Формирование структурных связей в аргиллитоподобных глинах сочинской свиты в г. Сочи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Формирование структурных связей в аргиллитоподобных глинах сочинской свиты в г. Сочи

А.А. Хмелевцов

Объектом настоящих исследований являются аргиллитоподобные глины района г. Большой Сочи (далее АПГ), представленные глинистыми отложениями верхнепалеогенового возраста (P₃). Исследуемые грунты широко распространены на территории г. Большой Сочи и залегают в виде слоистой субфлишевой толщи с редкими прослоями песчаников, аргиллитов и алевролитов небольшой мощности (от 0,01 до 0,2, реже 0,5-0,8 м.). Характерной особенностью АПГ является разуплотнение при вскрытии и набухание при замачивании. В пределах района исследований залегают отложения аргиллитоподобных глин сочинской (P₃ sи) свиты, мощность которых в отдельных районах достигает ста и более метров.

В районе г. Большой Сочи в настоящее время ведутся работы по улучшению инфраструктуры города, застраиваются новые территории и проводятся мероприятия по укреплению склонов. Рассматриваемая территория характеризуется сложным геологическим строением и широким разнообразием горных пород, слагающих склоны откосов и служащих основанием для различных инженерных сооружений. Среди них выделяется большая группа глинистых грунтов, которые являются одним из важнейших объектов исследования инженерной геологии, в связи с разнообразием их физических и физико-механических свойств [1]. Отдельное место в группе глинистых грунтов занимают аргиллитоподобные глины. Данные грунты обладают специфическими свойствами, осложняющими производство инженерно-геологических изысканий и процесс строительства.

АПГ в природном сложении прочные, имеют слоистую структуру, характеризуются высокой плотностью (до 2,40-2,50 г/см³), но при вскрытии саморазуплотняются, при замачивании проявляют набухание и переходят из твердого в пластичное состояние. Это обусловлено структурой, вещественным составом и высокой степенью литификации АПГ [2].

Во многих отчётах по инженерно-геологическим изысканиям для решения строительных задач исследуемые грунты относят в одних случаях к полускальным, а в других случаях к глинистым породам без детального изучения их свойств в природном залегании, при вскрытии и при взаимодействии с водой, что не всегда отражает все действительные характеристики АПГ.

Формирование инженерно-геологических свойств горных пород всегда рассматривалось в тесной связи с генезисом и всей историей существования горной породы, с теми процессами, влияние которых она испытала вплоть до настоящего времени. Сейчас уже доказано, что физико-механические свойства пород определяются особенностями геологического строения и геологической историей их жизни [3, 4]. Для установления природы переуплотненного состояния и специфических физико-механических свойств АПГ необходимо кратко рассмотреть условия их образования.

В верхнем палеогене, в эпоху эоцен-олигоцена, началось формирование горного сооружения Кавказа. Накопление отложений сочинской свиты происходило в верхнем палеогене (олигоцене) за счет поверхностного смыва терригенного материала горных сооружений Кавказа и его отложения в опресненных лагунах и мелководном шельфе, после чего они испытывали диагенетические и катагенетические преобразования на глубинах до 1.5 км при температурах около 60° С [5,6]. Климат также оказывал существенное влияние на формирование глинистого осадка, в основном через воздействие на прилегающую сушу. Он определяет тип и скорость выветривания и таким образом тип осадка, транспортируемый в седиментационный бассейн [7]. Эти периоды определили характерное строение слоистой толщи чередования глин, аргиллитов, алевролитов и песчанников, поднятых впоследствии на дневную поверхность в результате горобразования. Слоистость такого типа носит название градационной слоистости, в которой изменяется размерность слагающих пласт зерен [8].

При попадании в водную среду глинистые частицы формируют вокруг себя двойной электрический слой и образуется дисперсная система. Под влиянием, преимущественно, гравитационных сил в процессе седиментации глинистые частицы сближаются и начинают взаимодействовать друг с другом. Образуются рыхлые отложения текучей консистенции с преобладанием дальних коагуляционных контактов между частицами, которые на стадии диагенеза перекрываются новыми порциями осадков и преобразуются в породу под влиянием биохимических и физико-химических процессов [9]. аргиллитоподобное глинистое сочи грунт

При уплотнении глинистого осадка под внешними нагрузками от вышележащей толщи грунтов, с повышением внешнего давления происходит отжатие поровой воды (дегидратация), как следствие уменьшение и частичное разрушение толщины диффузного (осмотического) слоя и уменьшение расстояния между глинистыми частицами. С уменьшением расстояния между частицами, происходит изменение электростатического взаимодействия между частицами с изменением потенциала на границе адсорбционного и диффузного слоёв. В результате сближения частиц и перекрытия диффузных слоёв двойного электрического слоя часть катионов, находящихся в диффузном слое на поверхности одной из частиц, вступают во взаимодействие одновременно с обеими поверхностями. Это приводит к появлению между частицами дополнительных сил ионно-электростатического притяжения, с образованием так называемых ионно-электростатических "мостиков", которые вместе с молекулярными силами значительно увеличивают энергию взаимодействия (притяжения) частиц. Описанный процесс усиливается взаимным поджатием частиц под влиянием капиллярных менисков в результате дегидратации глин. При этом энергия ионно-электростатического взаимодействия при малых толщинах гидратных прослоек на много превышает энергию молекулярного притяжения [10]. Таким образом, происходит формирование дополнительных сил притяжения за счёт ионно-электростатических сил. Одновременное уплотнение глинистого осадка под действием гравитационных сил с его дегидратацией обеспечивает максимально эффективный процесс уплотнения.

