Автор: Лукина Валерия Станиславовна
Название работы: Взаимосвязь микроструктурных, диффузионных и осмотических параметров глинистых грунтов
|
Присвоенная ученая степень: кандидат геолого-минералогических наук
Специальность: 25.00.08 - Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение.
Классификационный индекс:
Ведущая организация:
Руководитель:
профессор доктор геолого-минералогических наук Королев Владимир Александрович;
профессор доктор геолого-минералогических наук Соколов Вячеслав Николаевич;
Оппонент:
профессор доктор геолого-минералогических наук Зиангиров Рэм Сабирович;
зав. лаб., вед.н.с. кандидат геолого-минералогических наук Галицкая Ирина Васильевна;
Место защиты:
Дата защиты:
Издательство: Москва
Количество страниц:
Язык: русский
Содержание работы:
# Общая характеристика работы.
# Глава 1. Современные представления о диффузионных и осмотических свойствах глинистых грунтов.
# Глава 2. Инженерно-геологическая характеристика исследуемых грунтов.
# Глава 3. Методика исследований.
# Глава 4. Определение коэффициента извилистости грунтов по пористости и данным количественного анализа РЭМ-изображений.
# Глава 5. Расчетная оценка диффузионных параметров глинистых грунтов на основе их структурных характеристик.
# Глава 6. Характеристика диффузионных и осмотических параметров микроструктурно-минеральных разновидностей глинистых грунтов.
# Глава 7. Типизация микроструктурно-минеральных разновидностей глинистых грунтов по диффузионной и осмотической проницаемости.
# Основные выводы.
# Список работ, опубликованных по теме диссертации.
|
Реферат:
Общая характеристика работы.
Актуальность темы. Вопросы диффузионного переноса в глинистых грунтах имеют научно-прикладное значение в инженерной геологии, гидрогеологии, геокриологии и экологической геологии.
Несмотря на значительное количество работ, посвященных исследованию закономерностей протекания диффузионно-осмотических процессов, большинство из них описывают лишь некоторые
факторы диффузионного и осмотического переноса в отдельных грунтах. В то же время остается малоосвещённым изменение диффузионной и осмотической проницаемости под воздействием
комплекса факторов в глинистых грунтах разного состава и строения, а также их систематизация по диффузионной и осмотической проницаемости. Поэтому выявление взаимосвязи микростроения
различных глинистых грунтов и их диффузионной и осмотической проницаемости является актуальной задачей.
В настоящей работе реализуется комплексный подход к оценке параметров диффузионно-осмотических явлений в глинистых грунтах разного состава и структуры. Основным элементом
предлагаемого подхода является микроструктурно-минеральная разновидность глинистого грунта, выделяемая по классификации глинистых пород по составу ассоциаций глинистых минералов
и микроструктуре В.Н.Соколова, В.А.Королева и В.Г.Шлыкова, 1997 (табл.1). Классификация учитывает совокупность микроструктурно-минеральных особенностей всех глинистых грунтов
и в конечном итоге определяет набор показателей свойств грунтов, зависящих от их состава и строения, включая диффузионные и осмотические.
Цели и задачи работы. Целью диссертационной работы являлось выявление, исследование и количественное описание взаимосвязи диффузионных и осмотических параметров в глинистых
грунтах с их микростроением для широкого спектра микроструктурно-минеральных разновидностей.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи.
1. Обосновать возможность расчета диффузионных параметров глинистых грунтов на основе стандартно определяемых, расчетных и модельных показателей их свойств, а также по принадлежности
грунтов к определенной микроструктурно-минеральной разновидности;
2. Установить и описать взаимосвязи показателей свойств грунтов, а также их диффузионных и осмотических параметров в рамках отдельных микроструктурно-минеральных разновидностей;
3. Выявить закономерности изменения диффузионных параметров отдельных микроструктурно-минеральных разновидностей глинистых грунтов в условиях неполного водонасыщения;
4. Провести типизацию микроструктурно-минеральных разновидностей глинистых грунтов по их диффузионной и осмотической проницаемости.
