О структуре и свойствах глинистого грунта с оползнеопасного участка Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

sleeve volume on the high and middle temperature Keywords: tool, machining of holes, thermal

zone, is developed. distortion, the error.

УДК 553.611

КАНИН В.А., д.т.н., с.н.с (РАНИМИ, г. Донецк), ПАЩЕНКО А.А. (РАНИМИ, г. Донецк), ПАЩЕНКО А.В. (РАНИМИ, г. Донецк)

О структуре и свойствах глинистого грунта с оползнеопасного участка

Kanin V.A., d.t.n., s.n.s (RANIMI, Donetsk), Pashchenko A.A. (RANIMI, Donetsk), Pashchenko A.V. (rANIMI, Donetsk)

About the structure and properties of clayey soil from the landslide area

Постановка проблемы

Во всем мире с повышением антропологической деятельности

усиливается негативное влияние опасных геологических процессов природного и техногенного характера в виде наводнений и оползней. Эти явления сопровождаются

значительными затратами

материальных ресурсов и гибелью людей.

Оползень, или смещение наклонной плоскости масс грунта с вершины или склона возвышенности к подошве под действием силы тяжести возникает, как правило, там, где имеются глинистые грунты. Влияние атмосферных осадков, поверхностной гидросферы и грунтовых вод приводит к постоянному изменению

устойчивости таких грунтов, в результате происходит оползень.

Согласно международной

статистике до 80 % оползней в наше время связаны с деятельностью человека. С конца 20-го столетия

значительно ухудшилась ситуация с оползнями в Днепропетровске, Днепродзержинске, в Крыму, на Причерноморском и Приазовском побережье. Проблема оползней коснулась и Донецкого региона, когда в конце 90-х годов прошлого века произошли многочисленные оползни грунта в Святогорске, Приазовском побережье. Последние затронули не только безлюдное побережье, но жилые и промышленные строения в городах и поселках, расположенных на берегу Азовского моря, коснулись и железнодорожных путей, что является чрезвычайно опасным и может привести к значительным человеческим жертвам.

Так, семь пассажирских поездов были задержаны из-за схода оползня в 2015 г. близ г. Сочи. Прибывшие на место события железнодорожники и специальная техника оперативно устранили последствия схода оползня на железнодорожные пути со стороны моря. Юго-западная железная дорога близ г. Киева пострадала от оползня. Железная дорога Tua в Северной

Португалии функционировала с 1887 г. и была закрыта в 2008 году из-за значительного оползня. В Италии оползень засыпал поезд.

Исследования глинистых грунтов показали, что они относятся к тонкодисперсным несцементированным осадочным горным породам,

важнейшими характеристиками

которых являются: пластичность, усадка, набухание, гидрофильность, гигроскопичность и вспучивание. Эти свойства глины характеризуют ее склонность к взаимодействию с водой и определяются химическим составом, строением и дисперсностью частиц входящих в нее глинистых минералов, вследствие этого каждая глинистая порода обладает своей

индивидуальностью.

Для реального противостояния разупрочнению глинистого грунта при увлажнении с целью повышения устойчивости оползневого массива необходимо всестороннее изучение свойств образцов грунтов, образующих оползневый массив, комплексный анализ различных факторов,

исследуемых химическими, физико-химическими, геологическими,

геофизическими, геохимическими и другими методами и разработка мер повышения его устойчивости.

Анализ последних публикаций

Из ранее проведенных исследований известно, что глины состоят из алюмосиликатов - глинистых минералов со слоистой структурой, имеющих размеры частиц менее 10 мкм [1, 2]. Для большинства глин и их примесей размер частиц составляет: для алюмосиликатов - меньше 0,005 мм; для гидрооксидов алюминия и железа -меньше 0,001 мм; для органических

(гумусовых) веществ - менее 0,0001 мм [1]. Известно также, что основными компонентами всех глин являются диоксид кремния ^Ю2), оксид алюминия (АЬОз) и вода (Н2О), содержание которой определяет влажность пород.

Цель статьи

Каждая глинистая порода обладает своей индивидуальностью, поэтому при разработке мер по повышению устойчивости оползнеопасного горного массива необходимо изучить строение, состав и физико-механические свойства каждого из грунтов, взятых непосредственно из тела исследуемого оползня.

