«МИКРОСТРУКТУРА ДИСПЕРСНЫХ ГРУНТОВ ЮГА ВОСТОЧНОЙ СИБИРИ И СОПРЕДЕЛЬНЫХ ТЕРРИТОРИЙ (НА ПРИМЕРЕ КЛЮЧЕВЫХ УЧАСТКОВ) ...»

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Вашестюк Юлия Владимировна

МИКРОСТРУКТУРА ДИСПЕРСНЫХ ГРУНТОВ

ЮГА ВОСТОЧНОЙ СИБИРИ И СОПРЕДЕЛЬНЫХ ТЕРРИТОРИЙ

(НА ПРИМЕРЕ КЛЮЧЕВЫХ УЧАСТКОВ)

Специальность 25.00.08 – «Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Научный руководитель:

доктор геолого-минералогических наук, профессор Тамара Гурьевна Рященко Иркутск – Оглавление Введение …………………………………………………………………..... Глава 1. Современное состояние проблемы изучения микроструктуры дисперсных грунтов ………………………... 1.1. Грунт – дисперсная система ……………………………………. 1.2. Микроструктура дисперсных грунтов и результаты ее изучения (обзор материалов) ………………………………….... 1.3. Этапы изучения микроструктуры лессовых и глинистых грунтов на юге Восточной Сибири …………………………….. Глава 2. Методы изучения микроструктуры дисперсных грунтов ключевых участков……………………………………... 2.1. Определение детального структурного индекса грунта (метод А.К. Ларионова)…………………………………………. 2.2. Метод «Микроструктура»……………………………………….. 2.3. Метод растровой электронной микроскопии (РЭМ-изображения) ……………………………………………… 2.4. Программы «Стандартная статистика» и «Кластер-анализ»…. Глава 3. Особенности микроструктуры дисперсных грунтов ключевых участков…………………………………………………………… 3.1. Результаты определения микроструктуры различными методами …………………………………………... 3.2. Микроструктурные особенности грунтов различных геолого-генетических комплексов……………………………… 3.3. Микроструктура лессовых и глинистых грунтов инженерно-геологических разрезов …………………………..... 3.3.1. Разрез «Саянск» ………………………………………………. 3.3.2. Разрез «Иркутск» …………………………………………….. 3.3.3. Разрез «Биробиджан» ………………………………………... 3.3.4. Разрез «Мальта» ……………………………………………... Глава 4. Сравнительный анализ параметров микроструктуры дисперсных грунтов различных объектов (результаты расчетов по программе «Стандартная статистика»)…………… 4.1. Объекты исследований ………………………………………….. 4.2. Результаты и их обсуждение ……………………………………. Глава 5. Микроструктура и некоторые свойства лессовых и глинистых грунтов …………………………………………….. 5.1. Набухание и усадка (лабораторный эксперимент) ……………. 5.2. Микроструктура, набухание, усадка и пластичность грунтов …………………………………………………………… 5.3. Параметры микроструктуры и удельное сцепление грунтов ……………………………………………………………. 5.4. Микроструктура и размокание грунтов …………

Заключение …………………………………………………………………. Литература …………………………………………………………………..

ВВЕДЕНИЕ

Работа посвящена изучению микроструктуры (микростроения) дисперсных (лессовых и глинистых) грунтов юга Восточной Сибири и сопредельных территорий, которое проводилось на примере ключевых участков, расположенных в Приангарье, Прибайкалье, Забайкалье, Дальнем Востоке (Биробиджан, Приморье) и Монголии; кроме того, исследовалась микроструктура коллекционных образцов лессов Северо-Западного Китая, Франции и Польши.

Актуальность работы.

дисперсных грунтов, представленных различными геолого-генетическими комплексами (ГГК), параметры микростроения рассматриваются как признаки их литогенеза, которые оказывают влияние на целый ряд свойств физико-химического (набухание, усадка, пластичность) и механического (удельное сцепление) характера. Особенности микроструктуры отражают своеобразными корреляторами для их разнообразных группировок, а также позволяют исследовать характер микроструктурных изменений в вертикальном разрезе грунтовой толщи.

