CC BY
34
УДК 624.131.1. (571.5)
МИКРОСТРУКТУРА И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ (ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ КЛАСТЕРНОГО АНАЛИЗА)
Т.Г. Рященко1, Ю.В. Чернышова2
Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Рассматриваются количественные связи между параметрами микроструктуры и физико-химическими свойствами глинистых грунтов, оценка которых дана с помощью программы «Кластер-анализ» R-типа на примере супесчаного разреза Икубур (Тункинская впадина), озерных неогеновых глин (о. Ольхон) и делювиальных лессовидных суглинков (Верхнее Приангарье). Параметры микроструктуры определялись по разработанному в Институте земной коры СО РАН методу структурных диаграмм «Микроструктура». Из группы физико-химических свойств изучались: относительное набухание, усадка, пределы и число пластичности. На основании шести вариантов гра-фиков-дендрограмм выявлено отсутствие существенных связей между набуханием и усадкой, установлено, что фактором влияния для набухания является реальная глинистость грунта, для усадки - коэффициент свободы тонкоглинистой (< 0,001 мм) фракции. Ил. 6. Библиогр. 7 назв.
Ключевые слова: грунт; микроструктура; физико-химические свойства; коэффициент корреляции; график-дендрограмма; набухание; усадка; пластичность.
MICROSTRUCTURE AND PHYSICAL AND CHEMICAL PROPERTIES OF CLAY SOILS (CLUSTER ANALYSIS APPLICATION EXPERIMENT) T.G. Ryashchenko, J.V. Chernyshova
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.
The authors considered the quantitative relationship between microstructural parameters and physico-chemical properties of clay soils. The assessment of the last was performed by the program of "Cluster analysis» R-Type on example of sabulous open-cast Ikubur (Tunkinskaya depression), Neogene lacustrine clays (Olkhon island) and dealluvial loess-like loams deluvial (Upper Angara). The parameters of the microstructure were determined by the method of structural diagrams "Microstructure"developed at the Institute of Earth Crust SB RAS. A relative swelling, shrinkage, limits and the number of plasticity were studied from the group of physical and chemical properties. Based on the six options for dendrogram- graphs the authors did not reveal any significant relationship between the swelling and shrinkage. It was determined that the influence factor for swelling is a real clayiness of the soil while for shrinkage is the correlation coefficient of fine loamy fraction (<0.001 mm). 6 figures. 7 sources.
Key words: soil; microstructure; physical and chemical properties; correlation coefficient; dendrogram graph; swelling; shrinkage; plasticity.
Микроструктура глинистых грунтов отражает пространственную организацию вещества, которая характеризуется совокупностью морфометрических, геометрических и энергетических (тип структурных связей) признаков [3]. Основным способом изучения микроструктуры длительное время являлся оптический метод, когда в петрографических шлифах определялись указанные признаки. Качественный скачок произошел благодаря появлению современных физических методов исследования - рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии. В настоящее время наиболее информативные результаты дает растровая электронная микроскопия - РЭМ [4].
В грунтоведческой группе Аналитического центра
Института земной коры СО РАН разработан и успешно применяется метод структурных диаграмм (новое название - «Микроструктура») [5, 6, 7]. Он основан на результатах гранулометрического анализа, который выполняется пипеточным методом с двумя способами подготовки образца: агрегатным (взбалтывание в воде - разрушаются только водонеустойчивые агрегаты) и дисперсным (кипячение с пирофосфатом натрия - происходит максимальное разрушение агрегатов) [2]. Затем рассчитываются коэффициенты микроагре-гатности (Кма), представляющие собой разность содержания каждой фракции, определенного при анализе с дисперсной и агрегатной подготовкой образца. Расчеты ведутся для всех шести фракций - средне-
1Рященко Тамара Гурьевна, ведущий сотрудник Института земной коры СО РАН, доктор геолого-минералогических наук, профессор кафедры гидроэкологии, инженерной геологии и геоэкологии ИрГТУ, тел.:(3952) 426133, e-mail: ryashenk@crust.irk.ru
Ryashchenko Tamara Gurievna, leading researcher at the Institute of Earth Crust SB RAS, Doctor of geological and mineralogical sciences, professor of the chair of Hydroecology, Engineering Geology and Geoecology, tel.: (3952) 426133, e-mail: rya-shenk@crust.irk.ru
2Чернышова Юлия Владимировна, аспирант, тел.: (3952) 405236. Chernyshova Julia Vladimirovna, postgraduate student, tel.: (3952) 405236.
