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

Глава 4. Особенности минерального состава и микростроения моренных глинистых грунтов г. Москвы.

Изучение отдельных фракций моренных глинистых грунтов показало, что изменение их минерального состава по фракциям имеет схожие тенденции как в московской, так и в донской морене. Изменение содержания кварца по мере роста размеров твердых структурных элементов носит сложный характер. Минимальное количество кварца (4-5 %) отмечается в глинистой фракции (< 0,001 мм). По мере увеличения размеров структурных элементов от мелко- до среднепесчаных фракций, происходит практически линейное возрастание содержания кварца до своего максимального количества ~90 %. В более крупных фракциях его содержание снижается до ~65 %.

При рассмотрении содержания плагиоклаза и КПШ видно, что во фракциях < 0,001 мм эти минералы отсутствуют или содержатся в очень малых количествах. С увеличением размера фракций от 0,001-0,005 мм до 1 2 мм содержание плагиоклаза и КПШ постепенно повышается от 2 % до 10 %, соответственно.

Анализ содержания карбонатных минералов показал, что из глинистых фракций обеих морен кальцит присутствует только в образцах донской морены (~3 %). С увеличением размеров фракций от < 0,001 мм до 0,01 0,05 мм содержание кальцита и доломита в донской морене увеличивается до 10-12 %, а в московской морене до 6-7 %. При увеличении размеров фракций до 0,1 мм содержание кальцита и доломита в образцах обеих морен уменьшается до первых процентов. В более крупных фракциях содержание доломита не превышает 1 %, тогда как количество кальцита постепенно увеличивается и во фракции 1-2 мм достигает 10 % и 18 % в образцах московской и донской морен, соответственно.

Все глинистые минералы в основном сконцентрированы во фракциях < 0,1мм. Их содержание максимально в глинистой фракции. Так, во фракции < 0,001 мм содержание слюдоподобных минералов (иллит-гидрослюда) составляет 42 %, смешанослойных минералов 15-20 %, каолинита 7-12 %. При возрастании размеров фракций до 0,1-0,05 мм содержание глинистых минералов постепенно снижается до первых процентов.

РАВ имеет максимальное содержание во фракции < 0,001 мм, достигая иногда 78 %. С увеличением размеров фракций содержание РАВ постепенно уменьшается и почти исчезает к фракции 0,05-0,1 мм, но во фракциях крупнее 0,25 мм появляется снова, причем в достаточно больших количествах от 10 % до 17 %. Этот факт, по мнению автора, объясняется спецификой морфологии зерен крупно-песчаных фракций - присутствием небольших углублений на их поверхности, заполненных высокодисперсным веществом.

Сопоставление данных химического и минерального составов субколлоидной фракции < 0,4 мкм моренного суглинка, в которой содержание РАВ достигает 78 %, показало, что 80-85 % этой фракции представлено глинистыми минералами, 11 % - оксидами железа и 5-9 % - тонкодисперсным кварцем. Также отмечается, что во многих образцах донской морены в составе РАВ выделяется 3-7 % пелитоморфного кальцита. Таким образом, учитывая отсутствие в составе моренных отложений аморфного кремнезема, состав РАВ можно связывать с наличием ультрамикроагрегатов высокодисперсных частиц глинистых минералов.

Исследование микроморфологических особенностей твердых структурных элементов глинистой фракции суглинков московской и донской морен показали, что они имеют схожую морфологию и представлены пластинчатыми глинистыми частицами (25 %) и листообразными анизометричными ультрамикроагрегатами (60-70 %) преимущественно иллит-гидрослюдистого и каолинитового минерального состава, а также полуугловатыми (коэффициент окатанности Уодела Q=0,2-0,3) зернами кварца и кальцита (5-15 %), причем кальцит содержится только в образцах донской морены.

Пылеватые фракции суглинков московской морены в основном представлены хорошоокатанными (Q=0,4-0,6) зернами кварца (40-50 %) и полевых шпатов (10-15 %), анизометричными микроагрегатами глинистых частиц (15-30 %) и полуугловатыми (Q=0,2-0,3) зернами кальцита (5-12 %) и доломита (5-12 %). Твердые структурные элементы пылеватых фракций суглинков донской морены отличаются лишь меньшей степенью окатанности зерен кварца и полевых шпатов, чем московской морены.

Песчаные фракции суглинков московской морены представлены в основном хорошоокатанными (Q=0,4-0,6) зернами кварца (60-80 %) и окатанными (Q=0,4) зернами полевых шпатов (10-15 %), полуугловатыми (Q=0,2-0,3) обломками известняка (5-10 %) и гранитов (5-15 %); песчаные фракции суглинков донской морены представлены в основном хорошоокатанными (Q=0,4-0,6) зернами кварца (40-60 %) и полевых шпатов (10-20 %), полуугловатыми (Q=0,2-0,3) обломками известняка (5-15 %) и гранитов (5-10 %).

Гравийные фракции глинистых грунтов московской морены представлены в основном полуугловатыми (Q=0,3-0,4) зернами кварца (40-60 %), обломками гранитов (10-20 %), песчаников (10 %) и известняков (< 5%); гравийные фракции в донской морене представлены в основном хорошоокатанными (Q=0,4-0,5) зернами кварца (20-40 %), обломками гранитов (15-20 %), песчаников (15-20 %), известняков (15-20 %), а также полуугловатыми (Q=0,2) зернами полевых шпатов (5-15 %). Крупные впадины (100-300 мкм) на поверхности зерен заполнены высокодисперсным веществом.

