Содержание к диссертации
Введение
1. Инженерно - геологическая изученность сарматских глин
2.Природные условия территории междуречья прут –днестр и свойства сарматских глин
3. Изменение состава и свойств незасоленных сарматских глин при диффузионном выщелачивании
3.1. Методика исследований 39
3.2. Состав и свойства опытных образцов 45
3.3. Изменение состава и свойств при выщелачивании 65
4. Состав и свойства некоторых типов засоленных глинистых пород и их изменение при диффузионном выщелачивании
4.1. Вещественный состав и свойства глинистых пород 94
4.1.1. Сарматские глины Центрального Предкавказья 94
4.1.2. Майкопские глины Северного Прикаспия 96
4.1.3. Глины верхнего и нижнего неогена Центрального Предкавказья
4.1.4. Сыртовые глины Заволжья 98
4.1.5. Четвертичные глины Центрального Предкавказья включая софиевский горизонт 102
4.1.6. Хвалынские глины Северного Прикаспия 101
4.1.7. Четвертичные глины Центрального Предкавказья, перекрывающие майкопские отложения
4.2. Изменение состава и свойств пород при выщелачивании 103
5. Основные закономерности выщелачивания и изменения свойств незасоленных и засоленных глинистых пород и прогноз показателей прочности выщелоченных глин
5.1. Особенности выщелачивания и изменения свойств незасоленных и засоленных глинистых пород
5.2. Прогноз показателей прочности выщелоченных сарматских глин
Выводы 132
Библиографический список
- Состав и свойства опытных образцов
- Изменение состава и свойств при выщелачивании
- Майкопские глины Северного Прикаспия
- Прогноз показателей прочности выщелоченных сарматских глин
Введение к работе
Актуальность работы. Сарматские глины распространены в южной части Восточно-Европейской платформы и на прилегающих к ней более молодых геологических структурах и являются основанием для инженерных сооружений в Молдове, Украине, РФ. Являясь структурно-неустойчивыми грунтами, сарматские глины при техногенном увеличении влажности изменяют свои строительные свойства вследствие диффузионного выщелачивания содержащихся в них солей, увлажнения и разуплотнения. Морские глины «a priori» считаются засоленными грунтами, так как накапливались в условиях повышенной солености морской воды. Изучением процессов выщелачивания и изменения инженерно-геологических свойств засоленных глин в нашей стране занимались различные исследователи в 60 -90-х годах прошлого столетия. Благодаря их работам было установлено, что при взаимодействии с пресной водой засоленные глины выщелачиваются, из них выносятся растворимые соли и происходят глубокие преобразования в ионно-солевом комплексе, сопровождаемые изменением их прочностных свойств.
Однако сарматские глины накапливались в условиях замкнутого морского бассейна при различной солености морской воды в его восточной и западной частях. На востоке образовались типично засоленные морские глины, а на западе в условиях пониженной солености морской воды накапливались морские незасоленные глины, содержащие менее 0,3 % водорастворимых солей. Актуальность исследований проявляется в том, что в условиях диффузионного выщелачивания изучались незасоленные морские сарматские глины, являющиеся основанием инженерных сооружений в Северном Причерноморье.
Идея работы заключается в том, что в ней на примере незасоленных сарматских глин уточняются и углубляются теоретические положения формирования состава и свойств морских глинистых пород и их изменение при выщелачивании на основе раскрытия и установления роли физико-химических процессов в системе поровая вода - порода, разработке которых посвящены исследования В. А. Приклонского, И. В. Попова, Е. М. Сергеева, В. И. Осипова, В. Д. Ломтадзе, а также И. Г. Коробановой, И. М. Горьковой, Н. П. Затенацкой, Р. С. Зиангирова и др.
Цель работы. Изучение основных закономерностей формирования состава и свойств незасоленных сарматских глин при диффузионном выщелачивании на основе анализа экспериментальных данных и опубликованных результатов исследований глин иной степени засоления.
Задачи исследований:
-
Дать общую характеристику условиям залегания, составу и свойствам сарматских глин междуречья Прут - Днестр.