Объекты исследования. При выборе объектов исследования в работе ставилась цель охватить максимально широкий круг существующих микроструктурно-минеральных разновидностей глинистых
грунтов. С учетом некоторых допущений данная задача была выполнена. В этой связи массив исследованных глинистых грунтов был представлен грунтами различного возраста и генезиса.
Исследованные грунты принадлежали к широкому спектру глинистых отложений от супесей до аргиллитов. Изучались образцы грунтов как естественного, так и нарушенного сложения.
Общее количество исследованных образцов грунтов составило 241 единицу, относящиеся к 24 микроструктурно-минеральным разновидностям. Образцы грунтов отбирались автором самостоятельно
в Москве, Московской области и Крыму, а также были получены при помощи сотрудников кафедры инженерной и экологической геологии из разных регионов России.
Методика исследований и достоверность результатов. Исследование состава, строения и микростроения, состояния и свойств грунтов в естественном и нарушенном сложениях проводилось
с помощью стандартных методов. Определение диффузионных и осмотических параметров грунтов проводилось двумя методами в диффузионно-осмотической двухкамерной ячейке и в полуограниченной
трубке (метод Чернова). Лабораторные определения коэффициентов диффузии и осмоса проводились с 2-3-кратными повторениями, обеспечивающими воспроизводимость и достоверность
получаемых параметров. Микроструктурные характеристики грунтов рассчитывались по данным растровой электронной микроскопии (РЭМ). Минеральный состав грунтов определялся при
помощи рентгено-структурного анализа. Обработка данных проводилась стандартными статистическими методами с использованием прикладных математических программ, что позволило
получить достоверные результаты.
Научная новизна работы. В процессе исследования закономерностей диффузионно-осмотического переноса в глинистых грунтах были получены следующие новые научные результаты:
1. Обоснована возможность расчета коэффициента извилистости поровых каналов на основе стандартно определяемых величин (пористости) и численными методами по РЭМ-изображениям
для отдельных микроструктурно-минеральных разновидностей глинистых грунтов.
2. Впервые обоснована возможность расчета диффузионных параметров глинистых грунтов по простым расчетным или стандартно определяемым величинам (коэффициенту молекулярной диффузии,
пористости, коэффициенту извилистости поровых каналов), с учетом комплекса микроструктурно-минеральных особенностей данного грунта.
3. Впервые выявлены и описаны закономерности диффузионного и осмотического переноса для широкого спектра микроструктурно-минеральных разновидностей глинистых грунтов.
4. Впервые установлены и описаны закономерности изменения диффузионных параметров глинистых грунтов неполной степени водонасыщения под влиянием изменяющегося компонентного
состава.
5. Разработана типизация глинистых грунтов по диффузионной и осмотической проницаемости, основанная на выделении их микроструктурно-минеральных разновидностей и позволяющая
прогнозировать их диффузионные и осмотические параметры.
Практическая значимость работы. Работа обосновывает возможность расчета коэффициента диффузии глинистых грунтов на основе простых стандартно определяемых параметров и по принадлежности
грунтов к определенной микроструктурно-минеральной разновидности. Подобные оценки не сложны и занимают мало времени в отличие от весьма длительного экспериментального определения
диффузионных или осмотических параметров. Выделение микроструктурных типов грунтов может проводиться с минимальными ресурсозатратами по косвенным признакам: возрасту и генезису
грунтов и нескольким стандартно определяемым в грунтоведении показателей (влажность, пористость, гранулометрический состав и ряд других).
Предложенная типизация грунтов позволяет оценивать диффузионные и осмотические параметры любых глинистых грунтов на основании комплекса их микроструктурных и минеральных особенностей.
Типизация может широко использоваться в практических целях, различных модельных построениях для оценки параметров диффузионно-осмотического переноса в глинистых грунтах на
основании их принадлежности к той или иной микроструктурно-минеральной разновидности.
