CC BY
18
УДК [624.131.22 + 624.15]:631.432.33
ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ СОСТАВА И СВОЙСТВ ГЛИНИСТЫХ ПОРОД САРМАТА ПРИ ДИФФУЗИОННОМ ВЫЩЕЛАЧИВАНИИ
© 2014 г. О.Н. Осипова, Ю.И., Олянский, С.И. Махова, Т.М. Тихонова
Осипова Оксана Николаевна - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Промышленное и гражданское строительство, геотехника и фундаментостроение», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова. E-mail: oksana.osipova9@mail.ru
Олянский Юрий Иванович - д-р геол.-минерал. наук, профессор, кафедра «Земляные и гидротехнические сооружения», Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет. E-mail: olyansk@list.ru
Махова Светлана Ивановна - аспирант, кафедра «Земляные и гидротехнические сооружения», Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет. E-mail: olyansk@list.ru
Тихонова Таисия Михайловна - аспирант, кафедра «Экологическая безопасность, строительство и городское хозяйство», Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет. E-mail: taisiya-555@mail.ru
Osipova Oksana Nikolaevna - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Industrial and Civil Engineer Geotechnological and Foundation Engineering», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI). E-mail: oksana.osipova9@mail.ru
Olyansky Yury Ivanovich - Doctor of Geologo-Mineralogical Sciences, professor, department «Chair of Earth and Hydraulic Engineering Constructions», Volgograd State Architectural and Construction University. E-mail: olyansk@list.ru
Mahova Svetlana Ivanovna - post-graduate student, department «Chair of Earth and Hydraulic Engineering Constructions», Volgograd State Architectural and Construction University. E-mail: olyansk@list.ru
Tikhonov Taisiya Mikhaelovna - post-graduate student, department «Chair of Ecological Safety of Construction and Municipal Economy», Volgograd State Architectural and Construction University. E-mail: taisiya-555@mail.ru
На основе анализа экспериментальных данных по изменению состава и свойств при диффузионном выщелачивании морских незасоленных сарматских глин и опубликованных результатов исследований глин иной степени засоления выявлены основные закономерности формирования их инженерно-геологических свойств при длительном взаимодействии с водой.
Ключевые слова: глинистые породы; сарматские глины; диффузионное выщелачивание.
Analysis of experimental data on the change in the composition and properties of the diffusion leaching of marine clays and Sarmatian unsalted published research clays less salinity, identified the main regularities of their geotechnical properties with long-term contact with water.
Keywords: clay rocks; Sarmatian clay diffusion leaching.
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 увеличении влажности изменяют свои строительные свойства вследствие диффузионного выщелачивания содержащихся в них солей, увлажнения и разуплотнения. Морские глины «a priori» считаются засоленными породами, 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 гг. 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 прочностных свойств. Теоретические положения формирования состава и физико-механических свойств засоленных глин и их изменение при выщелачивании на основе раскрытия и установления роли физико-химических процессов в системе поровая вода - порода разрабатывались трудами многочисленных специалистов Москвы, Санкт-Петербурга, Ставрополя и других
городов РФ. В настоящее время эти результаты представлены в работах Р.И. Злочевской, И.М. Горьковой, Н.П. Затенацкой, Л.И. Кульчицкого, А.М. Монюшко, С.И. Пахомова, Н.А. Окниной, И.А. Сафохиной и других исследователей
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 неза-соленные глины, содержащие менее 0,3 % водорастворимых солей [1].
Первые сведения о результатах изучения незасо-ленных глинистых пород в условиях их диффузионного выщелачивания появились в 1985 г. в монографии Н.П. Затенацкой. Изучив один образец незасоленной сарматской глины из г. Калараш (Молдавия), она пришла к выводу, что «диффузионное выщелачивание незасоленного образца сарматской глины Молдовы сопровождается дополнительным увлажнением, разупрочнением и разуплотнением, но в гораздо меньшей степени, чем засоленных разностей изученных глин» [2, с. 139].
