Взаимосвязь микроструктурных, диффузионных и осмотических параметров глинистых грунтов

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 (K_w) характеризуется интервалами его относительно быстрого роста (при K_w < 0,5), разделенными зоной медленного роста. Зона медленного роста соответствует значениям K_w = 0,50-0,80 для микроструктурно-минеральных разновидностей крупнодисперсного класса и K_w = 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.