Защищаемые положения. Результаты исследований сформулированы в виде следующих положений, выносимых на защиту.
1. Установлена и статистически обоснована неизвестная ранее взаимосвязь коэффициентов извилистости поровых каналов, определенных экспериментально и рассчитанных по пористости,
а также полученных моделированием на основе РЭМ-изображений микростроения, дающая возможность корректных оценок коэффициента извилистости грунтов отдельных микроструктурно-минеральных
разновидностей и обусловленная особенностями микростроения их порового пространства.
2. Установлена и статистически обоснована неизвестная ранее возможность расчета диффузионных параметров глинистых грунтов на основе простых экспериментально определяемых показателей
(коэффициента извилистости поровых каналов, пористости) и табличных величин (коэффициента молекулярной диффузии). Она заключается в том, что предлагаемые эмпирические формулы
хорошо применимы для большинства микроструктурно-минеральных разновидностей глинистых грунтов (за исключением смектитового типа) с соответствующими установленными нами переходными
коэффициентами, учитывающими микроструктурно-минеральные особенности. Она обусловлена однородностью физико-структурных характеристик грунтов в пределах одного микроструктурного
типа, а также усложнением структуры порового пространства в грунтах с преобладанием гидрофильных смешанослойных минералов.
3. Выявлены неизвестные ранее закономерности изменения диффузионных и осмотических параметров глинистых грунтов в зависимости от их физико-химических свойств, минерального
состава и микроструктурных особенностей, заключающиеся в следующем:
a. Влияние факторов диффузионно-осмотического переноса наиболее сильно проявляется в рамках отдельных микроструктурно-минеральных разновидностей;
b. При переходе от тонкодисперсных классов микроструктуры к крупнодисперсным и от каолинитового типа минеральной ассоциации к смектитовому коэффициент диффузии грунтов при
фиксированных значениях влажности и плотности имеет тенденцию к повышению.
Эти закономерности обусловлены однородностью физико-структурных характеристик грунтов в пределах одной микроструктурно-минеральной разновидности.
4. Установлена неизвестная ранее закономерность изменения коэффициента диффузии глинистых грунтов в зависимости от степени водонасыщения с учетом микроструктурных характеристик,
заключающаяся в следующем: увеличение коэффициента диффузии глинистых грунтов в рамках отдельных микроструктурно-минеральных разновидностей под влиянием степени водонасыщения
(Kw) характеризуется интервалами его относительно быстрого роста (при Kw < 0,5), разделенными зоной медленного роста. Зона медленного роста соответствует значениям Kw = 0,50-0,80
для микроструктурно-минеральных разновидностей крупнодисперсного класса и Kw = 0,90-0,95 для микроструктурно-минеральных разновидностей тонкодисперсного класса. Это обусловлено
влиянием разных категорий связанной воды на диффузию и конкретным соотношением твердой, жидкой и газовой фаз при изменении степени водонасыщения.
5. Установленные закономерности позволили предложить типизацию глинистых грунтов по степени диффузионной и осмотической проницаемости на основании микроструктурных характеристик
и минерального состава.
Источники и личный вклад автора. Диссертация выполнялась на кафедре инженерной и экологической геологии геологического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова во время обучения
в очной (2003-2004) и заочной (2004-2007 гг.) аспирантуре. В основу диссертации положены материалы, полученные лично автором в лабораторных исследованиях, а также база данных
по глинистым грунтам кафедры инженерной и экологической геологии. Всего автором было проведено около 180 лабораторных опытов по определению диффузионных и осмотических параметров,
порядка 150 определений комплекса показателей свойств грунтов и коэффициента извилистости.