Основная часть

Предметом исследования в

данной работе являются образцы глины, отобранной из тела оползня, расположенного в балке Самарина на берегу Азовского моря возле пос. Рыбацкий Донецкой области, что показано на рисунке 1.

- .(-яшотраеневое

-сЧервоное Поле д,Поселок ^Рыбацкий оМелекмио

оЯлта

Рис. 1 - Расположение места отбора образцов глинистого грунта из тела оползня

Глинистые грунты на берегу Азовского моря локально неустойчивы, из-за большого количества выпадающих осадков в виде дождя и снега, что вызывает разупрочнение грунтового массива и его разрушение, которое проявляется в виде оползней, оплывин и потоков. Для предотвращения процесса разупрочнения грунта при увлажнении и повышения устойчивости оползневого массива необходимо всестороннее изучение свойств образцов грунтов, образующих оползневый массив, и разработка мер повышения его устойчивости.

Для измерения влажности грунтов, отобранных из тела оползня, нами были использованы термостатно-весовой и гравиметрический методы анализа согласно ГОСТ 5180-75 [3]. В качестве оборудования применяли влагомер AXIS ADS 50, весы AXIS AD 600 и ВНЭ 6, сушильный шкаф СНОЛ 67/350.

Исследования аншлиф-брикетов показали, что глинистые вещества входят в состав оползнеопасной глины в небольшом количестве (16,0-16,2 %), имеют тонкозернистое строение, состоят из частиц темно-коричневого или черного цвета и имеют размеры 4100 мкм. Глинистые вещества обладают непрочной структурой и размываются при полировке брикета. Породы, входящие в состав глинистого вещества, отличаются сложностью

минералогического состава и, кроме глинистых минералов - каолинита, монтмориллонита, гидрослюды и др., содержат кварц, полевые шпаты,

Для определения состава и строения оползнеопасной глины верхнечетвертичного отложения QП1, отобранной из тела оползня, расположенного на берегу Азовского моря, нами были проведены исследования образцов методами петрографического и эмиссионного спектрального анализа [4].

При изучении глинистых минералов петрографическим методом нами установлено, что в состав образцов исследуемого грунта входят глинистые вещества, каолинит, кварц, пирит и уголь. Исследования аншлиф-брикетов проводили согласно ГОСТ 9414-93 [5] в воздушной среде, в отраженном поляризованном свете с использованием оптического

микроскопа типа МИМ-8Г фирмы ЛОМО (х280). Результаты

петрографических исследований и подсчета частиц приведены в таблице 1.

карбонаты, железистые и органические примеси.

Петрографические исследования образцов оползнеопасной глины показали, что каолинит входит в состав исследуемых образцов грунта в качестве основного (79,0-79,3 %) минерала. Он характеризуется частицами с размером от 20 мкм до 1600 мкм. Каолинит в исследуемых образцах представляет комковатый в изломе, выламывающийся при полировании брикета мягкий материал светло-палевого, сероватого или красноватого цвета. Каолинит жирный на ощупь, имеет слоистую структуру,

Таблица 1

Результаты петрографического анализа оползнеопасной глины_

Проба Глинистое вещество, об. % Каолинит, об. % Кварц, об. % Пирит, об. % Уголь, об. %

№ 1 16,0 79,0 3,0 1,0 1,0

№ 2 16,2 79,3 2,6 0,7 1,2

которая придает глинам и каолинам свойство пластичности. Он обладает низкой прочностью, его твердость по минералогической шкале равна 1, а плотность 2540-2600 кг/м3. При нагревании каолинита до 500-600 °С он теряет воду, а при 1000-1200 °С разлагается с выделением тепла и образованием вначале силлиманита, а затем муллита - основы керамического производства.

Исследования образцов глины показали, что в ее состав входит кварц, который является составной частью глины и присутствует в количестве 2,63,0 %. Он представлен темно-серыми зернами в виде полуокатанных округлых и угловатых кристаллов, имеющих размеры от 15 до 180 мкм.