крупнопесчаной (1,00-0,25 мм), тонко-мелкопесчаной (0,25-0,05 мм), крупнопылеватой (0,05-0,01 мм), мел-копылеватой (0,010-0,002 мм), грубоглинистой (0,0020,001 мм) и тонкоглинистой (< 0,001 мм). Значения коэффициентов микроагрегатности с отрицательным знаком показывают количество агрегатов соответствующей размерности (содержание фракции уменьшается за счет разрушения этих агрегатов), с положительным - содержание фракции в составе агрегатов (при их разрушении частицы меньших размеров освободились и составили прибавку соответствующей фракции). Кроме того, можно рассчитать для каждой фракции долю первичных (свободных)и захваченных в агрегаты (несвободных) частиц и их соотношение -коэффициент свободы (Р1-6). Участие различных частиц в строении агрегатов определяется по степени снижения этого коэффициента: чем меньше коэффициент, тем больше частиц находится в агрегатах. В зависимости от количества агрегатов (А,%) устанавливается тип микроструктуры грунта.
Известно, что данные об особенностях микроструктуры дисперсных грунтов составляют базовый информационный блок современного грунтоведения, поскольку эти особенности нередко управляют различными свойствами грунтовых толщ. Задача наших исследований заключалась в том, чтобы выяснить характер взаимосвязей между показателями физико-химических свойств и параметрами микроструктуры глинистых разновидностей. Объектами изучения явились образцы циклично построенного супесчаного разреза Икубур мощностью до 3 м и пылеватые супеси из расчисток в стенке оврагов, представляющие четвертичный нерасчлененный делювиальный комплекс отложений - с10 (Тункинская впадина, район д. Еловка). Одновременное определение набухания, усадки, пластичности и микроструктурных параметров (расчеты велись по методу «Микроструктура») этих образцов позволили составить матрицу данных и провести анализ их взаимосвязей (п - количество образцов, т - количество признаков-показателей). Для этой цели мы впервые использовали программу кластерного анализа Р-типа [6], постепенно расширяя набор признаков-показателей (т). На графиках-дендрограммах (рис. 1-6) по горизонтальной оси указан коэффициент корреляции между признаками.
Кластер Р 1,0 0,8 0,6 Еблл/ | А -1 Уу - 0,4 0,2 0,0 -0,2 -0,4 -0,6 -0,8 -1,0
Рис. 1. Взаимосвязи набухания, агрегированности и усадки (п =12; т = 3)
Кластер Р
1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 -0,2 -0,4 -0,6 -0,8 -1,С
№у
М8
Бэш
Уу
А
1111111
I I I
Рис. 2. Взаимосвязи влажности пасты, реальной глинистости, агрегированности, набухания и усадки (п = 12; т = 6)
Ь-
Кластер К
1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 -0,2 -0,4 -0,6 -0,8 -1,0 11111111111 № -1
№ -1_
№н Кгл № М8 М11
Уу
Р6
ЕБЛ -А
Рис. 3. Взаимосвязи влажности пасты, параметров микроструктуры, набухания и усадки (п = 12; т = 11)
Кластер Р
1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 -0,2 -0,4 -0,6 -0,8 -1,0
-г-Г-Г1-Г1-г
А
М8
Ебш
Уу
М11 Кгл
Рис. 4. Взаимосвязи параметров микроструктуры, набухания и усадки (п = 32; т = 6)
■Кластер ((
1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 -0,2 -0,4 -0,6 -0,8 -1,0
I-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1
№п 1Р
№у
М8 М11
Уу
Р6 ЕБЛ Кгл А
ь
3-1
Рис. 5. Взаимосвязи влажности пасты, параметров микроструктуры и показателей физико-химических свойств (п = 12; т = 11)
При т = 3 (рис. 1) набухание (Esw) оказалось существенно (коэффициент корреляции + 0,65) связанным с количеством агрегатов (А), усадка (Уу) имела слабые связи (+ 0,4) с агрегированностью отложений и их набуханием.