Апробация работы и публикации. По теме диссертации автором опубликовано 24 работы. Основные защищаемые положения и результаты исследований были доложены на международных конференциях
и совещаниях: Новые идеи в науках о Земле, РГГРУ (2001, 2003), Техногенная трансформация геологической среды, Екатеринбург, УГГА (2002, 2006), Многообразие грунтов: морфология,
причины, следствия, МГУ (2003), Вулканизм, биосфера и экологические проблемы, Туапсе (2003), Геохимия биосферы, Ростов-на-Дону (2001), на годичной сессии Научного совета
РАН по проблебам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии Сергеевские чтения, ИГЭ РАН (2002, 2003, 2004), Актуальные проблемы экологии и безопасности жизнедеятельности,
РУДН (2002), а также на различных молодежных студенческих конференциях: Ломоносов, МГУ (2001, 2002, 2003, 2004), Школа экологической геологии, Санкт-Петербург (2001, 2002,
2003, 2004), Геологи - XXI век, Саратов (2001, 2003), Геология и геоэкология Северо-Запада России, Петрозаводск (2003).
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, семи глав, заключения и списка литературы общим объемом 148 страниц машинописного текста. Содержит 76 рисунков и 41 таблицу.
Список использованной литературы включает 129 наименований, в том числе 117 опубликованных и 12 фондовых источников.
Автор искренне признателен своим научным руководителям, доктору г.-м.н., профессору В.А.Королеву и доктору г.-м.н., профессору В.Н.Соколову за всестороннюю поддержку на всех
этапах выполнения работы. Автор признателен Т.В.Андреевой за предоставление фондовых материалов и образцов грунтов. Благодарит за консультации профессора А.В.Лехова и доцента
Е.Н.Самарина. Также выражает благодарность всему коллективу кафедры инженерной и экологической геологии за помощь, рекомендации и советы при подготовке работы, в частности
В.Г. Шлыкову, В.Д.Харитонову, С.К.Николаевой, В.М.Ладыгину, М.А.Викторовой, М.Чернову.
|
Библиография:
Список работ, опубликованных по теме диссертации. 1. Королев В.А., Соколов В.Н., Савиновская В.С. Экранирующая способность глинистых грунтов как следствие их микроструктурных особенностей // Сергеевские чтения. Материалы годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии. Вып. 6. М., ГЕОС, 2004, с. 4953 2. Лукина В.С. Диффузионная проницаемость глинистых грунтов неполной степени водонасыщения с учетом микроструктурных особенностей // Материалы научн. конф. Эколого-геологические проблемы урбанизированных территорий, Екатеринбург, 2006 3. Савиновская В.С. Влияние микроструктуры на диффузионные параметры глинистых грунтов. // Материалы международной конф. студентов и аспирантов по фундаментальным наукам Ломоносов. М., МГУ, 2002, вып.7, с.167-168 4. Савиновская В.С. Выяснение экранирующей способности грунтов в целях создания защитных экранов // Материалы XIV молодежной конф., посвященной памяти К.О.Кратца Геология и геоэкология Северо-Запада России. Петрозаводск, 2003, с.131-133 5. Савиновская В.С. Диаграммы фазового состава Гиббса как метод изучения процесса дегидратации глинистых грунтов // Тез. докл. Всероссийской научн. конф. студентов, аспирантов и молодых специалистов Геологи XXI века. Саратов, СО ЕАГО, 2001, с. 56-57 6. Савиновская В.С. Диффузионная проницаемость глинистых грунтов и показатели микроструктуры // Тез. докл. Всероссийской научн. конф. студентов, аспирантов и молодых специалистов Геологи XXI века. Саратов, СО ЕАГО, 2003, с.103-107 7. Савиновская В.С. Защитные функции глинистых экранов и проблема глобального распространения химического загрязнения // Тез. докл. III Туапсинской международной научн. конф. Вулканизм, биосфера и экологические проблемы. Туапсе, 2003, с.93-94 8. Савиновская В.С. Об эколого-геологических проблемах создания защитных глинистых экранов // Материалы III межвузовской молодежной научн. конф. Школа экологической геологии и рационального недропользования. Санкт-Петербург, СПбГУ, 2002, с.306-308 9. Савиновская В.