-
Изучить вещественный состав и физико-механические свойства опытных образцов незасоленных сарматских глин и их изменение при диффузионном выщелачивании.
-
По опубликованным данным проанализировать особенности выщелачивания и изменения состава и свойств, засоленных глинистых пород различного возраста и генезиса.
-
Выявить и проанализировать основные отличительные особенности в характере физико-химических процессов, сопровождающих диффузионное выщелачивание и изменение состава и свойств незасоленных и засоленных глинистых пород.
-
Откорректировать существующую методику прогноза показателей прочности незасоленных сарматских глин с учетом наличия или отсутствия в их составе пирита.
Научная новизна результатов исследований заключается в следующем:
-
На примере сарматских отложений детально изучены незасоленные морские глины в условиях их диффузионного выщелачивания, получены качественные и количественные оценки показателей степени изменения их состава и физико-механических свойств.
-
Установлена определяющая роль пирита в характере химических процессов, протекающих в незасоленных глинах и в количественном изменении показателей их состава и свойств при диффузионном выщелачивании.
-
Выявлены основные различия в изменении состава и свойств незасоленных и засоленных глинистых пород при диффузионном выщелачивании.
Практическое значение работы состоит в том, что уточненная и дополненная методика прогноза показателей прочности незасоленных сарматских глин, подвергающихся длительному воздействию воды, может найти свое применение в практике инженерно-геологических изысканий при проектировании оснований зданий и сооружений на техногенно подтопляемых территориях и при расчетах устойчивости зданий и сооружений на крутосклонах и откосах. Результаты исследований также дают возможность определять методологический подход при лабораторных исследованиях в инженерно-геологических целях глинистых пород иного возраста и происхождения.
Основные результаты диссертационной работы используются в ВолгГАСУ при изучении студентами гидротехнической специальности дисциплин: «Инженерная геология», «Геоэкология» и «Инженерно-геологические изыскания для строительства»
Методология и методы исследований: в процессе выполнения исследований использовались теоретические обобщения по геологии, гидрогеологии, инженерно-геологическим свойствам пород, а также результаты лабораторного моделирования в диффузионной установке выщелачивания сарматских глин в количестве 30 опытов. Время выщелачивания каждого образца составило 3 - 4 месяца. Использованы результаты лабораторных исследований незасоленных сарматских глин, выполненные в различные годы в Институте геофизики и геологии АН
Молдовы и Северо-Кавказском филиале ПНИИИСа (г. Ставрополь) при производстве инженерно-геологических изысканий на различных объектах Молдовы и специальных работ по научно-исследовательской тематике АН Молдовы. Кроме этого, использован обширный опубликованный материал, в том числе результаты исследований по проблеме выщелачивания засоленных глинистых пород, выполненных в ПНИИИСе (г. Москва) и в СКФ ПНИИИСа (г. Ставрополь) в предыдущие годы.
Все вышеуказанные исследования имели одинаковую цель, выполнялись по единой методике, разработанной в ПНИИИСе, с применением одинаковых лабораторных методов, приборов и реактивов, что позволило не только детально изучить свойства незасоленных сарматских глин, но и сравнить полученные результаты с аналогичными данными для глин иного генезиса, возраста и степени засоления.
Личный вклад автора заключается в следующем:
-
Собран и проанализирован значительный объем опубликованной информации по условиям залегания, составу и физико-механическим свойствам сарматских глин на территории междуречья Прут - Днестр.
-
Обработаны результаты химических анализов фильтрата воды, и выявлены закономерности изменения его состава для различных образцов глин.
-
На основе анализа собственных данных и опубликованных результатов исследований выявлены основные закономерности изменения состава и свойств незасоленных и засоленных глинистых пород при выщелачивании.
-
По собственным эмпирическим данным рассчитаны оценки вероятностей прогнозного фактора «наличие в образцах пирита», для использования их при расчетах суммарных вероятностей наступления события по формуле Байеса.
