Взаимосвязь микроструктурных, диффузионных и осмотических параметров глинистых грунтов

Глава 3. Методика исследований.

Рис. 1. РЭМ-изображения исследованных грунтов микроструктурно-минеральных разновидностей: 1 - тонкодисперсного класса слабоориентированного подкласса с коагуляционным типом структурных связей и смектитовым типом минеральной ассоциации (thIV, сапонит Архангельский), 2 - тонкодисперсного класса среднериентированного подкласса со смешанным типом структурных связей и смектитовым типом минеральной ассоциации (eP2ogl, огланлинская глина, Туркменистан), 3 - среднедисперсного класса слабоориентированного подкласса с коагуляционным типом структурных связей и смектитовым типом мин. ассоциации (thIV, осадок хвостохранилища, Айхальский ГОК, Якутия), 4 - среднедисперсного класса среднериентированного подкласса со смешанным типом структурных связей и гидрослюдистым типом минеральной ассоциации (mIIIhv, Каспий), 5 - среднедисперсного класса слабоориентированного подкласса с коагуляционным типом структурных связей и каолинитовым типом минеральной ассоциации (thIV, осадок хвостохранилища, трубка Нюрбинская, Якутия), 6 - крупнодисперсного класса среднеориентированного подкласса со смешанным типом структурных связей и каолинитовым типом минеральной ассоциации (prIII, покровный суглинок, Москва), 7 - крупнодисперсного класса слабоориентированного подкласса с коагуляционным типом структурных связей и гидрослюдистым типом минеральной ассоциации (mШhv, хвалынская глина, Каспий), 8 - крупнодисперсного класса высокоориентированного подкласса со смешанным типом структурных связей и гидрослюдистым типом минеральной ассоциации (mШhv, хвалынская глина, Каспий)

В работе были использованы экспериментальные, численные (на основе ПО) и расчетные методы оценки диффузионно-осмотических и структурных параметров грунтов. Показатели свойств грунтов определялись стандартными методами. Микроструктурные параметры грунтов были определены с помощью растровой электронной микроскопии (РЭМ). Минеральный состав грунтов определялся рентгено-структурным методом. Для статистической обработки полученных результатов использовались корреляционный, регрессионный анализы, а также ряд базовых статистических приемов.

Коэффициент извилистости определялся тремя способами: 1) путем расчёта на основе результатов лабораторных экспериментов как отношение электропроводности раствора электролита к электропроводности грунта, насыщенного данным электролитом; 2) путем расчёта при помощи эмпирической формулы Викке, использующей значения пористости; 3) в ходе моделирования на основании РЭМ-изображений грунтов при помощи пакета программ <СТИМАН>, разработанного В.Н.Соколовым, Д.И.Юрковцом и О.В.Разгулиной.

При выполнении работы был реализован комплексный подход к экспериментальному исследованию диффузионно-осмотических свойств грунтов, выражающийся в использовании нескольких методик для определения диффузионно-осмотических параметров. Это позволило преодолеть недостатки отдельных методик и исследовать широкий спектр грунтов как естественной, так и нарушенной структуры, как полностью водонасыщенных, так и с неполной степенью водонасыщения.

Диффузионные и осмотические параметры грунтов определялись экспериментально по широко апробированной И.А.Брилинг, В.А.Королёвым, А.Н.Галкиным и др. методике в диффузионно-осмотической двухкамерной ячейке. Диффузионно-осмотическая двухкамерная ячейка выполнена из оргстекла и состоит из обоймы с грунтом, закрепленной между двумя перфорированными цилиндрами. Один из цилиндров служит камерой для дистиллированной воды, другой - для исследуемого раствора соли (2н KCl). Камеры-цилиндры имеют прямую связь с градуированными капиллярами, позволяющими отследить скорость осмотического передвижения воды. Прибор позволяет отбирать пробы воды из цилиндра, в котором первоначально был дистиллят. И по определению изменения удельной электропроводности раствора во времени находить изменение концентрации раствора, с помощью которого затем рассчитывались коэффициенты диффузии и осмоса. Данная методика позволяет определять диффузионные и осмотические параметры образцов грунтов как нарушенного, так и естественного сложения. Ограничением методики является необходимость водонасыщения образцов в ходе эксперимента, что не позволяет отследить влияние степени водонасыщения на диффузионно-осмотические процессы. Поэтому в работе дополнительно проводились эксперименты по методике послойного отбора проб (метод А.А.Чернова), лишенной указанного ограничения.

Помимо экспериментального определения коэффициента диффузии, в ходе работы проводился его расчет. Расчетные способы оценки коэффициента диффузии основывались на выражении данного показателя через коэффициент молекулярной диффузии (определяемый по формуле Эйнштейна), пористость и коэффициент извилистости. Пористость определялась стандартным способом на основе экспериментальных данных о плотности твердой компоненты и плотности скелета. Коэффициенты диффузии были рассчитаны тремя способами, отличия которых состояли в использовании полученных разными путями коэффициентов извилистости: 1) определенных экспериментально методом электропроводности; 2) рассчитанных по значениям экспериментальной пористости по формуле Викке; 3) рассчитанных по программе <СТИМАН> на основе количественного анализа РЭМ-изображений. При этом в ходе работы была решена задача выбора оптимального для каждой микроструктурно-минеральной разновидности увеличения РЭМ-снимков для расчета коэффициента извилистости.

Использование в работе экспериментальных, численных и расчетных методов оценки диффузионно-осмотических и структурных параметров грунтов дало возможность сравнивать результаты, полученные разными методами, и определять оптимальные условия применения каждого из методов.