При дальнейшем сближении глинистых частиц под действием внешнего давления и капиллярного поджатия гидратная пленка утончается и продавливается (разрушается) в результате чего частицы соприкасаются и в отдельных точках образуются новые контакты - переходные или точечные [10] - ограниченные по размеру метастабильные площадки с преобладанием сил электростатической и химической природы. При этом часть контакта, окружающая точечный контакт, сохраняет черты коагуляционного. Переходными эти контакты были названы в следствии того, что их поведение определяется как молекулярными взаимодействиями (на коагуляционных участках контакта), так и более прочными силами химической и ионно-электростатической природы (на участках непосредственного соприкосновения частиц) [10]. Преобладание переходных или точечных контактов характерно для твердого состояния глин.

В результате последующего роста геостатического давления и температуры на стадии начальных катагенетических преобразований частицы плотно поджимаются друг к другу, за счет чего увеличивается площадь их контакта и происходит формирование фазовых контактов за счет ионно-электростатических связей.

Механизм формирования фазового контакта заключается в следующем. При сближении контактирующих глинистых частиц и уменьшении угла, под которым они контактируют, происходит их переориентируются параллельно друг другу, увеличение площади взаимодействия частиц с образованием всё большего количества ионно-электростатических связей и повышением прочности контакта. Расчётная величина силы притяжения, приходящейся на один ионно-электростатический контакт ("мостик") достигает 0,14*10^-10 Н [10]. Экспериментально доказано, что при достижении суммарной силы притяжения между глинистыми частицами микронного размера равной 3*10^-7 Н контакт становится необратимым фазовым [10]. Расчетным путем, зная величину силы притяжения глинистых частиц, при которой контакт становится водостойким и необратимым фазовым (3*10^-7) и величину силы притяжения, приходящейся на один ионно-электростатический контакт ("мостик"), можно получить количество контактов ("мостиков"), необходимых для образования необратимого фазового контакта:

3*10^-7/ 0,14*10^-10 = 2,1*10⁴

Из расчетов следует, что в случае образования на контакте двух глинистых частиц микронного размера ионно-электростатических связей в количестве < 2,1*10⁴ контакт является метастабильным и обратимым. А это значит, что в случае снятия внешнего давления и дополнительного увлажнения глин гидратация катионов в контактной зоне возрастает, что приводит к увеличению расстояния между частицами и обратной трансформации контактов сначала в точечные, а потом и в коагуляционные.

В аргиллитоподобных глинах сочинской свиты сформировались контакты между глинистыми частицами близкие по сути к фазовым, но из-за недостаточного количества солей частицы не были сцементированы и образования химических связей не произошло. Между частицами действуют ионно-электростатические силы и за счёт этого структурные контакты между глинистыми частицами остаются обратимыми.

Высокая степень литификации и обратимость "ложных фазовых" контактов при взаимодействии с водой является причиной неустойчивого поведения аргиллитоподобных глин при вскрытии, поэтому изменение их свойств крайне важно учитывать при проектировании.

Литература

1. Mariacristina Bonini, Marco Barla, Giovanni Barla. Comportamento rigonfiante delle argille scagliose sulla base di nuove determinazioni sperimentali // Incontro Annuale dei Ricercatori di Geotecnica 2002 - IARG 2002, Napoli, 19-21 Giugno 2002 /Dipartimento di Ingegneria Strutturale e Geotecnica, Politecnico di Torino. - P.19-21.

2. Хмелевцов, А.А. Вещественный состав аргиллитоподобных глин района г. Большой Сочи [Электронный ресурс]// "Инженерный вестник Дона", 2011, №1. - Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n1y2011/379 (доступ свободный) - Загл. с экрана. - Яз. рус.

3. Ипатов П.П. Региональная инженерная геология: учебное пособие. Томск: Изд-во ТПУ, 2007. - 140 с.

4. Хмелевцов, А.А. Условия формирования и специфические свойства аргиллитоподобных глин района г. Большой Сочи [Электронный ресурс]// "Инженерный вестник Дона", 2010, №3. - Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n3y2010/231 (доступ свободный) - Загл. с экрана. - Яз. рус.

5. Астахов С.М. Оценка углеводородного потенциала Туапсинского прогиба на основе методик бассейнового моделирования: автореф. дис. …канд. геол. -мин. наук / С.М. Астахов. - Ростов н/Д., 2011. - 23 с.

6. Брагин Е.Д. Литолого-минералогические особенности и свойства четвертичных и олигоценовых пород Сочинского района Черноморского побережья Кавказа в связи с оползнями: дисс. … канд. геол. -мин. наук: 25.00.08: защищена 1973 / Е.Д. Брагин. - Ростов - н/Д, 1973. - 181 с.

7. Рединг Х.Г. Обстановки осадконакопления и фации. В 2 т. Т. 1.: пер. с англ. / Х.Г. Рединг, Дж. Д. Коллинсон, Ф.А. Аллен [и др.]; пер. с англ. И.С. Барскова, И.Н. Индолеева, И.О. Мурдамаа [и др.]; под ред. П.П. Тимофеева. - М.: Мир, 1990. - 352 с.

8. Кузнецов В.Г. Литология. Осадочные горные породы и их изучение: учебное пособие для вузов. - М.: ООО "Недра-Бизнесцентр", 2007. - 511 с.

9. Bradley W.F. Analysis of mixed-layer clay mineral structures // Analyt. Chem. 25, (1953). P. 727-730.

10. Осипов, В.И., Соколов, В.Н. Глины и их свойства. Состав, строение и формирование свойств [текст]: научное издание - М.: ГЕОС, 2013. - 576 с.

Размещено на Allbest.ru