-
Рассчитаны коэффициенты устойчивости к обводнению незасоленных сарматских глин и установлена их корреляционная зависимость от различных показателей состава и свойств для обоснования метода прогноза их прочности с учетом фактора наличия пирита.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Направленность химических процессов, сопровождающих выщелачивание незасоленных сарматских глин, в значительной степени зависит от наличия или отсутствия в их составе пирита, окисление которого обусловливает глубокие химические преобразования в ионно-солевом комплексе глин, следствием чего является увеличение содержания в породе гипса, карбонатов, аморфного кремнезема и других химических соединений, способствующих вторичной агрегации грунтовых частиц.
-
Основные различия в изменении состава и свойств незасоленных и засоленных глинистых пород при диффузионном выщелачивании заключаются в следующем. Незасоленные сарматские глины, не имеющие в своем составе пирита, по характеру химических преобразований и количественному изменению показателей состава и свойств при
диффузионном выщелачивании близки к засоленным четвертичным глинистым породам различного генезиса, а незасоленные сарматские глины, содержащие пирит, по аналогичным показателям близки к засоленным морским глинам различного возраста с одинаковой степенью дисперсности и агрегированности глинистой фракции.
3. При прогнозе прочности незасоленных сарматских глин методом вероятностных аналогий на основе типизации их по устойчивости к обводнению следует учитывать наличие в их составе мелкодисперсного пирита и полученные автором коэффициенты устойчивости к обводнению глин, имеющих в своем составе пирит и без него.
Степень достоверности и апробации результатов обеспечена большим количеством фактических данных, полученных в метрологически аттестованных лабораториях АН Молдовы, института «МолдГИИНТИЗ», СКФ ПНИИИСа, статистически представительными выборками данных, корректным применением методов обработки инженерно-геологической информации и непротиворечивостью основных выводов и полученных автором результатов по объектам диссертационных исследований.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 25 научных работах, в том числе: 6 - в изданиях, рекомендованных ВАК, и одна монография. Апробация работы осуществлена на 14 научных форумах. Материалы исследований обсуждались: на Всероссийской конференции «Проблемы геологии, планетологии, геоэкологии и рационального природопользования», г. Новочеркасск, 26 - 28 октября 2011; на годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии 14-е, 15-е и 16-е Сергеевские чтения, Москва, 22 марта 2012; 21 - 22 марта 2013; 21 - 22 марта 2014; на IV Международной научно-технической конференции, г. Волгоград, 13 - 14 октября 2011; на Международной научно - практической конференции «Научный потенциал молодых ученых для инновационного развития строительного комплекса Нижнего Поволжья», г. Волгоград, 24 декабря 2010; на Международной научно-практической конференции, Сочи, 14 - 19 мая 2012; на Международной научно-практической конференции «Современные проблемы географии, экологии и природопользования», г. Волгоград, 25 - 26 апреля 2012; на Международном научном форуме студентов, аспирантов и молодых ученых стран Азиатско-Тихоокеанского региона, г. Владивосток, 14 - 17 мая 2012; на Международной научно-практической конференции «Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе», г. Пермь, 26 - 28 апреля 2012; на XVI на Международном симпозиуме М. А. Усова студентов и молодых ученых, посвященном 110 лет со дня рождения профессора, г. Томск, 2 - 7 апреля 2012; на международной конференции «Оценка и управление природными рисками», г. Москва, 18 - 19 октября 2012; на VI Международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, г. Волгоград, 15 - 17 мая 2012; на 8-й Всеукраинской научно-технической конференции «Механика грунтов, геотехника и фундаментостроение», г. Полтава, 11 - 14 ноября 2013.