Термин «геолого-генетический комплекс» (ГГК), который применяет автор в диссертационной работе, объединяет отложения одного генезиса и возраста и включает определенные литологические группы. Например, делювиальный верхнечетвертичный комплекс (dQ3), представлен лессовидными грунтами (ls) или эоловый нижнечетвертичный комплекс (vQ1), представлен лессами (lss). Этот термин был предложен в качестве классификационного при инженерно-геологической характеристике кайнозойских отложений [Инженерная геология СССР …, 1977] В связи с тем, что изучение микроструктуры грунтов представляет собой специальный блок информации, которая обычно отсутствует при инженерно-геологических изысканиях, но часто является управляющим фактором при оценке различных, в том числе и опасных их свойств, можно сделать вывод об актуальности выбранной темы исследований, тем более что они продолжают начатое еще в 60-70-х годах прошлого века изучение микростроения лессовых и глинистых отложений региона [Рященко, 1967, 1971, 1984; Домрачев, 1967].

Цель работы: исследование микроструктуры лессовых и глинистых грунтов ключевых участков юга Восточной Сибири и сопредельных территорий с помощью нового метода «Микроструктура» и выявление влияния микростроения на различные свойства этих грунтов.

Задачи исследований.

1. Выполнить обзор проблемы изучения микроструктуры дисперсных связных грунтов в процессе инженерно-геологических исследований на общенациональном (СССР – Россия), зарубежном и региональном уровнях.

Рассмотреть применяемые автором методики определения параметров микроструктуры грунтов и способы обработки полученной информации.

3. Выявить особенности микростроения ГГК лессовых и глинистых грунтов на примере ключевых участков на юге Восточной Сибири и сопредельных территориях.

Используя программу «Стандартная статистика», провести сравнительный анализ параметров микроструктуры грунтов изученных семи объектов.

5. Оценить влияние параметров микроструктуры на физико-химические и прочностные свойства грунтов.

Объектами исследований являются дисперсные связные грунты – глинистые речные (дельта р. Селенги – коллекция Е.А. Ильичевой) и разновозрастные озерные (оз. Байкал – коллекция Е.Г. Вологиной) донные осадки; лессовые и глинистые грунты, образцы которых были отобраны из расчисток – обнажений на острове Ольхон (коллекция Е.А. Козыревой), в Приангарье (коллекция О.А. Мазаевой), Забайкалье (район г. Улан-Удэ – коллекция Т.Г. Рященко); в Тункинской впадине – разрез «Икубур» (район д.

Еловка), на левобережье Осинского залива Братского водохранилища – разрезы-расчистки «Игетейский – лог1» (исследования проводились в рамках проекта РФФИ), по правобережью р. Китой в районе г. Ангарска – уступ 20метровой террасы (коллекция А.А. Щетникова), в Приморье (Угловский и Лучегорский карьеры – коллекция Н.И. Беляниной), в районе г. Эрдэнэта в Монголии (коллекция Т.Г. Рященко). Использованы образцы из инженерногеологических скважин, пройденных в районе пос. Балаганка, городов Саянск, Свирск, Биробиджан (материалы ЦЭГИ ИрГТУ) и Иркутск (материалы грунтоведческой группы Аналитического центра ИЗК СО РАН).

Кроме того, исследована микроструктура коллекционных образцов лессов из районов Северо-Западного Китая (г. Ланьчжоу), Франции (г. Страсбург) (коллекция Т.Г. Рященко) и Польши (г. Люблин – Малопольская возвышенность) (коллекция В. А. Пеллинена). Перечисленные ключевые участки отбора образцов глинистых и лессовых грунтов показаны на рис. 1.

Рис. 1. Ключевые участки отбора образцов глинистых и лессовых грунтов.

Исходные материалы. В основу диссертационной работы положены исследования микроструктуры дисперсных грунтов, выполненные автором по новому методу «Микроструктура», разработанному в грунтоведческой группе Аналитического центра Института земной коры СО РАН [Рященко и др., 2009; Рященко, 2010]. Кроме того, определялся детальный структурный индекса лессовых и глинистых грунтов [Ларионов, 1971] и представлены типы микроструктуры по РЭМ-изображениям.