Образцы незасоленных сарматских глин отбирались на территории междуречья Прут - Днестр из сарматской толщи , NlS NlS . Всего отобрано
100 образцов глин ненарушенного сложения из северной, центральной и южной частей региона, характеризующихся различными геологическими особенностями, условиями залегания и распространения сарматских глин, особенностями климата, гидрогеологии и геоморфологии. Опробовались преимущественно не-выветрелые разности горных пород.
Лабораторные исследования состава и свойств глинистых пород проводились в Институте геофизики и геологии АН Молдовы (моделирование процессов диффузионного выщелачивания) и в СКФ ПНИИИСа (г. Ставрополь) [2, 3]. Исследования выполнялись в строгом соответствии с методикой, используемой в 70 - 80-х гг. ПНИИИСом при изучении засоленных глинистых пород из южных регионов страны [2]. Последнее обстоятельство позволяет сравнить результаты исследований незасоленных сарматских глин Молдовы с результатами, полученными ПНИИИСом [2, 4] для глин иной степени засоления.
Анализ особенностей изменения состава и свойств незасоленных сарматских глин при диффузионном выщелачивании выполнен по следующим показателям: содержание дисперсной фракции, коэффициент ее агрегированности, содержание водорастворимых солей, содержание гипса, степень выщелоченно-сти, содержание карбонатов, влажность, плотность «сухого» грунта, угол внутреннего трения, удельное сцепление. Анализировались отдельно образцы глин,
имеющие в своем составе пирит, и образцы, не имеющие включения пирита.
Содержание дисперсной (менее 0,005 мм) фракции и коэффициент ее агрегированности. Незасоленные глины сармата с пластифицированно-коагуляционным типом структурных связей (коэффициент агрегированности в среднем около 2,0), не содержащие пирита, при выщелачивании диспергируются за счет выноса цементирующих солей и в первую очередь - гипса. При этом существенно повышается содержание дисперсной фракции (примерно на 30 %) и на столько же уменьшается ее коэффициент агрегированности. Глины с таким же типом структурных связей, содержащие пирит, при выщелачивании практически не изменяют содержания дисперсной фракции, оно может незначительно повышаться или понижаться. Соответственно, и коэффициент агрегированности может колебаться незначительно в обе стороны. Содержание гипса в породе при этом может либо незначительно увеличиваться, либо уменьшаться.
Содержание водорастворимых солей. На рис. 1 приведены графики выщелачивания образцов незасоленных сарматских глин, не имеющих в своем составе пирита, - обр. 1, 221, 306 и образцов с пиритом - обр. 104, 115, 236, 247. При выщелачивании всех без исключения образцов глин засоленность их уменьшается. Минимальное по абсолютной величине снижение содержания солей имеет место для образцов, не содержащих пирит, - в среднем на 20 % от исходного содержания на конец испытаний, что соответствует степени выщелоченности в среднем 0,43. Максимальное снижение содержания водорастворимых солей наблюдается у образцов, содержащих пирит, - в среднем на 40 %, однако степень их выщелоченности, как правило, несколько меньше и не превышает значения 0,40.
Рис. 1. Кривые выщелачивания незасоленных сарматских глин, вынос водорастворимых солей. Цифры - лабораторные номера образцов глин
Таблица 1
Изменение показателей состава и свойств незасоленных сарматских глин при диффузионном выщелачивании
Показатели состава и свойств Образцы, не содержащие пирит, N = 20 Характер изменения Образцы, содержащие пирит, N = 10 Характер изменения
Микроагрегатный состав, %:
песок (> 0,05 мм) 12,1 10,2 -1,9 7,6 8,6 +1,0
пыль (0,05 - 0,005 мм ) 57,2 43,4 -13,8 56,4 56,2 -0,2
глина (< 0,005 мм) 30,8 46,4 +15,6 36.1 35.2 -0,9
Коэффициент агрегированности 1,97 -0,65 1,93 +0,02
дисперсной фракции 1,32 1,95
Минерализация (по сухому остатку) 0,17 -0,04 0,19 -0,08
г/100 г сух. пор. 0,13 0,11
Катионы, г/100 г сух. пор.