Кластер е
1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 -0,2 -0,4 -0,6 -0,8 -1,0 I-1-1-
М8
1Р
Уу
Р6
ESw
А
т-1-Г
1-1-1
Рис. 6. Взаимосвязи параметров микроструктуры и показателей физико-химических свойств глинистых грунтов (п = 12; т = 6)
При т = 6, когда в матрицу были введены влажность пасты, при которой определялось набухание (№п), и влажность, при которой определялась усадка (№у), а также реальное содержание глинистой (< 0,002 мм) фракции (М8 - свободные и находящиеся в составе агрегатов частицы), картина получилась иная:
первая группа объединила влажности пасты и реальную глинистость (положительный коэффициент корреляции в пределах 0,75-0,38), вторая - набухание и усадку (отмечен слабый уровень положительной связи - 0,35), группы занимают самостоятельное положение, признак агрегированности (количество агрегатов - А) оказался за пределами кластеров (рис. 2).
Увеличив число признаков до 11, мы получили следующую их кластеризацию: первая группа объединила все влажности и примкнувшую к ним реальную глинистость (уровень положительной связи от 0,98 до 0,35) и пылеватость (уровень связи + 0,2); во вторую группу попали усадка, коэффициент свободы тонкоглинистой фракции (Р6) (коэффициент корреляции + 0,4) и набухание (+ 0,2); признак агрегированности занял прежнее самостоятельное положение (рис. 3). Выделенные группы не обнаруживают связи, значит, влажность пасты при определении набухания и усадки особой роли не играет.
Для сравнения была использована матрица, составленная для 32 образцов глинистых грунтов, включающих 12 объектов Тункинской впадины и 20 - из районов о. Ольхон (неогеновые озерные глины) и Верхнего Приангарья (лессовые грунты верхнечетвертичного делювиального комплекса), коллекция Е.А. Козыревой и О.В. Мазаевой (рис. 4). Здесь не учитывались влажности, но присутствовали параметры микроструктуры. Оказалось, что выделения кластеров не произошло, признаки объединились следующим образом: агрегированность, реальная глинистость и набухание имели положительные связи на уровне 0,9-0,7 (сильная степень прямого взаимовлияния), к ним присоединились усадка и степень пылеватости (уровень связи значительно ниже - 0,45-0,30), коэффициент глинистости (Кгл) - вне сферы влияния исследованных показателей (Кгл = М8/М9, где М8 - реальное содержание фракции < 0,002 мм, М9 - содержание этой же фракции по данным стандартной гранулометрии).
Далее в матрицу данных (это объекты из района Тункинской впадины), кроме набухания (Еsw), усадки (Уу) и влажности пасты ^п , а также микроструктурных параметров грунта (А, М8, Р6, М11, Кгл), были включены число пластичности (1р) и предел текучести (№). На дендрограмме Р-типа в этом случае признаки объединились в три группы: первая включала влажности, число пластичности (уровень положительной связи значительный - 0,95-0,55), реальную глинистость и общую пылеватость (уровень связи снижается до + 0,3), вторая - усадку и коэффициент свободы тонкоглинистой фракции, третья - набухание и коэффициент глинистости (уровень положительной связи 0,5-0,4), самостоятельное положение традиционно занял признак агрегированности (А) (рис. 5). Выделенные группы практически не связаны между собой, то есть пластичность, набухание и усадка имеют свои собственные факторы влияния, что и требовалось доказать.