Использовались результаты лабораторного эксперимента, связанного с изучением влияния влажности и микроструктуры грунта на его набухание и усадку. Для целей сравнительного анализа и количественной оценки взаимосвязей параметров микроструктуры и показателей физико-химических и прочностных свойств грунтов были выполнены исследования с применением компьютерных программ «Стандартная статистика» и «Кластер-анализ».

определялись для каждого образца по методу «Микроструктура», равнялось 28 (основных – 10). Всего было проанализировано более 150 образцов, часть из них (это были воздушно-сухие микромонолиты – аналоги образцов (устанавливались класс, подкласс, вид и разновидность микроструктуры и проводилось сравнение с данными метода «Микроструктура»).

Использовались ранее полученные РЭМ-изображения микроструктур некоторых образцов. Кроме того, весной 2011 г. в Техническом центре Национального исследовательского государственного Иркутского Аналитического центра ИЗК СО РАН кандидата геолого-минералогических наук Т.Ю. Черкашиной были получены РЭМ-изображения единичных объектов.

Личный вклад автора. В процессе подготовки диссертационной работы автор выполнила следующий комплекс исследований, направленный на решение поставленных задач: 1) проанализировала опубликованные материалы по проблеме изучения микроструктуры дисперсных грунтов при их инженерно-геологической оценке на общенациональном (СССР – Россия), зарубежном и региональном (юг Восточной Сибири) уровнях; 2) реализовала новый метод «Микроструктура» (проводила гранулометрический анализ лессовых и глинистых грунтов методом пипетки с тремя способами подготовки образца, выполнила специальные расчеты для получения параметров микроструктуры); 3) установила детальный структурный индекс грунтов по методу А.К. Ларионова; 4) по образцам-пастам определяла относительное набухание, объемную усадку и удельное сцепление; 5) провела лабораторный эксперимент по изучению влияния влажности и микроструктуры на усадку и набухание грунта; 6) составила матрицы данных и выполнила расчеты по программам «Стандартная статистика» и «Кластеранализ»; 7) установила характер взаимосвязей между параметрами микроструктуры и исследованными свойствами лессовых и глинистых грунтов.

Методы исследований. При выполнении диссертационной работы грунтоведческой группе Аналитического центра ИЗК СО РАН. Кроме того, применялась методика А.К. Ларионова [Ларионов, 1971] для определения детального структурного индекса грунта. Выполнялся лабораторный эксперимент для выяснения влияния микроструктуры и влажности на усадку и набухание лессовых и глинистых грунтов.

Применение программы «Стандартная статистика» (исследовались семь групп грунтов – всего 91 образец) позволило установить параметры микроструктуры, которые являются признаками генетической принадлежности лессовых и глинистых отложений, в том числе донных и озерных осадков глинистого состава.

Кластерный анализ R-типа выявил корреляционные связи между параметрами микроструктуры, набуханием, усадкой, пластичностью и прочностью (удельным сцеплением) исследованных грунтов.

Одним из методических приемов явился сравнительный анализ микроструктурных параметров, определенных различными методами («Микроструктура» – метод А.К. Ларионова – РЭМ-изображения), а также установленных для грунтов различных ГГК.

Научная новизна выполненной работы заключается в следующем.

1. Впервые на большом фактическом материале получены комплексные данные о микроструктуре лессовых и глинистых грунтов ключевых участков юга Восточной Сибири и сопредельных территорий, при этом использован новый метод «Микроструктура» (имеем 28 микроструктурных параметров) в сочетании с определением детального структурного индекса грунта.

2. Выполнен анализ микроструктуры грунтов различных ГГК, донных речных и озерных осадков и погребенных почвенных горизонтов; установлен характер микроструктурных изменений в вертикальном разрезе грунтовой толщи (инженерно-геологические разрезы).

3. Впервые на основе статистической обработки данных о параметрах микроструктуры различных объектов (рассмотрены семь групп образцов), полученных по методу «Микроструктура», проведен их сравнительный анализ и установлены ведущие микроструктурные признаки, которые отражают условия формирования отложений.