Состав и свойства опытных образцов
Изучение сарматских глин междуречья Прут - Днестр неразрывно связано с общегеологическими исследованиями территории, которые начались более 100 лет назад. Первые исследования геологического характера встречаются в работе Д. Кантемира «Описание Молдавии» и приурочены к первой половине XIX века. Несмотря на то, что геологическое описание Молдавии не являлось самоцелью, уже здесь встречаются сведения об основных типах грунтов, распространенных на данной территории: скальных, обломочных, глинистых. Изучением отдельных вопросов литологии и геологии в середине XIX века занимались: П.П. Свиньин, Р.Р. Мурчисон, Барбот де Марии, И.Ф. Синцов [95, 96] и др. Благодаря исследованиям этих геологов, уже в конце XIX века стало очевидным, что наиболее широким распространением на территории Молдавии пользуются неогеновые глины и лессовые покровные суглинки.
Планомерные исследования региона в конце XIX века и начале XX веков выполнялись экспедициями Геолкома (Г.П. Михайловский, Н.А. Григорович -Бердовский, Х.Н. Криштофович), отрядом МГУ под руководством О.К. Ланге, академиком Н.И. Андрусовым. Несмотря на то, что основной целью этих работ являлись общегеологические исследования, вопросам распространения сарматских глин уделялось достаточно много внимания, т.к. в большинстве своем они являлись причиной образования многочисленных оползней на территории Центральной Молдавии и в др. регионах. Наиболее значительной работой этого времени по сарматским глинам считается Карта распространения сарматского моря, составленная Н.И. Андрусовым [1].
В период с 1918 по 1940 годы, вследствие оккупации Бессарабии Королевской Румынией, геологические исследования здесь не проводились, а были сконцентрированы на левобережье Днестра - они выполнялись организациями АН СССР, Одесским, Харьковским университетами, Киевским гидрометериологическим институтом. Основные геологические работы того времени принадлежат Р.Р. Выржиковскому [9], В.Д. Ласкареву [46], В.И. Крокосу [43], Г.Ф. Лунгерсгаузену [48]. В этих работах были заложены основы стратиграфии неоген - четвертичных пород, используемые до настоящего времени.
Период с 1945 по 1960 годы знаменует собой начало работ по комплексному планомерному изучению природных ресурсов Молдавии. Создается целый ряд строительных проектных институтов, в которых концентрируется весь объем проектно - изыскательских работ для промышленно - гражданского строительства. В архивах этих организаций стал накапливаться большой материал по инженерно - геологическим условиям различных строительных площадок и свойствам грунтов, в т.ч. и сарматских глин. Кроме этого, в это же время выполняется геологическая съемка территории масштаба 1:200000 Четвертым геологическим управлением Комитета по делам геологии при СНХ СССР. Эти геологические работы так же сопровождались изучением инженерно - геологических свойств сарматских глин.
Таким образом, уже к концу 50 - х годов прошлого столетия в проектно -изыскательских организациях был накоплен материал об инженерно -геологических свойствах основных типов грунтов региона, в т.ч. и сарматских глин. Отдельные проектные институты имели возможность выполнять научные обобщения накапливаемого материала. Так, например в ГПИ «Молдгидрострой» Е.И. Баухом и Е.Г. Костиком в 1960 г. выполнена работа на тему: «Исследовательские работы по геологии для обоснования строительства в райцентрах МАССР». В дальнейшем, весь накопленный материал по свойствам сарматских глин анализировался и обобщался Институтом геофизики и геологии АН МССР, Кишиневским политехническим институтом и др. организациями. Стали появляться первые публикации по свойствам сарматских глин, как оснований зданий и сооружений и в связи с образованием в них оползней [41, 75].
В 60 - х годах продолжались работы по выполнению геологической съемки масштаба 1:200000. Научное руководство этими работами было сконцентрировано в Институте геофизики и геологии АН МССР. К этому времени относятся многочисленные публикации различных авторов, посвященные анализу состава и свойств сарматских глин: В.Х. Рошка, А.Н. Хубка, Е.З. Мицул [85, 86, 87, 88], Г.И. Устинова, С.С. Орлов [74, 75].
