Развитие промышленности является одним из ведущих факторов, оказывающих техногенное влияние на геологическую среду, что приводит к негативным последствиям, как для природной среды, так и для человека [1, 3, 4]. Для рационального размещения промышленных объектов следует производить районирование территории [6, 8].
Исследованием формирования деформационных свойств засоленных грунтов занимались М.Ю. Абелев, А.А. Глазь, Р.С. Зиангиров. По данным Б. Рахманова [8], условное расчетное сопротивление засоленного грунта может снижаться в 1,4-1,8 раза при выщелачивании. При этих же условиях дополнительная осадка фундамента может увеличиваться в
1,2-1,5 раза. Изучением прочностных свойств засоленных грунтов занимались В.М. Безрук, Л.Н. Ломизе, С.Б. Ухов [9], А.Б. Лолаев [2], В.В. Середин [7], Н.А. Цытович [10] и др.
В своих работах они отмечают, что прочностные свойства грунтов во многом определяются размером их структурных элементов. Однако вопросы изменения прочности засоленных гидрослюдистых глин в зависимости от концентрации порового раствора изучены достаточно слабо.
Поэтому целью работы является изучение закономерностей формирования прочностных свойств глин при их засолении.
Методика исследований
В основу методики исследований положена концепция о том, что при подготовке образцов к испытаниям на срез изменялись только состав и концентрация порового раствора глин, остальные показатели оставались постоянными.
Подготовка образцов для испытания их на сдвиг производилась следующим образом:
- в сухой грунт, массой 1200 г, добавлялся раствор CaCl2 и NaCl в концентрациях 0,05 %, 1 %, 10 %, 20 %, а также вода водопроводная. Объем раствора в каждой пробе составлял 300-330 мл;
- затем производилось уплотнение всех образцов грунта двумя ступенями нагрузки, первая ступень составляла P = 0,05 МПа, вторая P = 0,1 МПа;
- после чего проводились сдвиговые испытания образцов глин на приборе ГГП-30;
- устанавливались взаимосвязи между показателями прочности глин и степенью их засоления;
- кроме того, определялись физические свойства глин, согласно ГОСТу 5180-85, гранулометрический – ГОСТ 12536-79 и минеральный состав.
Результаты экспериментальных исследований
Объектом исследования являются глины, отобранные в Пермском крае. Гранулометрический состав грунтов представлен в табл. 1.
Таблица 1. Гранулометрический состав
|
Диаметр частиц, мм |
Содержание |
|
1–0,5 0,5–0,25 0,25–0,1 0,1–0,05 0,05–0,01 0,01–0,005 0,005–0,001 <0,001 |
0 3 9 17 25 16 17 13 |
Минеральный состав представлен в табл. 2. Результаты исследований физико-механических свойств глин приведены в табл. 3.
Таблица 2. Минеральный состав глинистых частиц
|
Минерал |
Содержание |
|
|
гидрослюда монтмориллонит кварц хлорит гетит каолинит кальцит КПШ |
(КН3О)Аl2(ОН)2*[(Si,Al)4O10]nH2O (Са,Na)(Mg,Al,Fe)2(OH)2*[(Si,Al)4O16]*nH20 SiO2 (Mg, Fe)6(Al,Fe)2Si4O10[OH]8 a-FeOOH Al4[Si4O10]* (ОН)8 СаСО3 |
67 3 20 6 4 – – – |
Таблица 3. Результаты исследований физико-механических свойств глин
|
Состав порового раствора |
Концентрация порового раствора, Кп, % |
Влажность, W, % |
Влажность на границе текучести, WL, % |
Влажность на границе раскатывания Wр, % |
Число пластичности, IL |
Плотность, ρ, г/см3 |
Сцепление, С, МПа |
Угол внутреннего трения, φ, град. |
|
H2O |
0 |
30,75 |
39,06 |
19,49 |
19,57 |
1,81 |
25,00 |
15,38 |
|
CaCl2 |
0,05 |
31,70 |
39,65 |
20,43 |
19,22 |
1,81 |
18,75 |
19,29 |
|
CaCl2 |
1 |
31,56 |
37,61 |
23,04 |
14,57 |
1,82 |
16,25 |
21,18 |
|
CaCl2 |
10 |
30,25 |
34,58 |
20,37 |
14,21 |
1.85 |
13,75 |
21,49 |
|
CaCl2 |
20 |
30,00 |
32,52 |
21,55 |
10,97 |
1,85 |
16,00 |
20,40 |
|
NaCl |
0.05 |
31,00 |
39,17 |
20,43 |
18,74 |
1,82 |
24,17 |
16,03 |
|
NaCl |
1 |
31,02 |
37,69 |
23,51 |
14,18 |
1,81 |
22,50 |
16,70 |
|
NaCl |
10 |
30,98 |
33,78 |
21,84 |
11,97 |
1,85 |
15,02 |
23,03 |
|
NaCl |
20 |
29,77 |
31,19 |
21,68 |
9,51 |
1,85 |
16,67 |
24.23 |
Обсуждение результатов экспериментов
Анализ исследований гранулометрического состава грунтов (табл. 1) показал, что грунты сложены на 30 % глинистыми частицами, на 41 % пылеватыми и на 29 % песчаными частицами. Таким образом, в качестве объекта исследований имеем глину песчано-пылеватую.