В качестве примеси глинистые минералы содержат пирит, который входит в её состав в виде кристаллов ярко желтого цвета, или в виде отдельных скоплений частиц размером до 40 мкм в количестве (0,7-1,0 %). Также в состав глины, в качестве примеси, входит уголь (1,0-1,2 %), находящийся в виде обломков различных форм и размеров (до 60 мкм).

Размер глинистых частиц влияет на физико-механические свойства глины, чувствительность к действию воды или других реагентов. Поэтому при изучении физико-механических свойств необходимо знать не только химический состав, строение, но и дисперсность частиц, содержащихся в глине. Петрографические исследования образцов оползнеопасной глины показали, что основным минералом, входящим в состав исследуемых образцов грунта, является каолинит, но они не дали ответ о дисперсном составе глинистых минералов. Поэтому для определения более точного

гранулометрического состава породы

нами был проведен седиментационный анализ водной суспензии глины ареометрическим методом [6]. Результаты седиментационного анализа и расчета гранулометрического состава приведены в таблице 2.

Таблица 2

Гранулометрический состав образцов глины, отобранных из тела оползня

Фракция, мм Содержание, %

0,075-0,050 0,6

0,050-0,030 0,9

0,030-0,020 2,5

0,020-0,015 1,9

0,015-0,007 5,8

0,007-0,005 6,5

0,005-0,004 9,8

0,004-0,003 3,1

0,003-0,001 24,2

< 0,001 34,8

Действие воды на образцы приводит к потери механической прочности глины за счет образования на ее поверхности аква-комплексов и менее прочных водородных связей вместо ионных. Удельная поверхность, то есть площадь поверхности раздела двух фаз - твердой и газообразной (сухая глина), твердой и жидкой (влажная глина или суспензия) зависит от размера глинистых частиц.

Там, где есть поверхность раздела между двумя фазами, возникают Ван-дер-Ваальсовы силы, которые являются причиной взаимодействия двух сред. Если взаимодействие жидкости, растворенного вещества или газа (адсорбата) с поверхностью вещества (адсорбента) происходит только за счет Ван-дер-Ваальсовых сил, то такое взаимодействие называют «обычной», либо физической адсорбцией. Адсорбция, осложнённая химическим взаимодействием между адсорбентом и

адсорбатом, называют хемосорбцией или химической адсорбцией. В качестве адсорбентов могут выступать разнообразные материалы и природные минералы с высокой удельной поверхностью.

Физическая адсорбция

определяется процессами адсорбции и десорбции молекул адсорбтива с поверхности и на поверхность адсорбента [7, 8]. Скорость адсорбции зависит от концентрации адсорбтива и площади вакантных мест на поверхности адсорбента. Измерения количества различных веществ, адсорбированных оползнеопасной глиной, позволяют рассчитать величину удельной поверхности адсорбента -глины.

Для измерения удельной поверхности образцов глины, отобранной из тела оползня, использовался метод удельной поверхности дисперсных и пористых материалов БЭТ [9]. Результаты измерения удельной поверхности оползнеопасной глины методом БЭТ приведены в таблице 3.

При измерениях удельной поверхности оползнеопасной глины различными методами получены следующие результаты: при измерении методом низкотемпературной

адсорбции аргона площадь удельной поверхности 8аг = 81,3 м2/г; при адсорбции метиленового голубого удельная поверхность 8мг = 222,1 м2/г; при адсорбции йода удельная поверхность 832 = 31,8 м2/г

Таблица 3

Результаты измерения удельной поверхности оползнеопасной глины методом БЭТ

№ п/п Метод измерения Обозначение Удельная поверхность, м2/г

1 Метод низкотемпературной адсорбции аргона 8АГ 81,3

2 Метод адсорбции метиленового голубого 8мг 222,1

3 Метод адсорбции йода 832 31,8

Для определения химического состава веществ, входящих в состав оползнеопасной глины, был проведен предварительный и полный элементный анализы оползнеопасной глины. Анализ элементного состава был проведен по

эмиссионным спектрам, полученным при испарении исследуемого материала в электрической дуге. Результаты предварительного элементного анализа оползнеопасной глины приведены в таблице 4.

