Введение к работе
Актуальность проблемы. Постоянно возрастающая техногенная активность в наши дни приводит ко всё увеличивающейся нагрузке на верхние слои литосферы, попадающие в зону инженерно-геологической активности. Это воздействие выражается в крупномасштабном жилом строительстве, строительстве каналов, оросительных систем, гидроэлектростанций, водохранилищ, дамб, отстойников, различных насыпей и других гидротехнических сооружений, сбросе агрессивных - кислотных, основных, солевых - стоков от промышленных предприятий, стоков органического происхождения от предприятий сельского хозяйства, ферм и частных предприятий. Данное воздействие на грунты приводит к значительным изменениям в химическом составе, структурным изменениям, что влечет за собой падение механических характеристик и потерю несущей способности грунтов. Это, в свою очередь, является причиной многочисленных аварий на гидротехнических сооружениях, подвижек фундаментов зданий, на устранение которых расходуются значительные финансовые средства.
Существует множество примеров негативного воздействия факторов техногенеза на поведение фундаментов зданий, гидротехнических сооружений. К ним относятся подвижки фундаментов цехов завода "Атом-маш" (Россия) в результате воздействия на них воды и циклических нагрузок от станков и установок; подвижки фундаментов жилых помещений в г.Кишиневе на ул. Алехина (Молдова) и в районе Рехасима (Израиль) вследствие поднятия уровня грунтовых вод; прорыв дамбы отходохрани-лища Стебниковского химкомбината (Украина) вследствие ухудшения прочностных свойств глин, лежащих в основе дамбы и т.д. В США ежегодный ущерб, наносимый в результате повреждений сооружении только на глинистых грунтах, составляет от 1 до 9 млрд. $.
Из всех перечисленных факторов техногенного воздействия на грунты наиболее распространенным является их длительное обводнение, встречающееся при сооружении и длительной эксплуатации таких гидротехнических сооружений, как водные каналы, оросительные системы, водохранилища, плотины различного назначения, дамбы. Таким образом, ущерб, наносимый в результате ослабления грунтов при их длительном обводнении, составляет наибольшую долю.
Наиболее опасными и проблематичными для гидротехнического строительства являются глинистые грунты. Глины, представляющие собой сложные, многокомпонентные системы и описывающиеся целым комплектом параметров различной природы, в ходе длительного обводнения активно взаимодействуют с водой, ухудшая при этом свои механические показатели, что приводит, в конечном итоге, к негативным последствиям. В связи с этим задача прогноза механических свойств глинистых грунтов при их длительном обводнении представляется крайне актуальной.
Целью настоящей работы явилось:
Исследование физико-химических процессов, протекающих в глинистых грунтах при их длительном обводнении и лежащих в основе падения прочностных свойств глин.
На основе выявленных физико-химических закономерностей раз
работка прогнозных качественных и количественных моделей
прочностного поведения глинистых пород при их длительном об
воднении.
Основные задачи исследования:
Разработка методики изучения длительного обводнения глинистых пород;
Выявление основных факторов, формирующих и контролирующих прочностное поведение глинистых пород при длительном обводнении, выявление и ранжирование основных физико-химических параметров глин, на основе которого возможно построение физико-химических прогнозных моделей поведения глин при их обводнении;
Изучение влияния структуры глин на их химические, физические и механические свойства до и после длительного обводнения;
Изучение влияния длительного обводнения глин на их химические, физические и механические свойства (проведение качественного прогнозирования);
Изучение кинетических закономерностей выщелачивания солей из глинистых пород при длительном обводнении.
разработка и сравнение вероятностных и детерминированных прогнозных моделей прочностного поведения глин при длительном обводнении (проведение количественного прогнозирования).
Методика и объем исследования. Решение поставленных задач основывалось на разнообразнейших и современных экспериментальных и теоретических методах исследования. Так, для физического моделирования длительного обводнения была сконструирована установка и разработана оригинальная методика проведения эксперимента по длительному контактированию породы с водой. Изучение физико-химических, физических и механических свойств глин в их естественном и выщелоченном состоянии проводилось при помощи целого ряда методов, включая рентге-нофазовый анализ, электронную микроскопию и термогравиметрию. Исследование химических свойств глин до и после обводнения, а также ионного состава фильтрата проводилось при помощи химических и физико-химических методов анализа, включая атомно-адсорбционную спектроскопию, турбидиметрию и спектрофотоколориметрию. Наряду с экспериментальными, в работе широко использовались и теоретические методы исследования. Среди них факторный и ассоциативный анализы для выявления и ранжирования основных факторов и параметров, формирующих свойства глинистых систем; дисперсионный анализ для выявления основных источников вариации в глинах. Качественный прогноз базировался на статистическом анализе показателей и сравнении средних величин показателей в естественном и выщелоченном состояниях. Количественное прогнозирование базировалось как на создании вероятностных моделей при помощи парного и множественного регрессионных анализов, так и на детерминированных моделях,' использующие жесткие связи. Все расчеты осуществлялись на основе мощных вычислительных средств. Так, факторный и ассоциативный анализы проводились на компьютере IBM-3081-D
при помощи специально разработанной программы; корреляционный анализ — на ЭВМ «Минск»; дисперсионный, статистический, регрессионный анализы, а также другие расчёты проводились на компьютере PC «Pentium» при помощи пакетов прикладных программ «Grapher», «Statgraph», «Simstat» и др. Расчеты детерминированной модели для глинистых грунтов различной структуры (компьютерное моделирование прочностного поведения) осуществлялось по специально созданной автором программе на языке «Fortran - 77».