Исследования минерального состава грунтов показало, что гидрослюда является преобладающим глинистым минералом (67 %), монтмориллонит имеет подчиненное значение (3 %).
Анализ изменения влажности глин на пределе текучести (WL) в зависимости от концентрации порового раствора (Кп) показал, что с увеличением Кп значения WL уменьшаются. Между этими показателями установлена корреляционная связь, о чем свидетельствует значимое значение коэффициента корреляции r = –0,90 для CaCl2 и r = –0,91 для NaCl. Наличие тесной корреляционной связи между WL и Кп свидетельствует о том, что концентрация порового раствора определяет толщину диффузного слоя вокруг глинистой частицы, то есть контролирует объем рыхлосвязанной воды в грунте.
Зависимость влажности глин на пределе раскатывания (Wр) от концентрации порового раствора (Кп) установить не удалось, r = 0,14 для CaCl2 и r = 0,22 для NaCl. Это свидетельствует о том, что на формирование вторичноориентированной воды Кп влияния не оказывает.
На рис. 1 приведен график изменения числа пластичности (Ip) от концентрации порового раствора. Из рис. 1 видно, что с увеличением концентрации порового раствора глин число пластичности уменьшается. Это свидетельствует о том, что засоление грунтов приводит к коагуляции глинистых частиц. При этом в начальной стадии засоления (Кп = 0,05-1,00 %) процесс коагуляции протекает наиболее интенсивно. В результате коагуляции глина переходит в суглинок, то есть меняется первоначальная номенклатура грунта.
Рисунок 1. Изменение числа пластичности (Ip) от концентрации порового раствора глин
Результаты сдвиговых испытаний засоленных глин оформлялись в виде паспортов прочности (рис. 2 и рис. 3), с которых снимались значения сцепления и угла внутреннего трения (табл. 3).
Из табл. 3 видно, что при увеличении концентрации порового раствора сцепление уменьшается, а угол внутреннего трения, наоборот, увеличивается. Наиболее значительное изменение c и φ наблюдается при изменении концентрации Кп до 0,05 %.
Проведенный корреляционный анализ установил, что между концентрацией солей натрия в поровом растворе глин и углом внутреннего трения наблюдаются статистическая связь r = 0,95 при α = 0,05 (критическое r = 0,63). Подобная же взаимосвязь характерна для Кп и С r = –0,85 при α = 0,05. Рассчитаны уравнения связи:
φ = 16,2719 + 0,4537 Кп
с =23,5453 + 0,4491 Кп
Взаимосвязей между концентрации солей кальция хлора в поровом растворе глин и углом внутреннего трения и сцепления установить не удалось.
Рисунок 2. Паспорта прочности глин засоленных NaCl
Рисунок 3. Паспорта прочности глин засоленных CaCl2
Заключение. На основании экспериментальных исследований установлено, что при засолении глин солями CaCl2 и NaCl происходит коагуляция глинистых частиц, это влечет за собой изменение номенклатуры грунта, глина переходит в суглинок. При увеличении концентрации солей в поровом растворе глин, их сцепление закономерно уменьшается, а угол внутреннего трения, наоборот, увеличивается. Разработаны математические модели, позволяющие прогнозировать изменения угла внутреннего трения и сцепления в зависимости от степени засоления глин хлоритом натрия.
Рецензенты:
Наумова О.Б., д.г.-м.н., зав. кафедрой поисков и разведки полезных ископаемых Пермского государственного национального исследовательского университета, г. Пермь.
Середин В.В., д.г.-м.н., профессор, заведующий кафедрой инженерной геологии и охраны недр Пермского государственного национального исследовательского университета, г. Пермь.