Сетевое издание
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ ЗАСОЛЕННЫХ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ

Каченов В.И. 1 Савченко А.О. 1 Ситева О.С. 1 Алванян А.К. 1
1 Пермский государственный национальный исследовательский университет
Прочностные свойства грунтов во многом определяются размером их структурных элементов. Однако вопросы изменения прочности засоленных гидрослюдистых глин в зависимости от концентрации поро-вого раствора изучены достаточно слабо. 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. При засолении глин CaCl2 и NaCl происходит коагуляция глинистых частиц, что влечет за собой изменения номенклатуры грунта, глина переходит в суглинок. При увеличе-нии концентрации солей в поровом растворе глин их сцепление закономерно уменьшается, а угол внут-реннего трения, наоборот, увеличивается. Разработаны математические модели, позволяющие прогнози-ровать изменения угла внутреннего трения и сцепления в зависимости от степени засоления глин хлори-дом натрия.
соли
скорость падения частиц
гидрослюдистые глины
пороги коагуляции
1. Галкин В.И., Середин В.В., Лейбович Л.О., Копылов И.С., Пушкарева М.В., Чирко-ва А.А. Оценка эффективности технологий очистки нефтезагрязненных грунтов // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. – 2012. - № 6. – С. 4-7.
2. Лолаев А.Б. Влияние засоленности на физико-механические свойства мерзлых грун-тов. / Сб. науч. трудов НИИ «Строительство. Механика». – Норильск, 1995. – 311 с.
3. Пушкарева М.В., Май И.В., Середин В.В., Лейбович Л.О., Чиркова А.А., Вековшини-на С.А. Экологическая оценка среды обитания и состояния здоровья населения на террито-риях нефтедобычи Пермского края // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. – 2013. - № 2. – С. 40-45.
4. Пушкарева М.В., Середин В.В., Лейбович Л.О., Чиркова А.А., Бахарев А.О. Инженер-но-экологическая оценка территории запасов подземных вод в связи с разработкой нефтя-ных месторождений // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. – 2013. - № 2. – С. 9-13.
5. Пушкарева М.В., Середин В.В., Лейбович Л.О.,Чиркова А.А. Оценка комплекса при-родоохранных мероприятий для объектов нефтедобычи, находящихся на территории зоны санитарной охраны (ЗСО) поверхностного водозабора // Защита окружающей среды в нефте-газовом комплексе. – 2011. - № 8. – С. 27-30.
6. Середин В.В., Галкин В.И., Пушкарева М.В., Лейбович Л.О., Сметанин С.Н. Вероят-ностно-статистическая оценка инженерно-геологических условий для специального райо-нирования // Инженерная геология. – 2011. - № 4. – С. 42-47.
7. Середин В.В., Галкин В.И., Растегаев А.В., Лейбович Л.О., Пушкарева М.В. Прогно-зирование карстовой опасности при инженерно-геологическом районировании территории // Инженерная геология. – 2012. - № 2. – С. 40-45.
8. Середин В.В., Лейбович Л.О., Пушкарева М.В., Копылов И.С., Хрулев А.С. К вопросу о формировании морфологии поверхности трещины разрушения горных пород. // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. – 2013. - № 3. – С. 85-90.
9. Ухов С.Б. Влияние искусственного засоления и рассоления связных грунтов на их фи-зико-механические свойства // Основания, фундаменты и механика грунтов. – 1961. - № 3. – С. 7-11.
10. Цытович Н.А., Кроник Я.А., Маркин К.Ф. и др. Физические и механические свойства засоленных грунтов // Труды II Международной конференции по мерзлотоведению. Докла-ды и сообщения. Вып. 4. – Якутск: Якутское книжн. изд-во, 1973. – С. 18-22.

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
фракций, %

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
в 1 г грунта, %

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.


Библиографическая ссылка

Каченов В.И., Савченко А.О., Ситева О.С., Алванян А.К. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ ЗАСОЛЕННЫХ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 6. ;
URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=11394 (дата обращения: 07.12.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074