К++Ш+ 0,040 0,009 -0,031 0,029 0,014 -0,15
Са+2 0,015 0,014 -0,001 0,016 0,015 -0,01
Mg+2 0,009 0,008 -0,001 0,008 0,006 -0,002
Анионы, г/100 г сух. пор.
СГ 0,013 0,009 -0,004 0,010 0,006 -0,004
so-42 0,076 0,026 -0,050 0,090 0,028 -0,062
неОз 0,054 0,052 -0,002 0,056 0,065 +0,009
Содержание гипса, % 0,15 0,11 -0,04 0,13 0,41 +0,28
Карбонатность, % 9,54 8,47 -1,07 14,11 15,60 +1,49
Аморфный кремнезем, % 0,68 061 -0,07 0,49 0,68 +0,19
Содержание обменных катионов,
мг-экв /100 г сух. пор.
К+ 0,34 041 +0,07 0,46 0,50 +0,04
№+ 1,29 0,38 -0,81 1,31 0,75 -0,56
Са+2 8,25 10,41 +2,16 9,22 11,23 +2,01
Mg+2 8,64 8,14 -0,05 7,75 6,99 -0,76
Природная влажность W 0,23 0,44 +0,21 0,31 052 +0,21
Влажность предела текучести 0,49 0,52 +0,03 0,58 0,58 0
Влажность предела раскатывания К 0,24 0,25 +0,01 0,28 0,30 +0,02
Примечание: в числителе - среднее значение до диффузионного выщелачивания, в знаменателе - после выщелачивания; «+» - значение показателя увеличилось на указанную величину, «-» - уменьшилось, «0» - осталось без изменений.
Продолжение табл. 1
Показатели состава и свойств Образцы, не содержащие пирит, N = 20 Характер изменения Образцы, содержащие пирит, N = 10 Характер изменения
Число пластичности J 0,25 0,27 +0,02 0,29 0,29 0
Пористость п , % 39,4 53,6 +14,2 45,2 58,4 +13,2
Коэффициент пористости е 0,65 1,19 +0,54 0,89 1,43 +0,54
Плотность р, —г3 см 2,04 1,80 -0,24 1,94 1,68 -0,26
Плотность «сухого» грунта рЛ, —^ см 1,67 126 -0,41 1,50 йГ -0,39
Показатель текучести ^ 0,10 0,73 +0,63 0,18 083 +0,65
Коэффициент естественной уплот- 1,03 -0,72 0,91 -0,44
ненности 0,31 0,47
Свободное набухание е^ 0,13 0,14 +0,01 0,13 0,12 -0,01
Удельное сцепление с х 105, Па 1,32 0,39 -0,93 1,08 0,47 -0,61
Угол внутреннего трения ф, град 16,6 15,0 -1,6 13,0 12,7 -0,3
Удельное сопротивление пенетра-ции Рт х 105, Па 5,27 0,20 -5,07 4,62 0,28 -4,34
Срезающее усилие т01 *105, Па 1,31 0,67 -0,64 1,29 0,66 -0,63
Содержание гипса. Количество гипса в морских глинистых породах обусловлено: первичного - наличием его в морской воде при седиментации; вторичного - окислением пирита при выветривании (выщелачивании) в постседиментационный период. До выщелачивания сарматских глин содержание гипса у них было примерно одинаковое - 0,12 - 0,15 %. В выщелоченных образцах его содержание уменьшилось на одну треть только у глин, не содержащих пирита, у других его содержание увеличилось в несколько раз за счет образования и накопления в породе «вторичного» гипса.
