Влияние минерального состава и микростроения моренных глинистых грунтов на их свойства (на примере плейстоценовых моренных отложений г. Москвы)

Общая характеристика работы.

Актуальность работы. Ледниковые моренные отложения являются одним из наиболее распространенных типов глинистых грунтов четвертичного возраста на территории г. Москвы. Моренные грунты встречаются в геологическом строении всех крупных элементов рельефа. Они часто вскрываются с поверхности или под маломощным чехлом покровных суглинков. Считается, что моренные грунты являются надежными основаниями возводимых сооружений. Тем не менее, несмотря на высокую плотность ледниковых отложений, известны факты аномального поведения моренных глинистых грунтов, отличающихся повышенной проницаемостью и слабой устойчивостью к выветриванию.

В опубликованной литературе имеется довольно много отдельных данных о составе, строении и свойствах моренных грунтов. Однако в имеющихся работах нет комплексного рассмотрения этих важнейших характеристик грунтов, а так же практически отсутствует информация о микростроении грунтов, которое наряду с минеральным составом, является одним из главных факторов, определяющих их поведение и свойства. Поэтому получение новых данных о составе и строении моренных глинистых грунтов, распространенных на территории г. Москвы, и выяснение их влияния на свойства является актуальной задачей современного грунтоведения.

Цель и задачи работы. Целью настоящей работы явилось изучение особенностей минерального состава и микростроения моренных глинистых грунтов г. Москвы и установление влияния этих факторов на свойства данных грунтов. Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи.

1. Изучить минеральный состав и дать количественную морфологическую оценку твердых структурных элементов, слагающих моренные глинистые грунты.

2. Разработать методику изучения микростроения, позволяющую получать корректную количественную информацию о поровом пространстве моренных глинистых грунтов.

3. Изучить особенности минерального состава, микростроения и свойств моренных глинистых грунтов территории г. Москвы.

4. Установить закономерности взаимосвязи минерального состава и особенностей микростроения с физико-механическими свойствами моренных глинистых грунтов.

Объект исследования. Диссертационная работа является итогом исследований, проведенных автором в период обучения в очной аспирантуре на кафедре инженерной и экологической геологии геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова с 2003 по 2006 гг. Фактический материал для работы по теме диссертации был собран во время обучения в аспирантуре по результатам собственных полевых и лабораторных исследований, также использовались фондовые данные других организаций. Объектом исследования были моренные отложения, широко распространенные на территории г. Москвы. Были подробно изучены 4 ключевых участка, и накоплена коллекция из более чем 70 образцов моренных глинистых грунтов московского (gIIms) и донского (gIds) оледенения.

Методика исследований и достоверность результатов. Исследования проводились с помощью современных методов, широко используемых в грунтоведении. Микростроение изучалось с применением высокоразрешающей растровой электронной микроскопии (РЭМ) и программного комплекса по анализу изображений, минеральный состав определялся методом рентгеновского дифрактометрического анализа. Для обработки результатов использовались методы многомерного статистического анализа. Комплексное сочетание этих методов позволило получить надежные и достоверные научные результаты.

Научная новизна

1. Разработана новая методика исследования микростроения моренных глинистых грунтов по РЭМ-изображениям, позволяющая исключить неоднозначность выделения крупных структурных элементов и получить корректную информацию о структуре порового пространства грунта.

2. Получены новые данные о минералого-петрографическом составе и микроморфологических особенностях твердых структурных элементов отдельных фракций моренных глинистых грунтов.

3. В моренных глинистых грунтах выявлено присутствие новой категории пор, располагающихся на границе песчаных и пылеватых зерен и глинистой матрицы.

4. Получены неизвестные ранее зависимости прочностных и деформационных свойств моренных глинистых грунтов от их минерального состава и особенностей микростроения.

Защищаемые положения. На защиту выносятся следующие защищаемые положения.

1. Разработана новая методика проведения количественного анализа микростроения моренных глинистых грунтов по РЭМ-изображениям, заключающаяся в том, что крупные поры исследуются при малых увеличениях (50 - 1000 раз) по образцам-аншлифам, пропитанным люминофором в режиме катодолюминесценции, а мелкие поры изучаются по сколам образцов при больших увеличениях (2000 - 32000 раз) в режиме вторичных электронов.