4. Одновременно с параметрами микроструктуры определялись показатели набухания, усадки, пластичности и сдвиговой прочности грунта, что позволило впервые количественно оценить их взаимосвязи с помощью кластерного анализа R-типа.

Защищаемые положения.

1. Параметры микроструктуры лессовых и глинистых грунтов, полученные по новому методу «Микроструктура» с учетом данных о детальном структурном индексе и электронной микроскопии, являются корреляционно-генетическими признаками выделенных геологогенетических комплексов (ГГК), к числу которых относятся содержание агрегатов и их разновидностей, первичных крупнопылеватых и тонкомелкопесчаных частиц, реальная глинистость и коэффициент свободы тонкоглинистой фракции; зоны изменчивости различных микроструктурных параметров в вертикальном разрезе грунтовой толщи определяются литологическим составом (глинистая или лессовая группа) и стратиграфогенетической принадлежностью.

2. Создание своеобразного информационного банка, который включает данные по десяти микроструктурным параметрам семи различных объектов, объединяющих ГГК лессовых и глинистых грунтов, донные речные и озерные глинистые осадки, и получение основных статистических показателей являются основой для выявления общих и специфических микроструктурных особенностей исследованных группировок, что отражает условия их формирования.

3. Прогнозная роль микроструктуры лессовых и глинистых грунтов при их инженерно-геологической оценке заключается в том, что ее параметры оказывают влияние на физико-химические и прочностные свойства, что подтверждается данными проведенного лабораторного эксперимента и результатами количественных характеристик их взаимосвязей: пластичность, набухание и усадка имеют собственные факторы влияния; сцепление определяется параметрами микроструктуры, связанными со степенью агрегированности, величиной реальной глинистости и содержанием первичных мелкопылеватых частиц и крупнопылеватых агрегатов.

Практическое значение работы. Полученные комплексные данные о параметрах микроструктуры и некоторых свойствах лессовых и глинистых грунтов юга Восточной Сибири и сопредельных территорий (на примере ключевых участков), количественная оценка их взаимосвязей и реализация возможностей нового метода «Микроструктура» подтверждают практическое значение выполненных исследований и позволяют рекомендовать указанный метод к использованию при инженерно-геологических исследованиях как научного, так и производственного (инженерно-геологические изыскания) характера. Представленные материалы могут быть использованы в учебном процессе (курс «Грунтоведение» для студентов и аспирантов) при подготовке специалистов в области инженерной геологии и грунтоведения.

Апробация работы. Основные положения и отдельные вопросы докладывались и обсуждались на следующих научных и научнопрактических конференциях: научно-технической конференции факультета геологии, геоинформатики и геоэкологии «Геология, поиски и разведка полезных ископаемых и методы геологических исследований» (Иркутск, ИрГТУ, 2002); Всероссийской научно-технической конференции «Геонауки» факультета геологии, геоинформатики и геоэкологии «Геология, поиски и разведка полезных ископаемых и методы геологических исследований» (Иркутск, ИрГТУ, 2008); XXIII Всероссийской молодежной конференции «Строение литосферы и геодинамика» (Иркутск, ИЗК СО РАН, 2009); Всероссийской научно-технической конференции «Геонауки»

факультета геологии, геоинформатики и геоэкологии «Геология, поиски исследований» (Иркутск, ИрГТУ, 2009); XIV Международном симпозиуме им. М.А. Усова студентов и молодых ученых, посвященном 65-летию Победы Советского народа над фашистской Германией в Великой Отечественной войне 1941–1945 гг. (Томск, Томский государственный политехнический университет, 2010); XXIV Всероссийской молодежной конференции «Строение литосферы и геодинамика» (Иркутск, ИЗК СО РАН, 2011); Всероссийской научно-технической конференции «Геонауки»

Института недропользования «Геология, поиски и разведка полезных ископаемых и методы геологических исследований» (Иркутск, НИИрГТУ, 2011); XXV Всероссийской молодежной конференции «Строение литосферы и геодинамика» (Иркутск, ИЗК СО РАН, 2013); научной молодежной конференции «Сергеевские чтения» (Москва, РАН, 2013).