Содержание карбонатов. Изменение содержания карбонатов подчиняется зависимости, выявленной для гипса: у образцов глин, не содержащих в исходном состоянии пирита, их количество уменьшается на 10 - 20 %, у образцов, имеющих в своем составе пирит, количество карбонатов увеличивается на 10 - 30 %.
Влажность. При выщелачивании образцов сарматских глин влажность увеличивается в 1,2 - 2,0 раза: несколько больше - у образцов, не имеющих в своем составе пирита, и несколько меньше - для образцов, содержащих пирит. Такое изменение влажности обусловливается большей предрасположенностью первых к набуханию.
Плотность «сухого» грунта при выщелачивании всех образцов уменьшилась на 10 - 30 %, что является следствием их разуплотнения и набухания. В целом плотность «сухого» грунта у образцов, имеющих пирит, после выщелачивания оказалась несколько меньше (1,05 - 1,25 г/см3), чем у других глин (1,20 -1,30 г/см3), что является следствием более активного разуплотнения глины при химических реакциях, связанных с образованием новых солей, в том числе гипса и карбонатов за счет окисления пирита.
Образцы, не содержащие пирит Образцы, не содержащие пирит Образцы, содержащие пирит
Рис. 2. Графики зависимости коэффициентов устойчивости незасоленных сарматских глин к обводнению Кс от показателей состава и свойств п, е^,, №+
Таблица 2
Основные особенности изменения состава и свойств глинистых пород различного возраста, генезиса и степени засоления при диффузионном выщелачивании
Показатель состава и свойств Незасоленные сарматские глины Неогеновые морские засоленные глины [2, 5] Четвертичные полигенетические засоленные глинистые породы [2, 5]
не содержащие пирит содержащие пирит
Содержание дисперсной (менее 0,005 мм фракции), % (микроагрегатный анализ) Увеличивается в среднем в 1,5 раза Незначительно изменяется в обе стороны Незначительно увеличивается Незначительно увеличивается
Коэффициент агрегиро-ванности дисперсной (менее 0,005 мм) фракции Значительно уменьшается, достигая значения К = 1,3 - 1,4 Незначительно изменяется в обе стороны, оставаясь на уровне К = 2 Незначительно уменьшается, достигая минимума К = 1,05 Значительно уменьшается, достигая значения К = 4,0-6,0
Содержание водорастворимых солей,% Уменьшается в среднем на 20 % Уменьшается в среднем на 40 % Уменьшается в среднем в 3 раза Уменьшается в среднем в 2,5 раза
Степень выщелоченности на конец опыта (средняя) Более 0,40 Менее 0,40 Более 0,40 Более 0,40
Содержание гипса, % Уменьшается в среднем в 1,5 раза Увеличивается в несколько раз Увеличивается в среднем в 2,0 раза Уменьшается в среднем в 1,5 раза
Содержание карбонатов, % Уменьшается на 10 - 20 % Увеличивается на 10 - 30 % Увеличивается на 20 - 30 % Уменьшается в 1,5 - 2,0 раза
Влажность Увеличивается в 1,5 - 2,0 раза Увеличивается в 1,2 - 1,5 раза Незначительно изменяется в обе стороны Увеличивается в среднем в 1,5 раза
Плотность «сухого» грунта, г/см3 Уменьшается на 10 - 20 % до значений рл = 1,20 - 1,30 Уменьшается на 20 - 30 % до значений рл = 1,05 - 1,25 Уменьшается в среднем на 25 % до значений рл = 1,20 - 1,40 Уменьшается в среднем на 10 % до значений рл = 1,40 - 1,50
Угол внутреннего трения, град Уменьшается на 1 - 2 град Уменьшается незначительно Уменьшается в среднем в 1,5 раза Уменьшается в 1,5 - 2,0 раза
Удельное сцепление, МПа Уменьшается в 4 - 5 раз Уменьшается в 2 - 3 раза Уменьшается в 1,5 - 2 раза Уменьшается в 4 - 5 раз
Прочность. В целом прочность всех изученных образцов глин уменьшилась: до 2 раз - по углу внутреннего трения и от 2 до 5 раз - по удельному сцеплению. Для оценки степени влияния обводнения на