2. Получены новые количественные данные о микроморфологических особенностях твердых структурных элементов отдельных фракций моренных суглинков и их минералого-петрографическом составе, заключающиеся в том, что:
- глинистые фракции суглинков московской и донской морен имеют схожий минеральный состав и морфологию твердых структурных элементов. Они в основном, представлены анизометричными пластинчатыми глинистыми частицами, листообразными анизометричными ультромикроагрегатами преимущественно иллит-гидрослюдистого и каолинитового состава, полуугловатыми зернами кварца, а так же в суглинках донской морены зернами кальцита;
- пылеватые фракции суглинков московской и донской морен имеют схожий минеральный состав и представлены в основном зернами кварца, полевых шпатов, кальцита и доломита, микроагрегатами глинистых частиц. По морфологическим особенностям твердые структурные элементы суглинков московской морены отличаются более высокой степенью окатанности, чем донской морены.
- песчаные фракции суглинков московской морены представлены в основном хорошоокатанными зернами кварца и окатанными зернами полевых шпатов, полуугловатыми обломками известняка и гранитов; песчаные фракции суглинков донской морены представлены в основном хорошоокатанными зернами кварца и полевых шпатов, полуугловатыми обломками известняка и гранитов;
- гравийные фракции глинистых грунтов московской морены представлены в основном полуугловатыми зернами кварца, обломками гранитов, песчаников и известняков; гравийные фракции донской морены представлены в основном хорошо окатанными зернами кварца, обломками гранитов, песчаников, известняков и неокатанными зернами полевых шпатов. Крупные впадины на поверхности зерен заполнены высокодисперсным веществом.

3. Выявлены специфические особенности микростроения моренных глинистых грунтов, характеризующиеся присутствием на границе песчаных и пылеватых зерен и глинистой матрицы анизометричных по форме <серповидных> пор. Такие поры могут быть дополнительными путями сосредоточенной фильтрации, объясняющими высокие значения коэффициента фильтрации в некоторых плотных моренных глинистых грунтах, а также многочисленными <дефектами> структуры грунта, способствующими формированию поверхностей разрушения при механических воздействиях.

4. Установлены новые зависимости прочностных и деформационных свойств моренных суглинков от их минерального состава и некоторых параметров микростроения с учетом влияния естественной влажности, заключающиеся:
- в увеличении значений прочности на одноосное сжатие (R_c), угла внутреннего трения (φ), сцепления (с) и модуля общей компрессионной деформации (Е_ок) с ростом содержания в моренных суглинках высокодисперсного рентгеноаморфного вещества (РАВ) и возрастания суммарного содержания в них РАВ и глинистых минералов;
- в снижении значений R_c, φ, с и Е_ок с ростом содержания в моренных суглинках кварца, межмикроагрегатных микропор, межмикроагрегатно-зернистых (<серповидных>) микропор и возрастанием значений интегрального показателя микростроения - дисперсности (D).

Структура и объем работы. Работа изложена на 156 страницах машинописного текста, включает 50 рисунков и 16 таблиц. Работа состоит из введения, 5 глав, выводов и списка литературы из 104 наименований.

Апробация работы и публикации. Основные положения и выводы работы изложены в 7 публикациях в сборниках трудов научных конференций и в периодических изданиях. Результаты исследований докладывались на международных научных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых <Ломоносов-2003> и <Ломоносов-2004>, на годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии (5-е Сергеевские чтения, 2003 г.), на Международной научной конференции <Многообразие грунтов: морфология, причины, следствия> (2003), на XXI Российской конференции по электронной микроскопии (ЭМ, 2006), на VIII Международной конференции <Новые идеи в науках о Земле> (РГГРУ, 2007).

Практическое значение работы. Результаты исследований внедрены в практику количественного анализа микростроения дисперсных грунтов по РЭМ-изображениям. Они расширяют представления исследователей о минеральном составе и строении моренных глинистых грунтов, объясняют изменение поведения этих грунтов при различных воздействиях. Полученные корреляционные зависимости могут использоваться для прогноза прочностного поведения моренных глинистых грунтов г. Москвы.

Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю, доктору г. м.н., профессору В.Н. Соколову за руководство работой, всестороннюю поддержку и помощь на всех этапах выполнения работы. Автор благодарен ст.н.с. В.Г. Шлыкову за неоценимую помощь в рентгеновких дифрактометричских исследованиях, доктору г. м.н., профессору А.В. Лехову, доктору г. м.н., профессору В.А. Королеву и к.г. м.н., доценту С.К. Николаевой за ценные советы и замечания при подготовке диссертации, а также всему коллективу кафедры инженерной и экологической геологии за внимание, рекомендации и поддержку при подготовке работы. Автор благодарит к.г. м.н. А.Г. Кошелева за помощь в отборе и накоплении коллекции образцов моренных глинистых грунтов, и предоставлении фондовых материалов инженерно-геологических изысканий.