Публикации. По результатам исследований автором лично и в соавторстве опубликовано 12 работ, в том числе четыре статьи в рецензируемом журнале, входящем в перечень ВАК (Вестник ИрГТУ), и два учебных пособия: «Грунтоведение. Определение показателей физического состояния, состава и свойств дисперсных грунтов (глинистых, лессовых и «Грунтоведение: учебное пособие» (Иркутск, ИрГТУ, 2013).

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Объём работы – 130 страниц, в том числе 45 рисунков, таблица; список использованной литературы составляет 87 наименований.

В первой главе проведен анализ современного состояния проблемы изучения микроструктуры дисперсных (связных) грунтов на общенациональном (СССР – Россия), зарубежном и региональном уровнях;

представлена схема, которая характеризует «хронологию» выполненных микроструктурных исследований лессовых и глинистых грунтов на юге Восточной Сибири и сопредельных территориях.

Во второй главе рассматриваются методы, с помощью которых автор проводил изучение микроструктуры лессовых и глинистых грунтов по образцам, отобранным на различных ключевых участках; описаны способы обработки результатов с помощью программ «Стандартная статистика» и «Кластер-анализ».

Третья глава посвящена описанию особенностей микроструктуры геологогенетических комплексов (ГГК) лессовых и глинистых грунтов геологолитологических (обнажения-расчистки) и инженерно-геологических (скважины) микроструктурных параметров лессовидных отложений (юг Восточной Сибири) и коллекционных образцов лессов Северо-Западного Китая, Франции и Польши.

Четвертая глава содержит материалы о параметрах микроструктуры (определены по методу «Микроструктура») семи объектов, которые включают донные глинистые речные (дельта р. Селенги) и озерные (Байкал) осадки, лессовые грунты из районов Иркутска, Приморья, Монголии (г. Эрдэнэт) и озерные палеоген-неогеновые глины (район г. Биробиджана); проведена специфические (генетические) для каждого объекта микроструктурные признаки.

микроструктуры с физико-химическими (набухание, усадка, пластичность) и прочностными (удельное сцепление) свойствами лессовых и глинистых грунтов с помощью кластерного анализа R-типа; представлена методика и результаты лабораторного эксперимента, связанного с изучением влияния влажности на величину усадки и набухания грунта.

Благодарности. Автор искренне благодарен и глубоко признателен научному руководителю доктору геолого-минералогических наук, профессору Т.Г. Рященко.

сотрудникам кафедры гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии ИрГТУ и Центра геолого-экологических исследований, особенно профессору И.И. Верхозину, кандидату геолого-минералогических наук Н.Н. Гринь и Т.И. Терпуговой. Кроме того, автор выражает особую благодарность сотрудникам Аналитического центра ИЗК СО РАН кандидатам геологоминералогических наук В.В. Акуловой, Н.Н. Уховой и С.И. Штельмах за деловые советы, замечания и консультации, а также инженерам Т.Ф. Даниловой, М.В. Даниловой и Т.С. Филёвой за помощь при выполнении аналитических исследований грунтов.

Автор весьма признателен своим родным и близким за искреннюю поддержку во время выполнения диссертационной работы.

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ИЗУЧЕНИЯ

МИКРОСТРУКТУРЫ ДИСПЕРСНЫХ ГРУНТОВ

К классу природных дисперсных грунтов, для которых характерны механические (несвязные разновидности) и физические и физико-химические (связные разновидности) структурные связи, относятся песчаные, глинистые и лессовые отложения различных геолого-генетических комплексов. Как указывалось выше, объектом наших исследований являются связные разновидности – глинистые и лессовые. Однако следует заметить, что ГОСТ 25100-95 [ГОСТ 25100-95 …, 95] упразднил понятие «лессовый грунт», исключив его из сообщества инженерно-геологических объектов и заменив новым термином – «макропористые просадочные (непросадочные) глинистые грунты». Новый действующий ГОСТ 25100-2011 [ГОСТ 25100также ограничился выделением только глинистых грунтов.

Несмотря на эту парадоксальную ситуацию, на юге Восточной Сибири продолжаются специальные исследования не только глинистых, но и лессовых отложений, в рамках которых особое место занимает проблема изучения их структуры.