В исследования полного набора всех свойств глинистых грунтов как в естественном, так и в выщелоченном состояниях было вовлечено в общей сложности 450 образцов естественного сложения. Экспериментальному длительному обводнению было подвергнуто 109 образцов естественного сложения. Модельные эксперименты проводились на 4 глинисто-песчаных модельных образцах.
Новизна работы заключается в разработке подхода к количественному прогнозированию механических свойств грунтов, связанного с созданием детерминированных физико-химических моделей, в частности, в:
а. Выявлении и ранжировании прогнозных физико-химических
параметров глин посредством проведения факторного и ассо
циативного анализов параметров различной природы приме
нительно к системе глинистых грунтов.
б. Методике исследования изменения свойств глинистых грунтов
под действием длительного обводнения в пределах каждой
структурной группы.
в. Применении качественных физико-химических моделей струк
турной конверсии глин и межфазового взаимодействия в гли
нах к интерпретации полученных экспериментальных данных
по изменению свойств глин в ходе их длительного обводнения.
г. Методе расчета коэффициентов диффузии катионов в глинах в
условиях длительного обводнения (свободного набухания и
развития структуры).
д. Разработке прогнозной физико-химической модели в рамках
детерминированного подхода к количественному прогнозиро
ванию механических свойств глинистых грунтов при их дли
тельном обводнении.
е. Принятии параметра SAR (sodium adsorption ratio) в качестве
основного физико-химического прогнозного параметра и мо
дели, связывающей физико-химию глин с прочностными пара
метрами.
Практическая ценность диссертации состоит в том, что результаты исследований, проведенные в диссертационной работе, могут служить в качестве теоретической базы для создания мобильных компьютерно-механических комплексов с целью осуществления экспресс-прогноза возможной реакции породы на техногенное воздействие непосредственно на площадке. Это позволит сократить время изыскательских работ и повысить оборачиваемость капиталовложений.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на тематических семинарах лаборатории физико-механических
свойств горных пород Института Геофизики и Геологии АН МССР (Кишинев, 1987, 1988 гг.), ПНИИИСа (Москва, 1989, 1990 гг.). на XX и XXI Международных научных конференциях по проблемам в области исследования глин (Иерусалимский Университет, Иерусалим, 1993 , 1994 гг.)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, сводки основных результатов и выводов, списка цитируемой литературы, трёх приложений (страниц — 257, рисунков — 47, таблиц — 29, библиография — 145 наименований).
Диссертационная работа выполнена автором за время работы в лаборатории физико-механических свойств горных пород Института Геофизики и Геологии АН МССР (1986 - 1990 гг.), а также на кафедре геомеханики факультета Гражданской Инженерии Израильского Технологического Института (1993 -1995 гг.) Автор выражает глубокую благодарность:
профессору геологического факультета МГУ, доктору геолого-минералогических наук Зиангирову Р.С. - за ценное обсуждение вопросов, рассматриваемых в диссертации, и организационное содействие.
старшему научному сотруднику геологического факультета МГУ, кандидату геолого-минералогических наук Злочевской Р.И. - за ценное обсуждение вопросов физико-химического плана.
зав. лабораторией физико-механических свойств горных пород Института Геофизики и Геологии АН МССР, доктору геолого-минералогических наук | Монюшко А.М.| - за организационное содействие при работе над диссертацией.
директору Северо-Кавказского отделения ПНИИИСа г. Ставрополя, кандидату химических наук Пахомову СИ. - за ценные советы и постоянное обсуждение вопросов на протяжении всей работы над диссертацией.
доктору геомеханики, профессору кафедры геомеханики факультета Гражданской Инженерии Израильского Технологического Института /Техниона) А. Коморнику - за финансовое содействие при работе над главами I и IV.
доктору математической геологии, профессору кафедры геомеханики Израильского Технологического Института (Техниона) В. Рерлих и кандидату геолого-минералогических наук Зайцеву Р.С. - за ценные советы при работе над главой I.
Автор признателен всем сотрудникам лаборатории физико-механических свойств горных пород Института Геофизики и Геологии АН Молдовы, 10-го отдела ЦАМа АН Молдовы, Северо-Кавказского отделения ПНИИИСа г. Ставрополя за помощь в проведении всех необходимых анализов и определений, результаты которых были использованы в диссертации, а также кандидату геолого-минералогических наук, А. Болотину - за проведение термо-гравиметрических определений.
Автор выражает благодарность своим родителям и членам своей семьи за оказанную финансовую и моральную поддержку в период написания диссертации.