Таблица 4

Результаты предварительного элементного анализа исходной глины

№ п/п Элементы Содержание, %

1 Mg, Si, Л!, Са, Fe до 10

2 Pb, Sn, №, Си, П, 2п, Мп до 1

3 К, Мо, V, Со, Ля, до 0,01

4 Р, Sr, Ьа, УЬ до 0,00001

В результате предварительного элементного анализа образцов глины по результатам эмиссионных спектров можно сделать выводы, что соединения Si, А1, Са, Fe более распространены, чем соединения РЬ, Sn, Ni, Си, Na, Ti, Zn, Мп. Для сравнения данных химического состава образцов

исследуемого грунта и строения глинистых грунтов со слоистой структурой, приведенных в

литературных источниках, был проведен полный эмиссионный спектральный анализ образцов, результаты которого приведены в таблицах 5 и 6.

Таблица 5

Результаты эмиссионного спектрального анализа основных химических элементов, содержащихся в образцах оползнеопасной глины

Окислы, содержащиеся в Атомная масса Молекулярная Содержание

образцах оползнеопасной элементов, масса окислов, окислов элементов,

глины уе. уе. масс, %

М§О 24 40 4,2-5,8

БЮ2 28 60 9,6-11,8

М2О3 27 102 5,7-6,6

СаО 40 56 7,0-7,7

Бе2О3 56 160 4,3-5,0

РЬО 207 223 2,2-3,2

БпО2 119 151 0,6-0,8

№О 59 75 1,3-1,9

СиО 64 80 6,3-8,8

Ка2О 23 62 0,4-1,3

ТЮ2 48 80 1,7-2,5

2пО 65 81 1,0-1,5

МпО2 55 87 4,4-5,1

К2О 39 94 2,2-2,7

М0О2 96 128 0,7-0,8

У2О5 51 182 0,2-0,5

Всего: 51,6-66,0

Таблица 6

Содержание примесей в оползнеопасной глине __

Элемент Со Р Бг УЬ Lа

Содержание, % 0,001 0,0001 0,03-0,1 < 0,001 < 10"5 < 10"7 <10-5

Расчет потери массы исследуемого материала в процессе его испарения в электрической дуге показал, что при использовании метода дугового эмиссионного спектрального анализа удается идентифицировать всего 66 % химических элементов. Этот метод не

позволяет без потерь анализировать легко испаряющиеся химические элементы (например, кремний) и легко разлагающиеся при нагревании соединения (например, карбонаты, гидрокарбонаты, кристаллогидраты и т.п.) Наличие карбонатов и

гидрокарбонатов в глинистом веществе подтверждается выделением

углекислого газа при действии на исследуемую оползнеопасную глину 10%-ной соляной кислоты. Наличие связанной воды подтверждается потерей массы при сушке образцов.

Проведение полного

эмиссионного спектрального анализа исследуемых образцов позволило выявить наличие большого числа элементов в составе глины, что косвенно подтверждает появление россыпей минералов на восточном берегу Белосарайской косы. При разрушении глин береговой линии морской водой происходит их размыв и унос легких частиц глины. Оседание тяжелых частиц и сепарация минералов приводит к образованию россыпей минералов. Самой большой среди них считается Белосарайская россыпь, которая расположена на восточном берегу Белосарайской косы в 500 м от места отбора проб оползнеопасной глины.

Выводы

Проведены исследования

глинистого грунта, отобранного из тела оползня, находящегося на берегу Азовского моря. Измерены

дисперсность, удельная поверхность, определены элементный состав и строение оползнеопасной глины. Петрографические исследования

образцов грунта показали, что в качестве основного минерала в состав исследуемых образцов входит каолинит в количестве 79,0-79,3 %, глинистые породы в количестве 16 %, кварц, полевой шпат, карбонаты,

гидрокарбонаты, пирит, железистые и органические вещества - остальное.

Эмиссионный спектральный

анализ образцов грунта подтвердил результаты петрографических

исследований, так как по интенсивности спектральных линий алюминия и кремния он выявил в составе исследуемой породы наличие большого количества алюмосиликатов, входящих в состав основного вещества -каолинита. Проведение полного эмиссионного спектрального анализа позволило идентифицировать менее интенсивные спектральные линии, которые указывают на наличие в составе глинистой породы большого числа химических элементов, которые (по результатам петрографических исследований) должны содержаться в составе глинистой породы и примесей.