Во второй половине 70 - х годов происходит реорганизация изыскательских служб при различных проектных институтах. Все они объединены в региональный изыскательский институт «Молд ГИИНТИЗ» (1978 г.), в котором оказался сконцентрированным весь производственный и научный потенциал инженерно - геологических служб. Это позволило выполнять помимо изыскательских работ и научные инженерно -геологические исследования. К этому же времени относятся активизация работ по научным исследованиям сарматских глин, как основой образования оползней Молдавии. Этой проблемой занимались С.С. Орлов, Т.А. Тимофеева, Л.Т. Леваднюк и отдельные специалисты из ПНИИИСа, ВСЕГИНГЕО [3, 18, 73, 74, 75, 81, 98, 102].
В 1985 г. при институте Геофизики и геологии АН Молдавии была создана Лаборатория физико - механических свойств горных пород, которую возглавил А.М. Монюшко. Первой же бюджетной темой, которую стала выполнять лаборатория, была тема по изучению сарматских глин: «Исследовать физическое состояние, состав и физико - механические свойства основных регионально - генетических типов глинистых пород Молдовы, дать их инженерно - геологическую оценку в связи с водохозяйственным строительством и разработать рекомендации по их учету при проектировании». До сентября 1988 г. научным руководителем темы был А.М. Монюшко, а с сентября 1988 г. до конца темы (декабрь 1990 г.) – Ю.И. Олянский. Были организованы систематические планомерные исследования сарматских глин, их состава и свойств и изменения этих свойств, при длительном воздействии воды. Для выполнения исследований был задействован научный потенциал АН Молдовы и ПНИИИСа (Госстроя СССР). Отдельные эксперименты выполнялись сотрудниками лаборатории, изучение состава глин осуществлялось в грунтоведческой лаборатории СКФ ПНИИИСа, химические анализы грунта и фильтрата выполнялись специальным подразделением АН МССР.
Изменение состава и свойств при выщелачивании
Физические свойства. Изучались следующие основные показатели, отражающие состояние и физические свойства сарматских глин: природная влажность, влажность предела текучести, влажность предела раскатывания, число пластичности, пористость, коэффициент пористости, плотность в состоянии природной влажности, плотность «сухой» породы, степень влажности, показатель текучести, коэффициент естественной уплотненности. Результаты лабораторных анализов образцов глин приведены в табл. 3.8, статистические характеристики выборок глин не содержащих и содержащих пирит - в табл. 3.9.
Природная влажность W. Являясь одной из важнейших характеристик, природная влажность отражает степень дисперсности, минеральный состав, химические особенности, условия залегания глинистых пород и др. Значения влажности у образцов не содержащих пирит варьирует в пределах 0,14 – 0,49, у образцов содержащих пирит – 0,20 – 0,51, при средних значениях 0,23 и 0,31 соответственно. Такое распределение влажности является следствием различной дисперсности двух групп образцов (у образцов не содержащих пирит дисперсных частиц меньше).
Показатели пластичности WL, Wp, Jp . Показатели пластичности в отличие от природной влажности являются интегральным показателем глинистости пород и их засоления. Влажность предела текучести у образцов глин, не содержащих пирит изменяется от 0,30 до 0,78, у образцов содержащих пирит – 0,39 – до 0,79, при средних значениях 0,49 и 0,58 соответственно. Причина этому – различное содержание у образцов дисперсной фракции – меньше у образцов, не содержащих пирита, а больше – у образцов, содержащих пирит. Изменение влажности предела раскатывания аналогичное - меньше у образцов, не содержащих пирит, больше – у образцов содержащих пирит, или соответственно: 0,24 и 0,28 (средние значения). Число пластичности образцов соответствует критерию глин (по ГОСТ 25100-95) и составляет 0,25 и 0,29 соответственно для образцов двух вышеуказанных групп. Некоторые образцы не содержащие пирит по числу пластичности могут именоваться суглинками (0,14 Jp 0,17).
