику их деформационного поведения при замачивании растворами серной кислоты. Установлено,что величина набухания зависит, прежде всего, от концентрации взаимодействующего раствора и карбонатности грунта (рис.2). При возрастании концентрации от ОДН до 6Н величина набухания увеличивалась от 4-8 до Ю5-12Б2, а давление набухания -от 0,01-0,075 до 0,55- 0,89 МПа. В результате взаимодействия с 5Н растворами грунт полностью теряет карбонаты, а количество гипса возрастает от 0.2 до 10-17%. Происходит частичное разложение глинистых минералов, поставляющих в раствор окисли алюминия и железа. Количество Р2 0, увеличилось на 0,8-1,2%, А1а0,- на 0,8 - 1.5Х, аморфного кремнезема - в 2-3 раза. Набухание грунта имеет химическую природу и обусловлено кристаллизацией сернокислых солей (в основном гипса).

Эксперименты с растворами едкого натра различных концентраций

- 17 -

позволили, с одной стороны, подтвердить применимость ранее установленных закономерностей к грунтам региона,а с другой - выявили ряд специфических особенностей. В частности, вследствие высокой карбо-натности глин увеличение их набухаемости заканчивается при концентрации раствора О,БЕ Максимальные величины приращения свободного набухания наблюдаются при концентрациях 0,2-0,ЗН - 17-19% для балтских глин и 20-23% - для среднесарматских (рис.2). При С>1Н приращение объёма не наблюдается, грунты теряют пластические свойства и упрочняются. Происходит их "валузлачивание" (Волков,Злочевская, 1988). Результаты рентгеноструктурных и электронномикроскопических исследований позволили выявить существенную роль портландита наряду с соединениями типа гидроалюмосиликатов натрия и гидросиликатов кальция в цементации грунта. У более карбонатных разностей глин процесс "защелачивания" происходит сравнительно быстрее и при более низких концентрациях взаимодействующего раствора. Подобно свободному набуханию изменяется и давление набухания, однако в условиях неизменяющегося объёма процессы замещения Саг и Мг на На+ в обменном комплексе идут гораздо медленнее. Давление набухания глин при 0,5Н концентрации раствора увеличивается на 0,13-0,17 МПа.

Глава 6. Закшюыарноетн изменения прочности глин в реаул>тате

набухания и усадем при воздействии различных факторов.

Дяя анализа изменения прочности грунтов в результате на&ухания и усадки применялись методы одноплоскостного среза и пенетрации конусом. Одним из основных критериев являлся коэффициент разупрочнения -Краз. - Рт ест. /Рт наб.

При замачивании водой в условиях свободного набухания наибольшей разупрочняемостью отличаются глины верхнего сармата (Краз. =46,7),а наименьшей - балтской свиты (Краз. =9,3). В среднем для вое^ тол!Щ1 потеря прочности в результате набухания составила 25,1раз. В резуль-

- 18 -

тате сравнительного анализа выявлены существенные различия между типами пород по разупрочнению.

Для-каждого из выделенных типов глин установлена связь показателя разупрочнения с величиной набухания. Получены прогнозные уравнения с R- 0,60-0,75. Установлены особенности потери прочности средне-сарматских глин, залегавших на приводораздельных участках. Отличаясь неполным водонасыщением (6-0,95).такие грунты вследствие замачивания "под арретиром" теряют до 50% исходной прочности.

В результате множественного корреляционно-регрессионного анализа установлена связь разупрочнения с показателями состава и состояния сармат-меотических глин. Получены следующее уравнения связи:

а) для показателей состояния:

lgr Краз. - 0,613+3,819 (Vsw-Ve) +0,228 Kd+0,171 Ju (R-0.58) (4)

б) для показателей состава:

Краз. - 0,432+0,16 Маобм. +0,0082гл. -0,003 Еобм. (R-0,66) (5) Условные обозначения аналогичны приведенным в уравнениях 1 и 2.

Наиболее влиятельными факторами являются приращение влажности и количество обменного натрия. При анализе разупрочнения отдельных типов заметно увеличивается теснота связи и несколько изменяется рель отдельных факторов.

Значительного разупрочнения достигают глины в результате циклического набухания-усадки. Пластическая прочность при этом снижается в 280-350 раз для невыветрелых, и в 50-70 раз - для частично вывет-релых разностей. Особенностью изучаемых глин язляется то,что уже после третьего цикла их пластическая прочность приближается к мини- ■ мальным значениям.

