Взаимосвязь микроструктурных, диффузионных и осмотических параметров глинистых грунтов

Глава 1. Современные представления о диффузионных и осмотических свойствах глинистых грунтов.

В первом разделе главы рассматриваются современные направления изучения диффузионных и осмотических свойств глинистых грунтов. Диффузионный перенос как составляющая массопереноса при движении подземных вод рассматривался в работах Н.Н.Веригина, А.А.Гарибянца, В.С.Голубева, В.М.Гольдберга, Е.Г.Коникова, М.Маскета, А.А.Рошаля, Б.С.Шержукова, В.М.Шестакова. Исследованию защитных свойств глинистых грунтов, используемых при создании хранилищ отходов, посвящены работы И.А.Брилинг, Р.Винберга, А.А.Еремеевой, В.А.Королева, А.В.Лёхова, В.Н.Соколова, П.Шика. Проницаемость глинистых грунтов как покрышек месторождений углеводородов исследуется в работах Ю.К.Бурлина, В.В.Еремеева, В.М.Лазаревой, В.И.Осипова, В.Н.Соколова, Л.С.Черновой. Существует довольно много классификаций глинистых покрышек месторождений нефти и газа по их экранирующей способности. Большинство из них носят региональный характер. В нескольких общих классификациях большое внимание уделено структурному фактору. Это, например, оценочная шкала экранирующей способности глинистых пород по А.А.Ханину и классификация глинистых покрышек по фациальным условиям и экранирующей способности В.И.Осипова, В.Н.Соколова, В.В.Еремеева. В последней классификации при оценке проницаемости учитывается коэффициент диффузии флюида.

Наиболее значимый вклад в развитие представлений о диффузионно-осмотических явлениях в дисперсных грунтах, описываемых во втором разделе, внесли И.А.Брилинг, А.Н.Галкин, И.М.Горькова, Н.П.Затенацкая, Р.С.Зиангиров, И.М.Зильберман, Р.И.Злочевская, Н.А.Комарова, В.А.Королев, А.М.Монюшко, Окнина Н.А., А.Е.Орадовская, Ю.А.Поляков, В.А.Приклонский, Н.С.Реутова, И.А.Сафохина, В.Н.Соколов, З.М.Товбина, В.М.Шестаков и др. В разделе даны определения диффузии, самодиффузии, коэффициента диффузии, осмоса, коэффициента осмоса и др. Приведены законы Фика, Вант-Гоффа, формулы расчета коэффициента диффузии в свободной жидкости и пористых средах, скорости осмотической фильтрации и др. Для практических расчетов коэффициента диффузии в грунтах можно применять формулу, использующую коэффициент молекулярной диффузии, пористость и коэффициент извилистости поровых каналов (т.е. отношение расстояния между двумя точками грунта к минимальной длине поровых каналов, соединяющих эти точки). Коэффициент извилистости поровых каналов может быть приближенно определен также через пористость по формуле Викке. Приведены единицы измерения коэффициентов диффузии и осмоса, характерные значения показателей в глинистых грунтах и др.

Далее приводится анализ современных представлений о факторах, влияющих на диффузионные и осмотические свойства глинистых грунтов. Изучению влияния минерального состава, обменных процессов, влажности и плотности на диффузионно-осмотические процессы посвящены работы И.А.Брилинг, А.Н.Галкина, Н.П.Затенацкой, М.А.Малузиса, Н.А.Окниной, И.А.Сафохиной. Влияние внешних условий на диффузионный и осмотический перенос описывает уравнение Эйнштейна. Влияние температуры на диффузионный процесс исследовали Л.И.Кульчицкий, В.А.Королев, Н.А.Окнина, Ю.А.Поляков и др.

В четвертом разделе описано влияние структурных параметров на диффузионные и осмотические свойства глинистых грунтов, а также закономерности изменения микроструктуры грунтов под воздействием диффузионного потока. В.А.Королев, В.Н.Соколов и В.Г.Шлыков исследовали количественную взаимосвязь параметров состава, микроструктуры и различных свойств глинистых грунтов. Отдельные закономерности изменения коэффициента диффузии в зависимости от структурных характеристик (пористости, коэффициента извилистости поровых каналов, среднего размера пор и др.) даются в работах Р.Винберга, А.Н.Галкина, В.А.Королева, В.М.Лазаревой, В.Н. Соколова. Эволюцию свойств грунтов под воздействием диффузии исследовали Н.П.Затенацкая, В.А.Королев, Н.А.Окнина, В.А.Приклонский, В.Н.Соколов и др.

Пятый раздел посвящен описанию существующих моделей диффузионного переноса. Основными методами прогнозирования и моделирования массопереноса являются эмпирические и априорные. Априорные методы включают в себя математическое моделирование, физическое моделирование в лабораторных или полевых условиях, аналоговые методы (работы А.В.Лёхова и др.). Построением эмпирических моделей занимались И.А.Брилинг, А.Н.Галкин и др. Одной из применяемых эмпирических моделей является модель, разработанная З.М.Товбиной для диффузии в силикагелях и опробованная для глин Л.И.Кульчицким. Не существует универсальных и широко применяемых априорных методов моделирования диффузионного переноса.

Анализ собранных материалов привел к выводам о том, что: 1) закономерности протекания диффузионных и осмотических процессов достаточно хорошо изучены и освещены в научной литературе. Опубликованы характерные значения показателей диффузионно-осмотического переноса для большого количества разновидностей грунтов; 2) несмотря на относительно глубокую проработку этого вопроса, в настоящее время отсутствуют работы, освещающие закономерности диффузионного и осмотического переноса для отдельных микроструктурно-минеральных разновидностей глин; 3) в настоящее время не существует универсальной классификации глинистых грунтов по диффузионной и осмотической проницаемости, учитывающей комплекс физико-химических и структурных параметров; 4) отсутствуют обоснованные для всего спектра глинистых грунтов способы расчета диффузионных и осмотических параметров на основании простых расчетных или стандартно определяемых величин.