Пористость и коэффициент пористости n, e. Эти показатели глин являются одним из показателей степени ее уплотнения и зависят от ряда причин, таких, как: условия осадконакопления и литогенеза, механический и минеральный составы осадков, влажность и др. Влияние этих факторов различно по абсолютной величине и часто противоположно по знаку. Однако важнейшим показателем, определяющим пористость глин, является их влажность. Меньшую влажность имеют образцы глин не содержащих пирит, соответственно и пористость у них меньше: 28,1 – 56,5 % (среднее 39,4 %). Большая влажность у образцов содержащих пирит – и пористость у них больше: 34,4 – 59,6 % (среднее 45,2 %). Аналогичная зависимость имеет место и для коэффициентов пористости. Несмотря на различие в пористости обеих групп образцов, степень влажности Sr у них одинаковая – 0,97.
Плотность глин природной влажности является следствием их пористости и влажности, а следовательно большая у образцов глин не содержащих пирит: 1,78 – 2,14 г/см3 (среднее 2,09 г/см3) и меньшая у образцов глин содержащих пирит: 1,64 – 2,17 г/см3 (среднее 1,94 г/см3). Аналогично изменяется и плотность «сухого» грунтаd : у первой группы образцов – 1,47 – 1,95 г/см3 (среднее 1,67 г/см3), у второй – 1,11 - 1,79 г/см3 (среднее 1,50 г/см3).
По показателю текучести JL все образцы могут быть отнесены к твердым и полутвердым (с преобладанием первых). По коэффициенту естественной уплотненности Кd обе группы образцов различаются достаточно отчетливо. У образцов, не содержащих пирит коэффициент естественной уплотненности больше – 0,73 – 1,34 (среднее 1,03), у образцов содержащих пирит - меньше 0,61 – 1,55 (среднее 0,91), что указывает на более высокую степень литификации первой группы образцов.
Механические свойства и набухаемость. Изучены следующие свойства: величина свободного набухания и влажность набухания, давление набухания, модуль деформации и коэффициент сжимаемости, удельное сцепление, угол внутреннего трения, срезающее усилие при вертикальной нагрузке 0,1 МПа.
Набухаемость, это способность дисперсных пород увеличивать объем при взаимодействии с водой или растворами под действием адсорбционных, осмотических и капиллярных сил. Изучены два основных показателя набухаемости: величина свободного набухания и давление набухания. Величина свободного набухания при взаимодействии глинистых пород с водой изучалась в приборе ПНГ – 1 за критерий условной стабилизации деформации свободного набухания принята (в соответствии с ГОСТ 24143-80) деформация не более 0,01мм за 16 часов.
Майкопские глины Северного Прикаспия
Н.П. Затенацкой [22, 25, 26] изучались поровые воды майкопских и четвертичных глин элювиально-делювиального, алювиально-делювиального и делювиального генезиса Центрального Предкавказья. Длительное (до 280 сут.) выщелачивание майкопских глин привело к резкому снижению минерализации поровых вод с 49 до 0,4 г/л; к снижению содержания сульфат иона с 381 мг-экв до 0,6 мг-экв; хлор - иона с 417 мг-экв до 1 мг-экв. Состав поровых вод при этом изменился от сульфатно - хлоридного до гидрокарбонатно - кальциевого.
Поровые воды отжатые из засоленных четвертичных глин естественного состояния, сильно минерализованы – общая минерализация их составляет 23,3 – 103,9 г/л, по составу это сульфатно - хлоридные и хлоридносульфатные воды, реже магниево - натриевые и натриево - магниевые. При выщелачивании четвертичных засоленных глин степень и характер изменения солености и состав вод контролируются в основном продолжительностью опыта – временем взаимодействия дистиллированной воды с породой. Чем больше продолжительность опыта, тем сильнее выщелочена порода, для выполненных исследований это составило снижение минерализации поровых вод до 0,5 – 2,5 г/л. Содержание хлор – иона уменьшилось с 360 - 440 мг-экв/л до 0,6 - 0,9 мг-экв/л.