Длительное выщелачивание глин привело к снижению их прочности. По результатам определений пластической прочности и испытаний на срез установлено, что наибольшее падение прочности зафиксировано э слабоагрегированных образцах с коагуляционной структурой,которые ие-

- 19 -

пытали наибольшее набухание - в 2,3-2,8 раза. Для образцов со смешанным типом структурных связей прочность снижается примерно в 1,5 раза.

Дополнительное разупрочнение при воздействии переменных температур вызвано дополнительным набуханием природных глин, так как был исключен фактор непосредственного влиянии температуры на прочность. Между дополнительным приращением набухания и разупрочнением установлена прямолинейная связь. В то же время отмечено некоторое повышение прочности образцов нарушенного сдожения и уплотненных порошков,что связано с уменьшением объёма образцов, вызванным тиксотропным уплотнением.

Взаимодействие с растворами серной кислоты приводит к значительному разупрочнению карбонатных глин. Установлено,что как и величина набухания,прочность снижается с увеличением концентрации взаимодействующего раствора при равном времени замачивания (рис. 2). При концентрациях 0,5Н грунт переходит в текучее состояние. Сопротивление срезу падает до нуля.

При замачивании "под арретиром" на границе с раствором формируется маломощная зона упрочнения за счет кристаллизации сернокислых солей; остальная часть образца разупрочняегся. Установлено, что с увеличением концентрации раствора прочность большей части грунта снижается, тогда как контактирующей с жидкостью - увеличивается. Причем прочность коррелирует с измененйен влажности разных частей об*

разца. Прочность грунтов контролируется процессами растворения карбонатного цемента и кристаллизации сернокислых солей.

Изменение прочности глин Молдовы при замачивании растворами ЫаШ во многом зависит от концентрации щелочи и состава грунта. При концентрациях раствора <1Н доминируют процессы обогащения обменного комплекса натрием, приводящие к разупрочнению грунтов в 10-15 раз. При концентрациях >1Н более активными становятся процессы цементации грунта соединениями типа гидросиликатов кальция и натрия. При этом

- 20 -

глины резко увеличивают прочность - в 5 и более раз (рис. 2). Замачивание образцов "под арретиром" показало,что в этих условиях процессы цементации (упрочнения) начинают опережать процессы,способствующие разупрочнению грунта при значительно меньших концентрациях, чем при свободном набухании. Даже при концентрациях 0,1Н в образце начинает формироваться зона упрочнения, мощность которой возрастает по мере увеличения концентрации раствора Прочность более агрегированных и ¡карбонатных балтских глин при высоких концентрациях NaOH возрастает быстрее, чем среднесарматских.

Глава 7. Оценка степени влияния различных внешних факторов на изменение объёма и разупрочнение глин.

На примере карбонатных среднесарматских и балтских глин Молдовы оценена степень влияния на набухание и усадку, а также разупрочняе-мость основных факторов внешнего воздействия: замачивания водой,высушивания, циклического увлажнения-высушивания,длительного выщелачивания, разрушение природной структуры (механически).воздействия переменных температур, замачивания растворами кислот и щелочей. Всего проанализировано 16 факторов. Закономерности поведения грунтов при действий глждого из факторов описаны в гл. Б и 6. В качестве критериев использовались величина набухания и показатель разупрочнения. Применялся метод изучения "образцов-близнецов". Для сравнения выбран графический метод с использованием "ящиков с усами" (Тьюки,1981). Внешние факторы располагались в порядке усиления степени воздействия на грунты (рис.3 и 4). Учитывались также особенности изменения состава и структуры грунтов. Для проверки различия между факторами применялись критерии Фишера и Стьюдента.

В результате все факторы разделены на б групп по степени влияния на приращение обгёма, о величинами свободного набухания, X: I - ' 0; П - 0; III - 0-15; IV - 15-30; V - > 30 (рис. 3).

- 21 -

ла ю

то

SO

so

10 ; О

i -10

tA

ш

& & •§

iv

«

11 ti H

S tfj*ser»»««

факторы внешнего воздействия

Рио.з.Влияние различных внешних факторов на величину найужания (усадки) среднесарматских глин.