Структура дисперсного грунта – это размер, форма, характер поверхности, количественное соотношение слагающих его элементов и характер их взаимосвязей; изучается она на макро-, мезо- и микроуровне.

Микроструктура (микростроение) – это пространственная организация вещества, которая характеризуется совокупностью морфометрических, геометрических и энергетических (тип структурных связей) признаков и определяется составом, количественным соотношением и взаимодействием компонент грунта [Осипов, 1985]. Исследования микроструктуры глинистых и лессовых грунтов можно проводить только при наличии определенной аппаратуры – поляризационного (петрографического) или растрового (электронного) микроскопа, а также с помощью специальных методов.

Представление о глинистых и лессовых грунтах как дисперсных системах существенно дополняет информация об особенностях их микростроения. Процессы физического, химического и биологического выветривания приводят к распаду скальных пород и обусловливают отдельными твердыми частицами (поры) в большей или меньшей степени бывают заполнены водой. Глинистые и лессовые грунты, находящиеся в сухом состоянии, на поверхности минеральных частиц содержат воду в форме тончайших пленок. При значительном увлажнении в порах появляется вода и тогда грунт представляет собой дисперсную систему, где дисперсной средой является вода, а дисперсной фазой – твердые минеральные частицы.

Дисперсность (степень раздробленности) придает веществу ряд новых важных свойств. Чем больше дисперсность вещества, то есть чем мельче частицы, из которых оно состоит, тем сильнее эти свойства бывают выражены. Дисперсный грунт, в состав которого входят твердые частицы, вода и смесь газов, представляет собой многофазную (трехфазную или двухфазную) систему. Для свойств многофазной дисперсной системы большое значение имеет степень дисперсности полиминеральные системы, так как состоят обычно из частиц разной крупности и разного минерального состава. Поскольку эти вещества отражают особенности входящих в систему частиц различной крупности и состава, свойства таких систем весьма сложны. Особенно значительное влияние на свойства грунтов оказывает наличие в них глинистой (тонкодисперсной) составляющей. Увеличение содержания тонкодисперсных частиц ведет к значительному увеличению их суммарной поверхности и, следовательно, возрастанию поверхностной энергии, что приводит к развитию сложных явлений взаимодействия между твердой, жидкой и газообразной фазами грунта.

К изменению дисперсности приводит также объединение отдельных первичных частиц в агрегаты различной крупности и конфигурации, что существенно влияет на прочность, водопроницаемость, набухание, пластичность и другие свойства грунтов, поэтому изучение микроструктуры – одна из актуальных проблем грунтоведения как в нашей стране, так и за рубежом [Осипов и др., 1989; Григорьева, 2001; Кульчицкий, Габибов, 2004;

Грунтоведение, 2005; Onitsuka Katsutada et al., 1999; Li-dong et al., 2001;

Yang, Gong, 2010; и др.].

1.2. Микроструктура дисперсных грунтов и результаты ее изучения Изучение микроструктуры глинистых грунтов в нашей стране было начато в 30-е годы М.М. Филатовым, который создал первые искусственные модели и составил их классификацию с учетом взаимоотношения глинистых, пылеватых и песчаных частиц. Исследования гранулометрического и минерального состава грунтов в начале 60-х годов положили начало естественно-историческому подходу к оценке их микростроения [Сергеев, 1959; Ларионов и др., 1959; Морозов, 1962: Горькова, 1965]. Так для оценки степени агрегированности грунта был предложен метод расчета коэффициента микроагрегатности (Кма) [Ларионов и др., 1959], а для определения типа структурных связей – коэффициент агрегированности (Каг) [Горькова, 1965].

Основным способом изучения микроструктуры длительное время являлся оптический метод (описание петрографических шлифов).

Качественный скачок произошел благодаря появлению современных физических методов исследования – рентгеноструктурного анализа, электронной микроскопии, электронографии. В настоящее время наиболее информативные результаты дает растровая электронная микроскопия.