Выполненные исследования позволили Н.П. Затенацкой сделать следующие выводы: минерализация и состав поровых вод выщелоченных разностей глин зависят от многих факторов, среди которых наиболее важен – продолжительность процесса выщелачивания засоленных глин, их вещественный состав и, в частности, содержание в глинах гипса, различная скорость диффузионной подвижности ионов порового раствора, физического состояния породы (плотности, влажности и др.). Глины, содержащие поровые воды очень высокой минерализации (до 104 г/л) хлоридно - сульфатного и натриево - магниевого состава, образуются за счет вторичного засоления глин в условиях слабого водообмена – поступающая в засоленные глины пресная ирригационная вода активизирует процесс растворения гипса за счет чего в поровых водах накапливается сульфат - ион, а обменные реакции способствуют накоплению в поровых водах магний - иона.
Емкость поглощения и состав обменных катионов. Катионы порового раствора находятся в подвижном физико - химическом равновесии с обменными катионами, адсорбированными коллоидными частицами породы. Емкость поглощения майкопских глин составляет 24,7 мг-экв/100 г породы. В состав обменного комплекса входят: магний – 48 %; Na+ - 32 %; кальций – 17 %. Такое расположение ионов свидетельствует о морском происхождении глины [22]. У четвертичных элювиально-делювиальных и аллювиально -делювиальных глин емкость поглощения изменяется от 21 до 33 мг-экв/100 г породы. Наибольшая емкость поглощения наблюдается у слабоагрегированных разностей элювиальных четвертичных глин, обменные катионы которых расположены в ряд: Mg+2 Na+ Ca+2 K+.
При выщелачивании засоленных глин, содержащих в твердой фазе гипс, карбонаты кальция и магния, происходит перестройка в составе обменных катионов. В выщелоченных глинах (по сравнению с засоленными) резко увеличивается содержание обменного натрия – происходят обменные реакции между катионами поровых вод и обменными катионами - из поровых вод поглощается Ca+2, а в поровые воды переходит обменный Na+. Содержание обменного натрия у большинства образцов увеличивается и только у сильно выщелоченных разностей его содержание понижается. Обменные катионы выстраиваются в ряд: Ca+2 Mg+2 Na+ K+ - в сильно выщелоченных глинах, а на промежуточных стадиях выстраиваются в ряд: Mg+2 Ca+2 Na+ K+ и Mg+2 Na+ Ca+2 K+
Емкость поглощения при выщелачивании сильноагрегированных делювиальных глин понижается с 24 - 25 мг-экв/100 г пор. до 19 - 21 мг-экв/100 г пор., при выщелачивании слабоагрегированных элювиальных засоленных четвертичных глин, емкость поглощения увеличивается на 2 - 3 мг-экв/100 г породы. Исследования позволили Н.П. Затенацкой сделать выводы о том, что емкость поглощения не постоянная величина и контролируется как концентрацией поровых вод равновесного состава, так и степенью дисперсности. Изменение поглощающего комплекса происходит параллельно и в том же направлении, что и изменение равновесного порового раствора, подчиняясь закону действия масс.
Степень засоления глинистых пород определяется в соответствии с ГОСТ 25100-95. Засоленными считаются глинистые грунты, содержащие не менее 0,3 % солей. Степень засоления рассчитывается по результатам водных и солянокислых вытяжек. Сюда входят соли поровых вод, растворенных карбонатов и гипса, находящиеся в породе в твердой фазе, а так же часть обменных катионов. Результаты многочисленных анализов водных вытяжек засоленных глин по трассе Большого Ставропольского канала, были проанализированы Н.П. Затенацкой [22]. Четвертичные глины имеют засоленность 1,2 - 2,8 %, характер засоления в основном сульфатно - натриевой. При взаимодействии с водой глины выщелачиваются, что приводит к снижению их минерализации до 0,4 - 1,2 %. Степень выщелоченности составляет 0,25 - 0,60. При выщелачивании майкопских, сыртовых и хвалынских глин, степень засоления которых меньше и составляет 0,4 - 1,1 %, степень выщелоченности несколько больше и составляет 0,36 - 0,75, а содержание водорастворимых солей уменьшается до 0,3 - 0,6 % (табл. 4.1).