прочностные характеристики глинистых пород А.М. Мо-нюшко было предложено использовать понятие «коэффициент устойчивости» к обводнению, как отношение значения показателя прочности выщелоченного
образца к показателю прочности образца природной влажности [5]. Значение этого показателя для сарматских глин, не имеющих пирита, составляет: 0,32 - по удельному сцеплению и 0,61 - по углу внутреннего трения; а для образцов, имеющих включения пирита, -0,51 и 0,74 соответственно (по средним значениям). На рис. 2 показаны корреляционные зависимости коэффициентов устойчивости к обводнению сарматских глин в зависимости от показателей их состава и свойств для глин, не имеющих включения пирита, и для глин с пиритом. Приведенные данные свидетельствуют о том, что незасоленные образцы сарматских глин, содержащие пирит, более устойчивы к обводнению, чем другие образцы сарматских глин. Данный факт вполне объясним, так как прочность глинистых пород при прочих равных условиях (влажности и плотности) в значительной степени зависит от характера структурных связей между грунтовыми частицами и степени агрегированности грунта. У образцов, не содержащих пирит, при выщелачивании происходит диспергация грунта и уменьшается его агрегирован-ность. А у образцов, имеющих пирит, при выщелачивании образуются новые химические соединения: гипс, аморфный кремнезем, окислы железа и другие, способствующие вторичной агрегации грунтовых частиц.
В табл. 2 приведены данные, характеризующие особенности изменения состава и свойств незасолен-ных сарматских глин и глинистых пород иной степени засоления (по публикациям других авторов). Анализ особенностей изменения состава и свойств незасолен-ных и засоленных глинистых пород при диффузионном выщелачивании показывает, что 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 раз-
Поступила в редакцию
личного генезиса, а не засоленные сарматские глины, содержащие пирит, по аналогичным показателям близки к засоленным морским глинам различного возраста, одинаковой степенью дисперсности и агре-гированности глинистой фракции.
В целом первые являются менее устойчивыми (более чувствительными) к обводнению за счет большего их увлажнения, более существенного изменения степени дисперсности и значительного уменьшения агрегированности дисперсной фракции. Изменение показателей прочности для них составляет: до 2 раз -по углу внутреннего трения и до 4 - 5 раз по удельному сцеплению; для вторых эти показатели равны: до 1,5 раза и до 2-3 раз соответственно.
Таким образом, выводы Н.П. Затенацкой об особенностях выщелачивания незасоленных сарматских глин относительно засоленных пород являются преждевременными и недостаточно обоснованными, что подтверждается вышеприведенными результатами исследований.
Литература
1. Богомолов А.Н., Олянский Ю.И. Инженерно-геологические особенности сарматских глин южной окраины Русской платформы / Мин-во образования и науки РФ; Волгогр. гос. архит-строит. ун-т. Волгоград, 2011. 162 с.
2. Затенацкая Н.П. Закономерности формирования свойств засоленных глин. М., 1985.145 с.
3. Олянский Ю.И., Богомолов А.Н., Шиян С.И., Щекочихи-на Е.В. Оценка устойчивости сармат-меотических глин к длительному обводнению // Геоэкология. 2010. № 1. С. 62 - 68.
4. Монюшко А.М., Олянский Ю.И. Инженерно-геологические особенности сармат-меотических глин Молдовы. Кишинев, 1991. 172 с.
5. Пахомов С.И., Монюшко А.Н. Инженерно-геологические аспекты изменения свойств глин. М., 1988. 119 с.
3 октября 2013 г.