С помощью растрового электронного микроскопа (РЭМ) можно получать высококачественные изображения микроструктуры грунта в большом диапазоне увеличений: 100–20000 раз. Первые исследования микроструктуры глинистых и лессовых грунтов проводились в 70-80-х годах прошлого века на кафедре инженерной геологии и грунтоведения геологического факультета МГУ под руководством Е.М. Сергеева и В.И. Осипова [Комиссарова, 1977; Осипов, 1979;

Соколов, 1988; Осипов и др., 1989], они успешно продолжаются и в настоящее время [Григорьева, 2004; Королев, 2004; Соколов и др., 2008; и др.].

Почти хрестоматийным является пример экспериментальных исследований Н.Н. Комиссаровой [Комисарова, 1977], установившей строение основных структурных элементов лессовых грунтов Минусинского межгорного прогиба.

Ими оказались сложно построенные глобулярные агрегаты размером 10–100 мкм, ядро которых составляют элементарные зерна первичных минералов. Это ядро окружено тонкой дырчатой кальцитовой оболочкой, на поверхности которой находится «рубашка», состоящая из глинистых минералов, оксидов железа, аморфного кремнезема, тонкодисперсного кварца, кальцита, органики.

При описании РЭМ-изображения выделяются следующие структурные элементы: песчаные и крупнопылеватые зерна, глинисто-пылеватые (140– мкм) и пылевато-глинистые (90–180 мкм) агрегаты. Между элементами микроструктуры фиксируются несколько типов контактов: базис – базис, базис – скол, скол – скол [Методическое пособие…, 1984]. Для внутреннего строения агрегатов обычно характерны контакты базис – базис; в результате коагуляции глинистых частиц и микроагрегатов формируются контакты базис – скол. Для лессовых грунтов характерны контакты – мостики, представляющие собой различные цементирующие вещества – соли, оксиды железа, аморфный кремнезем, свободные (подвижные) формы оксида алюминия.

Для лессовых и глинистых грунтов установлены четыре основных типа микроструктуры: скелетная, агрегированная, смешанная и матричная [Методическое пособие…, 1984].

микроструктуры глинистых и лессовых грунтов при их инженерно-геологической оценке на территории СССР и России, полученные в 80-х – 90-х годах прошлого века и в последнее десятилетие, а также некоторые материалы зарубежных исследований.

Начать следует с создания ВМНТК – временного межотраслевого научнотехнического коллектива, который проводил изучение опорных разрезов лессовых пород на территории СССР с 1986 по 1990 гг. Под руководством академика Е.М. Сергеева были разработаны методические указания по выполнению программы «Опорные инженерно-геологические разрезы территорий распространения лессовых просадочных грунтов СССР». В число этих территорий входили Молдова, Украина, Европейский, Сибирский и СреднеАзиатский регионы. По опорным скважинам глубиной от 20 до 120 м проводилось сплошное опробование лессовых грунтов, затем изучались показатели их состава, микроструктуры и просадочности в соответствии с выделенными лессовыми циклитами. В этой грандиозной работе принимали участие многие специалисты, результаты их исследований приводились в многочисленных научно-технических отчетах. Но только в 2008 г. эти результаты были представлены в виде монографии [Опорные инженерногеологические разрезы …, 2008], где информация о микроструктурных особенностях лессовых грунтов заняла свое законное место. Микроструктура образцов изучалась с помощью современного метода растровой электронной микроскопии на кафедре инженерной геологии и охраны геологической среды геологического факультета МГУ. Проводился на первом этапе качественный, а затем и количественный анализ РЭМ-изображений. Приведем два примера:

разрезы «Афонино» (Приволжская возвышенность, район г. Нижнего Новгорода) и «Большая Салба» (восточная часть Минусинской межгорной впадины, район г.

Абакана). В первом случае мощность лессовой толщи составила 20 м; установлен зернистый и зернисто-агрегативный, неоднородный, неориентированный типы микроструктуры со средней и крупной межзернистой и межагрегатной пористостью, что является признаком формирования отложений в субаэральной среде и что способствует проявлению просадочных деформаций. Во втором случае в 20-метровом разрезе было выделено пять лессовых циклитов; в образце с глубины 19 м (нижний – пятый циклит) установлен агрегативно-зернистый (матрично-скелетный) тип микроструктуры, количество межагрегатный пор составляет 86,7 %, внутриагрегатных – 13,3 %, что обуславливает отсутствие просадочности.