При выщелачивании устанавливаются новые подвижные равновесия с проявлением процессов растворения карбонатов и гипса за счет чего ионы SO4- 2 и Cа+2 поступают дополнительно в поровый раствор, а реакции обмена между катионами поровых вод и обменным комплексом глин способствуют вытеснению обменного Na+ и поступлению его в поровые воды. Преобладающему в поровых водах иону SO4- 2 продолжает оставаться противоион Na+ , и состав поровых вод остается, как и до опыта, сульфатно -натриевый.
Прогноз показателей прочности выщелоченных сарматских глин
В основу прогноза показателей прочности сарматских глин междуречья Прут - Днестр при их длительном взаимодействии с водой вследствие диффузионного выщелачивания Ю.И. Олянским положена их инженерно -геологическая типизация по устойчивости к длительному воздействию воды [51]. В соответствии с этой типизацией все глины разделены на 4 типа в зависимости от коэффициента устойчивости (Куст) к обводнению, определенному по срезающему усилию 0,1 [64, 79].
Прогнозное значение показателей прочности выщелоченной глины (с и ф) определяется путем умножения значений полученных по ГОСТированной методике для образцов природного сложения и влажности на указанные корректировочные коэффициенты. Выполненные исследования показали, что наличие в незасоленных и слабозасоленных сарматских глинах пирита оказывает существенное влияние на химические процессы, сопровождающие диффузионное выщелачивание и, как следствие, на конечные значения показателей прочности глин. Вследствие этого, рассчитаны новые значения корректировочных коэффициентов (коэффициентов устойчивости Кс и К ) для двух групп образцов: не содержащих в своем составе пирита и содержащих пирит (табл. 5.5). Таким образом, прогнозное значение показателей прочности незасоленных сарматских глин с учетом наличия или отсутствия в их составе пирита может определяться с использованием этих коэффициентов.
В монографии А.Н. Богомолова и Ю.И. Олянского [7] приводится разработанная авторами методика прогноза прочности сарматских глин междуречья Прут - Днестр в основаниях инженерных сооружений при длительном обводнении. Указанный метод прогноза изменения показателей прочности глин в условиях длительного воздействия воды основывается на использовании ограниченного числа показателей свойств глин (факторов прогнозирования), таких, как: природная влажность W, предел текучести WL, плотность «сухого» грунта pd, величина свободного набухания ssw. Предлагаемая методика позволяет определить тип глин по устойчивости к обводнению (по Ю.И. Олянскому) и рассчитать прогнозные значения показателей прочности глин после их диффузионного выщелачивания.
Для определения типа глин по устойчивости к обводнению авторы [7] предлагаются таблицы эмпирических оценок вероятностей прогнозных факторов (W, WL, pd , ssw) для региона - аналога. Определение типа глин по устойчивости к обводнению может выполняться с использованием метода вероятностных аналогий, в основе которого лежит теорема Байеса, формулирующаяся следующим образом. Пусть A], A2...Aj - попарно несовместимые события, хотя бы одно из которых обязательно наступит, Bt -некоторые события. Тогда вероятность реализации событий Aj , при условии, что наступит событие Bt, выражается формулой:
Для учета наличия в составе сарматских глин пирита, количество прогнозных факторов, рекомендованные авторами [7] (W, WL, pd, ssw), предлагается увеличить до пяти за счет показателя характеризующего присутствия в образцах глин пирита. Вследствие этого таблица эмпирических оценок вероятностей будет иметь следующий вид (табл. 5.6). Авторами монографии [7] приводится пример расчета прогнозных значений показателей прочности толщи сарматских глин после их выщелачивания со
Авторы рассчитали прогнозные значения показателей прочности толщи глин после диффузионного выщелачивания на основе предлагаемой ими методики: Свн = 0,025МПа; срвн =11 град. Вследствие того, что использованный метод не учел присутствие или отсутствие в составе сарматских глин пирита, расчет предлагается продолжить с использованием прогнозных факторов из табл. 5.6. С учетом пятого прогнозного фактора (наличие пирита) и других корректировочных коэффициентов (табл. 5.5) получены новые нормативные значения показателей прочности указанной толщи сарматских глин (табл. 5.7).