Для каждого "явцша с усами"i i - min значение показателя-, г-пах значение; Э-медианаi 4,5-верхний и нижний квартили. Факторш 1-Еысушившше! г,з-р-ры НоОН,С0=5Н(2) и C„=lH(3); 4-замачивание водой; 5-вищелачиванив; 6-р-р Нг30„,С,=0,1Н| т-перемен. тем-pu (T=20VT0*i\ e-наруш.структуры (мвханич.Ь 9,10-р-ры НаОВ, С» =0, 1}Ц9) ■ Са 5(1 о) j 11,12-циклич.увлааш-выоушивание, 1цикл(11) и 5циклов(12) 13,14,15-р-ры Нл80, . с. ^о.бнозьсрвш^),cp=5h(l 6).

й й I - 5 - группы факторов, р Р

кю

ISO

ш ф

- § ф

'j J ' 'III §

i 1 g ф ф ф i $ ® ф £

£ 9

Si I > 10 в It tl

Факторы внешнего воздействия

О rt

Рис.4.Влияние различных внешних факторов на разупрочнение среднееарматских глин. ^

I

По степени влияния на потерю прочности (разупрочнение) выделено 4 группы факторов, с величинами коэффициента разупрочнения: I - < 0; II - 0-10; III - 10-Б0; IV - > 50 (рис.4). . -

Необходимо подчеркнуть, в общем, сходную относительную "чувствительность" среднесарматеких и баптских глин по отношению к одним и тем же факторам. Наиболее влиятельными факторами оказались периодическое увлажнение-высушивание и замачивание растворами кислоты высоких концентраций.

Глава 8. Рекомендации по оценке фиэиго механических свойств

набух амвмх пород при изысканиях.

В главе приводятся рекомендации практического характера для изыскателей с учетом установленных в работе закономерностей. Они имеют, в основном, региональное применение, однако могут быть использованы и в других районах распространения неогеновых глин.

Необходимо выделить предлагаемую Схематическую карту распространения и прогноза набухания сармат-меотических глин Молдовы, рекомендации по методике отбора монолитов, учету структурно-текстурных особенностей грунтов, использования регрессионных уравнений для предварительного прогноза набухания в зависимости от приращения влажности и внешнего давления. Предлагаются также переходные коэффициенты для предварительной оценки степени влияния внешних Факторов на набухание и разупрочнение глин. Рекомендуется использовать концентрированные растворы едкого натра (>1Н) для закрепления набухающих глин Молдовы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. На примере среднесарматеких и балгских глин Мэлдовы проведена сравнительная оценка степени воздействия на набухание (усадку) и ра-зуирочнедяе наиболее влиятельных природных и техногенных факторов:

омачивания голой, г+шр.пачирания, циклического увлажнения-выеуатваг

- -

ния, воздействия переменных температур, замачивания растворами серной кислоты и едкого натра различных концентраций. Установлено, что наиболее влиятельными внешними факторами для карбонатных глин являются растворы серной кислоты высоких (>0,5Н) концентраций и циклическое увлажнение-высушивание. Проведена классификация факторов по степени влияния на набухание и разупрочнение глин.

2. Исследовано влияние переменных положительных температур на набухание и разупрочнение глинистых грунтов. На примере карбонатных неогеновых глин со смешанным типом структурных связей выявлено существенное приращение величины набухания - от 3-10 до 8-15%, или на 65-225%. Для более сцементированных грунтов приращение значительнее. Главной причиной приращения набухания и разупрочнения природных карбонатных глин при переменном температурном воздействии является разрушение цементационных связей.

3. Выполненная впервые детальная комплексная инженерно-геологическая характеристика основных регионально-генетических типов набухаютих пород Молдовы - среднего сармата, верхнего сармата, балтской и кагульской свит на основе установленных фактов различия между типами позволяет признать, с одной стороны - необходимость генетического подхода при инженерно-геологической оценке набухающих грунтов, а с другой-специфичность неогеновых глин Молдовы и их отличие от подобных грунтов других регионов - в частности, сарматских глин Северного Кавказа. Последнее подтверждается, прежде всего, большей уплотненностью, меньшей влажностью, повышенной карбонатностыо, слабой засоленностью, большей сцементированностыо и прочностью в естественном состоянии.