В заключение мы проанализировали взаимосвязи показателей физико-химических свойств глинистых грунтов и параметров их микроструктуры, исключив фактор влажности (рис. 6). Проявились примерно те
же самые зависимости (см. рис. 5): количество агрегатов - вне сфер влияния, пластичность связана с реальной глинистостью (коэффициент корреляции + 0,35), усадка - с коэффициентом свободы тонкоглинистой фракции (+ 0,40), набухание находится в одной группе с усадкой, но уровень его связи снижается до + 0,25. Первая и вторая группы признаков практически самостоятельны.
На основании анализа графиков-дендрограмм (см.рис. 1-6) можно сделать следующие выводы.
• При отсутствии в матрице влажности и многочисленных микроструктурных параметров (остается только один - количество агрегатов) фиксируется существенная связь набухания грунта со степенью его агрегированности (влияет резерв глинистых частиц, которые находятся в агрегатах), усадка не обнаруживает подобных связей, в том числе и с набуханием (см. рис. 1).
• При введении в матрицу данных о влажности и реальной глинистости (это общее содержание частиц < 0,002 мм, находящихся в составе агрегатов и свободном состоянии) влияние агрегированности исчезает, взаимосвязи набухания и усадки остаются слабыми (см. рис. 2).
• Увеличение количества микроструктурных параметров в матрице не изменяет самостоятельного положения степени агрегированности грунта (она по-прежнему не обнаруживает влияния на остальные признаки); фиксируется взаимосвязь усадки и коэффициента свободы тонкоглинистой фракции (коэффициент корреляции + 0,40) - увеличение содержания свободных частиц способствует ее возрастанию; связи набухания и усадки несущественны (+ 0,2); обнаруживается тесно связанная группировка влажности с реальной глинистостью, общей пылеватостью и коэффициентом глинистости, однако усадка и набухание в эту «компанию» не попадают (см. рис. 3).
• Расширение объема выборки до 32 объектов (были добавлены 20 образцов глинистых грунтов, отобранных на о.Ольхон и в районе Верхнего Приангарья) и включение в число признаков только параметров микроструктуры и физико-химических свойств привело к изменению характера их взаимосвязей: группы здесь отсутствуют, самостоятелен коэффициент глинистости (Кгл), агрегированность (А) и реальная глинистость (М8) оказались тесно связанными с набуханием (фиксируется положительный коэффициент корреляции в пределах 0,9-0,7) (см. рис. 4).
• Пластичность, набухание и усадка имеют свои собственные факторы влияния: для пластичности это реальная глинистость, для усадки - коэффициент свободы тонкоглинистой фракции, для набухания - коэффициент глинистости (см. рис. 5).
• Если не учитываются влажность пасты и предел текучести грунта, то физико-химические свойства и факторы, оказывающие на них влияние, располагаются следующим образом: пластичность связана с реальной глинистостью, усадка - с коэффициентом свободы тонкоглинистой фракции, набухание с указанными признаками связано слабо (+ 0,22), количе-
ство агрегатов - самостоятельный признак (см. рис. 6).
Итак, на основании приведенных многочисленных вариантов графиков-дендрограмм следует отметить следующие моменты. Во-первых, набухание и усадка не имеют существенных взаимосвязей. Во-вторых, включение в число объектов исследований различных геолого-генетических комплексов отложений разной степени агрегированности (четвертичного нерасчле-
Библиографический список
ненного делювиального - супеси Тункинской впадины, верхнечетвертичного делювиального - лессовые породы Верхнего Приангарья и неогенового озерного -глины о. Ольхон) выдвигает на первое место в качестве фактора влияния для набухания количество агрегатов. В-третьих, усадка обнаруживает связи с коэффициентом свободы тонкоглинистой фракции, набухание - с реальной глинистостью.