С. О возможности использования глинистых грунтов разных микроструктурных типов в качестве защитных экранов // Материалы международной конф. студентов и аспирантов по фундаментальным наукам Ломоносов. М., МГУ, 2004 10. Савиновская В.С. Определение диффузионно-осмотических параметров глинистых грунтов с целью оценки их защитных свойств. // Материалы II межвузовской молодежной научн. конф. Школа экологической геологии и рационального недропользования. Санкт-Петербург, СПбГУ, 2001, с.248-250 11. Савиновская В.С. Оценка диффузионных параметров глинистых грунтов города Москвы // Материалы международной конф. студентов и аспирантов по фундаментальным наукам Ломоносов. М., МГУ, 2001, вып.6, с.126 12. Савиновская В.С. Проницаемость глинистых грунтов как следствие особенностей порового пространства // Материалы международной конф. студентов и аспирантов по фундаментальным наукам Ломоносов. М., МГУ, 2003, часть 1, с.128-129 13. Савиновская В.С. Эколого-геологическая оценка экранирующей способности глинистых грунтов. // Материалы IV межвузовской молодежной научн. конф. Школа экологической геологии и рационального недропользования. Санкт-Петербург, СПбГУ, 2003, с.240-242 14. Савиновская В.С. Экранирующая способность глинистых грунтов различных структурно-минеральных разновидностей. // Материалы V межвузовской молодежной научн. конф. Школа экологической геологии и рационального недропользования. Санкт-Петербург, СПбГУ, 2004 15. Савиновская В.С., Королев В.А., Соколов В.Н. Взаимосвязь диффузионных и микроструктурных параметров глинистых грунтов // Материалы годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии Сергеевские чтения. М., ГЕОС, 2002, вып.4, с.38-42 16. Савиновская В.С., Королев В.А., Соколов В.Н. Выявление взаимосвязи структурных и диффузионных параметров глинистых грунтов. // Материалы VI международной конф. Новые идеи в науках о Земле. Москва, 2003, т.4, с.117 17. Савиновская В.С., Королев В.А., Соколов В.Н. Диффузионно-осмотический перенос в процессах техногенной трансформации геологической среды // Материалы международной научно-практической конф. Техногенная трансформация геологической среды, Екатеринбург, УГГА, 2002, с.123-126 18. Савиновская В.С., Королев В.А., Соколов В.Н. Диффузионная проницаемость глинистых грунтов в связи с их многообразием // Труды международной научн. конф. Многообразие грунтов: морфология, причины, следствия. М., МГУ, 2003, с.92-93 19. Савиновская В.С., Королев В.А., Соколов В.Н. Исследование диффузионных параметров грунтов с целью оценки их защитных свойств // Материалы V международной конф. Новые идеи в науках о Земле. Москва, 2001, т.4, с.33 20. Савиновская В.С., Королев В.А., Соколов В.Н. Коэффициент извилистости пор как показатель экранирующей способности глинистых грунтов // Сергеевские чтения. Материалы годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии. Вып. 5. М., ГЕОС, 2003, с. 4953 21. Савиновская В.С., Королев В.А., Соколов В.Н. Оценка роли диффузионного переноса в миграции загрязняющих компонентов на примере г. Москвы. // Тез. докл. III Международного совещания Геохимия биосферы. Ростов-на-Дону, изд-во Ростовского университета, 2001, с.33-35 22. Савиновская В.С., Королев В.А., Соколов В.Н. Эколого-геологические проблемы создания искусственных защитных глинистых экранов // Материалы Всероссийской научно-практической конф. Актуальные проблемы экологии и безопасности жизнедеятельности. М., РУДН, 2002 23. Королёв В.А., Соколов В.Н., Лукина В.С. Типизация глинистых грунтов по диффузионно-осмотической проницаемости. // Вестник Московского университета. Серия 4. Геология. 2007 г., 6 (в печати) 24. Лабораторные работы по грунтоведению. Учебное пособие. М., Высшая школа, 2007 (в печати)
|
|