4. Выявлены новые закономерностей поведения уплотненных карбонатных глин под влиянием отдельных факторов внешнего воздействия. В частности,установлено резкое увеличение набухания грунтов после первых циклов набухания-усадки и некоторое его снижение на последующих;

- 24 -

длительное выщелачивание, наряду с общей тенденцией приращения набу-. хания,может вызвать некоторое сокращение объема отдельных разностей набухающих глин в зависимости от их исходного состава и структуры; изучена роль окисления пирита при выщелачивании глин морского генезиса; отмечены различия в характере разупрочнения глин под воздействием кислот и щелочей в зависимости от приложенной нагрузки.

5. Изучены особенности набухания, усадки и разупрочнения сармат-меотических глин Молдовы в зависимости от внутренних факторов -состава и структурно-текстурных особенностей. Проведен количественный анализ связи параметров набухания и разупрочнения с влажностными показателями (исходной влажностью, приращением влажности и влагопоте-,рей),а таюве уплотненностью и консистенцией. Выявлена анизотропность набухания среднесарматских глин. Определены наиболее влиятельные факторы состава,определяющие величину набухания и разупрочнения глин -количество обменного натрия, глинистость и емкость обмена. Установлено влияние генезиса глин на тесноту корреляционных зависимостей.

6. Проанализирована роль вон ожелезнеьин,образованных в резуль тате окисления пирита, на формирование усадочной трещиноватости сарматских глин. Установлено наличие многочисленных "залеченных" микротрещин в зоне гипергенеза, предложено два механизма их образования.

7. Выявлены и уточнены закономерности кинетики набухания глинистых грунтов в зависимости от их состава, структурных особенностей, а также в процессе воздействия факторов выщелачивания, переменного увлажнения-высушивания, замачивания растворами кислот и щелочей.

8. На основании выполненных исследований разработаны рекомендации по оценке набухающих глин при изысканиях. В рекомендациях обоснована необходимость дифференцированного подхода к оценке ФМС-в зависимости от выделенных типов глин и прогнозной величины набухания. На предлагаемой Схематической карте распространения и прогноза набухания сармат-меотич^еких глин Молдовы выделено 12 типов территорий. .В

- й'5 -

(сачестве предварительного прогноза набухания и разупрочнения рекомендуется также использовать установленные корреляционные зависимостей от показателей состава,структуры,а также воздействия внешних факторов.

Списан опуйтмоваинш работ по теме диссертации

1. Статистический анализ результатов определений инженерно-геологических свойств сарматских глин северной и центральной Молдавии./ /Тез. докл. научн. конф.: "Молодежь, наука, производство". Кишинев: Шги-инца. 1986. (Соавтор 0. Е Богдевич).

2. Анализ геологических условий деформаций зданий и сооружений е .целью опримизации проектно-изыскательских работ (на примере Молдавии) //Современные проблемы инжен. геологии и гидрогеологии территорий городов и городских агломераций. М: Наука. 1987. (Соавтор А. М. Моншко).

3. Особенности набухания верхнемиоценовых глин. Молдавии. //Тез. докл. научн. конф.: "Молодежь и современная наука"! Кишинев: Игиинца. 1989.

4. Качественный региональный прогноз набухания глинистых пород Молдавии. //Географические аспекты региональной экологии и природопользования в условиях Молдавии. Кишинев: Штиинца. 1990.

б. Инженерно-геологические условия мелиорации земель в северной Молдавии.//Тез. докл. конф.: "Техногенные факторы и проблемы прогноза сейсмического эффекта". Ташкент: íqh. 1990. (Соавтор о. П. Богдевич).

6. Зависимость набухания сарматских глин Молдовы от степени их агрегированнооти. //Изв. АН Молдова. Физика и техника. 1991. N1. (Соавторы: Ю. И. Олянский,О. Д. Богдевич, И. М. Зильберман).

7. Инженерно-геологическая характеристика сармат-меотичеоких набухающих глин северной и центральной Молдавии. //Инж. геология. 1991. N2. (Соавторы: А. М. Монюшко.Ю. И. Олянский,О. П. Богдевич,И. М. Зильберман).

8. Результаты изучения реологических свойств сармат-меотических глин.//Изв. АН Молдова. Физика и техника. 1932. N1. (Соавторы: 10. И. Олянский, 0. П. Богдевич). , ^