Изучение взаимосвязи минерального состава и морфологических особенностей твердых структурных элементов моренных суглинков (рис. 1) показало, что изменение степени окатанности основных породообразующих минералов (кварц, полевые шпаты и кальцит) по фракциям подчиняется следующей тенденции: сначала наблюдается некоторый рост значений коэффициента окатанности от фракций 0,001-0,005 мм (Q=0,4) до фракций 0,25-0,5 мм (Q=0,6). По мере дальнейшего увеличения размеров структурных элементов происходит уменьшение степени окатанности от фракции 1-2 мм (Q=0,6) до фракции 7-10 мм (Q=0,2).

Результаты количественного анализа микростроения, минерального состава и свойств суглинков московской и донской морен показали, что практически все изученные грунты по классификации В.Н. Соколова, В.Г. Шлыкова, В.А. Королева (1997) относятся к микроструктурно-минеральной разновидности ВIIс2 - крупнодисперсной, среднеориентированной, смешанной, со вторым типом ассоциации глинистых минералов (гидрослюда - смешанослойные - каолинит (хлорит)).

Применение разработанной автором методики подготовки и съемки образцов моренных глинистых грунтов для количественного анализа микроструктуры по РЭМ-изображениям позволило выявить новые особенности их микростроения. Результаты количественного анализа порового пространства моренных суглинков по РЭМ-изображениям приведены в таблице 1. Как следует из обобщенных данных по всем ключевым участкам, поровое пространство мореных суглинков в отличие от обычных глинистых грунтов представлено не четырьмя, а пятью категориями пор. Среди них можно выделить межчастичные ультрамикропоры с эквивалентным диаметром D₁ = 0,06-0,24 мкм; тонкие межультрамикро-агрегатные микропоры с D₂ = 0,11-2,30 мкм; мелкие межмикроагрегатные микропоры с D₃ = 1,67-19,84 мкм; крупные межмикроагрегатные микропоры с D₄ = 10,08-108,21 мкм; крупные межмикроагрегатно-зернистые <серповидные> микропоры с D₅ = 92,13-215,80 мкм. Наибольший вклад в общую пористость вносят крупные межмикроагрегатные микропоры (N₄ = 61-81%).

Таблица 1. Обобщенные результаты количественного анализа порового пространства моренных суглинков г. Москвы
Количественные параметры микроструктуры	Категории пор
	D1	D2	D3	D4	D5
моренные суглинки московского оледенения (gIIms)
Эквивалентный диаметр пор D, мкм	0,06-0,24	0,13-2,29	1,67-19,84	11,10-107,92	92,13-215,80
Вклад пор в общую пористость N, %	0,2-4,0	6,1-13,7	4,8-17,8	61,5-80,9	2,3-14,8
моренные суглинки донского оледенения (gIds)
D, мкм	0,06-0,23	0,11-2,30	1,79-19,62	10,08-108,21	95,17-208,77
N, %	0,5-3,9	3,9-16,1	3,8-19,6	61,3-78,0	1,2-11,6

Таким образом, использование методики пропитки глинистых образцов люминесцирующим полимером и возможность проведения корректного морфологического анализа порового пространства по РЭМ-изображениям, полученным в режимах CL и SE, позволили выявить присутствие в моренных суглинках пятой категории пор D₅. Поры новой категории образуются на границе между поверхностью крупных песчано-пылеватых кварцевых или полевошпатовых зерен и тонкодисперсной неориентированной глинистой матрицей (рис. 2). Несмотря на большую площадь (более 8000 мкм²), эти поры имеют специфическую анизометричную серповидную форму со средней шириной раскрытия ~ 20-40 мкм и длиной до ~ 200-300 мкм.

Присутствие крупных <серповидных> пор на границе между минеральными песчано-пылеватыми зернами и глинистой матрицей в моренных глинистых грунтах подтверждается изучением реплик. Как показали РЭМ-исследования, на реплике, полученной с поверхности скола замороженного образца суглинка донской морены, видны отпечатки кристаллов льда, образованных при замерзании поровой влаги. Лед заполняет крупные поры, вытянутые вдоль границы песчаного зерна и глинистой матрицы.

Формирование <серповидных> пор связывается автором с условиями эпигенетического преобразования моренных отложений. Такие поры могут образоваться при многократном промерзании и протаивании моренных глинистых грунтов. Поскольку теплоемкость песчано-пылеватых минеральных зерен (представленных кварцем, полевыми шпатами и обломками пород) меньше, чем у пористой глинистой матрицы моренного грунта, то при его промерзании происходит миграция воды к песчано-пылеватым зернам и ее замерзание у поверхности зерен, с образованием пор, заполненных льдом.

Несмотря на то, что выявленные <серповидные> поры составляют в моренных суглинках не более 14,8 % от общей пористости (т.е. ~4,3 % от объема грунта), их присутствие может объяснить причину аномального поведения таких грунтов, когда плотные моренные грунты, обладающие в естественных условиях высокой несущей способностью и являющиеся надежными основаниями для инженерных сооружений, интенсивно теряют свою прочность при утечках воды из подземных коммуникаций, а обнаженные стенки и дно строительных котлованов быстро выветриваются и разрушаются. В данном случае выявленные <серповидные> поры могут служить путями сосредоточенной фильтрации подземных вод через массив грунта, а также локальными дефектами структуры грунта. Подтверждение этого предположения было получено при микрозондовом анализе образца моренного суглинка, через который предварительно фильтровался раствор нитрата кадмия. Полученная карта распределения химических элементов показала, что кадмий достаточно хорошо локализовался в крупных порах и по границам между песчано-пылеватыми зернами и глинистой матрицей.