1. Данилов Б.С. Кластерный анализ в EXCEL // Строение литосферы и геодинамика. Иркутск: ИЗК СО РАН, 2001. С. 18-19.
2. Ломтадзе В.Д. Физико-механические свойства горных пород. Методы лабораторных исследований. Л.: Недра, 1990. 327 с.
3. Осипов В.И. Понятие «структуры грунтов» в инженерной геологии // Инженерная геология. 1985. № 3. С. 4-18.
4. Осипов В.И., Соколов В.Н., Румянцева Н.А. Микроструктура глинистых пород. М.: Недра, 1989. 211 с.
5. Рященко Т.Г., Акулова В.В., Соколов В.Н. и др. Анализ микроструктуры лессов из района Северного лессового плато Китая // Геоэкология. 2000. № 3. С. 234-240.
6. Рященко Т.Г., Ухова Н.Н. Химический состав дисперсных грунтов: возможности и прогнозы (юг Восточной Сибири). Иркутск: ИЗК СО РАН, 2008. 131 с.
7. Рященко Т.Г., Ухова Н.Н., Слагода Е.А. Изучение проблемных геолого-литологических разрезов глинистых отложений с применением грунтоведческих критериев // Отечественная геология. 2009. № 4. С. 61-67.
УДК 574
ОЦЕНКА И ПРОГНОЗ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ РИСКОВ НЕФТЕБАЗЫ В ИРКУТСКОЙ ОБЛАСТИ
С.С. Тимофеева1, С.С. Тимофеев2
Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова,83.
Представлены результаты оценки эколого-экономического ущерба в процессе эксплуатации нефтебазы, рассмотрены методики оценки экологических рисков и технологии их минимизации. Ил 2. Табл 4. Библиогр. 6 назв.
Ключевые слова: нефтебазы; экологические риски; методы прогноза.
ASSESSMENT AND FORECAST OF ENVIRONMENTAL RISKS OF AN OIL DEPOT IN IRKUTSK REGION S.S. Timofeeva, S.S. Timofeev
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.
The authors present the results of the evaluation of ecological and economic damage in the operation of an oil depot. They consider the procedures to assess environmental risks and technologies to minimize them. 2 figures. 4 tables. 6 sources.
Key words: oil depots; environmental risks; forecast methods.
Современный этап развития цивилизации создал общество риска. Риски постоянно производятся обществом, причем это производство легитимно и осуществляется абсолютно во всех сферах жизнедеятельности - экономической, политической, социальной. Риски - неизбежные продукты машины под названием «принятие решений». В последнее десятилетие мир изменился и перешел в новую информационную реальность, то есть из индустриального превратился в «общество рисков» [1]. Общество риска, по нашему мнению, является новой парадигмой развития. Ее суть состоит в том, что господствующая в индустриальном
обществе «позитивная» логика общественного производства, заключающаяся в накоплении и распределении богатства, все более вытесняется «негативной» логикой производства. Расширяющееся производство сопровождается накоплением отходов, загрязнением окружающей среды, отчуждением огромных территорий, возникновением множества аварийных ситуаций. Создается эффект «отрицательной» синергии, когда риски наслаиваются друг на друга, усиливают негативные последствия, в результате резко снижается безопасность - состояние защищенности элементов природной среды.
1Тимофеева Светлана Семеновна, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности, тел.: 8(3952)405106.
Timofeeva Svetlana Semenovna, Doctor of technical sciences, professor, head of the chair of Industrial Ecology and Safety of Life Activity, tel. 8(3952)405106.
2Тимофеев Семен Сергеевич, старший преподаватель кафедры промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности, тел.: (3952)405671.
Timofeev Semen Sergeevich, senior lecturer of the chair of Industrial Ecology and Safety of Life Activity, tel.: (3952)405671.