Методом БЭТ измерена удельная поверхность образцов оползнеопасной глины. Адсорбция образцами аргона, метиленового голубого и йода показала, что удельная адсорбционная поверхность зависит от размера молекул сорбента и размера пор сорбата. Если рассматривать ряд размер пор - удельная поверхность ^уд), то: макропоры образуют поверхность от 0,5 до 2 м2/г; переходные поры - от 20 до 70 м2/г; микропоры - более 70 м2/г. Определение удельной поверхности методом адсорбции йода ^уд = 31,8 м2/г) показало на присутствие небольшого количества переходных пор. Измерения методами адсорбции аргона ^уд = 81,3 м2/г) и метиленового голубого ^уд = 222,1 м2/г) указывают на наличие в исследуемых образцах большого количества микропор, которые в отличие от макро- и переходных пор, обладают

адсорбционным полем и определяют свойства сорбента.

Таким образом, метод адсорбции метиленового голубого, на наш взгляд, наиболее приемлем для измерения

удельной поверхности и

микропористости образцов глины.

Величина удельной поверхности влияет на характер проявления адсорбционных сил. При увлажнении глины, обладающей большой удельной поверхностью, происходит понижение ее прочности за счет проникновения молекул воды в микропоры, и стремления раздвинуть их стенки за счет действия адсорбционных сил (эффект Ребиндера). Величина удельной поверхности (микропористость)

образцов глинистого грунта определяет как их прочность при сжатии или сдвиге, так и устойчивость оползней, откосов и горных массивов, состоящих из глинистых пород.

Результаты данной статьи, как и ранее проведенные исследования [10,11], могут быть использованы специалистами при решении задач прогноза и предотвращения

экологических катастроф, связанных с оползнями.

Список литературы:

1. Справочник по горному делу / Под ред. А.М. Терпигорева, Н.А. Ярцева. - М.: Гос. науч.-тех. изд-во, 1952. - 540 с.

2. Соколов В.Н. Микромир глинистых пород // Соросовский Образоват. Журн. - 1996. - № 3. - С. 5664.

3. ГОСТ 5180-75. Грунты. Методы лабораторного определения влажности.

- М., 1975. - 4 с.

4. Миковский А.В. Минералогия и петрография. - М.: Недра, 1973. - 367 с.

5. ГОСТ 9414-93 Грунты. Методы петрографического анализа. - М., 1993.

- 15 с.

6. ГОСТ 12536-79 Грунты. Методы лабораторного определения гранулометрического (зернового) и

микро агрегатного состава.

Определение гранулометрического (зернового) состава глинистых грунтов ареометрическим методом. - М., 2008. -17 с.

7. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы. - М.: Химия, 1989. - 464 с.

8. Кельцев Н.В. Основы адсорбционной техники. - М.: Химия, 1984. - 592 с.

9. ГОСТ 13144-79. Графит. Методы определения удельной поверхности. - М.: ИПК Издательство стандартов. -1999. -7 с.

10. Пащенко А.А., Потапенко В.И., Пащенко А.В. Повышение устойчивости оползнеопасных склонов химической обработкой // Материалы 111 Международной научно-практической конференции «Научно-технические аспекты комплексного развития железнодорожного транспорта», посвященной 50-летию Донецкого института железнодорожного транспорта, г. Донецк, 25 мая 2017 г. - С.224-229.

11. Пащенко А.А., Потапенко В.И., Пащенко А.В. Геоинформационная система для предотвращения экологических катастроф, обусловленных оползнями //Материалы Международной научно-практической конференции «Транспорт: наука, образование, производство» («Транспорт-2017»), г.Ростов, 20 апреля 2017 г. - C. 111-118.

Аннотации:

Проведены исследования глинистого грунта, отобранного из тела оползня, находящегося на берегу Азовского моря. Измерены дисперсность, удельная поверхность, определены элементный состав и строение оползнеопасной глины.

Ключевые слова: оползнеопасная глина, повышение устойчивости.

Studies of clay soil, taken from the body of a landslide located on the shore of the Sea of Azov, were conducted. The dispersity, the specific surface, the elemental composition and the structure of the landslide clay were measured.

Keywords: landslide clay, increasing of the stability.