В сборниках материалов «Сергеевских чтений» (2000–2010 гг.), а также международных научных конференций геологического факультета МГУ (1996–2010 гг.) нередко присутствуют статьи, посвященные изучению микроструктурных особенностей дисперсных грунтов в связи с изучением их различных свойств.

Например, анализ РЭМ-изображений нижнемеловых глинистых пород, распространенных на территории г. Москвы, показал неоднородность их высокоориентированные микроструктуры со смешанным типом связей между структурными элементами [Малышева и др., 2008]. Авторы делают вывод: полученная при РЭМ-исследованиях информация помогает более достоверной интерпретации данных по физическим, физико-химическим и физико-механическим свойствам нижнемеловых глин. Кроме того, установлено, что при преобладании матричной микроструктуры встречаются участки турбулентной, скелетной, ламинарной и ячеистой, причем вариации строения нередко наблюдаются в пределах одного образца, что может свидетельствовать о микродеформациях, происходящих как во время формирования породы, так и в ходе постдиагенетических изменений.

Интересные результаты были получены при исследовании моренных суглинков г. Москвы [Чернов и др., 2003]. Анализ РЭМ-изображений установил однотипность московской и донской морены: грунты сложены объемными микроагрегатами из глинисто-пылеватых частиц удлиненной формы (15–30 мкм) и листообразными микроагрегатами из глинистых частиц (10–15 мкм); в глинистой матрице встречается большое количество песчаных и пылеватых зерен разной степени окатанности, поверхность которых покрыта глинистыми рубашками. Для выявления морфологических особенностей твердых структурных элементов было проведено фракционирование образцов моренных отложений по методике гранулометрического (дисперсная подготовка образца) и микроагрегатного (агрегатная подготовка образца) анализа.

Установлены модели формирования микроструктуры глинистых грунтов и три стадии ее преобразования при литогенезе: на стадии седиментогенеза идет образование изотропных (для морских условий) и анизотропных (для пресноводных бассейнов) коагуляционных микроструктур; на стадии диагенеза происходит гравитационное уплотнение;

при катагенезе (повышение давления и температуры) идет активное развитие прочных цементационно-кристаллизационных фазовых контактов [Соколов, 1998].

С помощью персонального компьютера в комплексе с растровым электронным микроскопом (РЭМ) при исследовании микроструктуры глинистых пород как экологического фактора предложен новый метод определения коэффициента извилистости пор – одного из микроструктурных характеристик, оказывающих влияние на миграцию загрязнителей в грунте [Королев и др., 1995].

Особое место занимают экспериментальные исследования Л.И.

Кульчицкого и Ф.Г. Габбибова, которые изучали закономерности объемного деформирования (сжатие, просадка, усадка) лессовидных суглинков при их подтоплении и высыхании; микрореологический анализ проведен на основе разработанной авторами физико-химической модели двухфазного глинистого грунта при исследовании его микроструктуры и сдвиговой прочности.

[Кульчицкий, Габбибов, 2004].

использовать при их инженерно-геологической классификации, а данные количественного анализа РЭМ-изображений – для прогнозирования их деформационного поведения [Григорьева, 1999, 2001].

Разработана типизация глинистых грунтов по диффузионной и микроструктурных и минеральных разновидностей; обоснована возможность расчета диффузных параметров по стандартно определяемым величинам (коэффициенту молекулярной диффузии, пористости, коэффициенту извилистости поровых каналов) [Лукина, 2007].

следствие их микроструктурных особенностей [Королев и др., 2002; Королев и др., 2004]. Исследованиями были охвачены глинистые отложения разнообразного генезиса и возраста. Авторы сделали два основных вывода: 1) принадлежность грунтов к тому или иному типу микроструктуры наряду с генезисом определяет закономерное изменение их диффузионно-осмотических характеристик, механических, физических и физико-химических свойств; 2) наиболее пригодны для создания защитных экранов тонкодисперсные грунты с ориентированной микроструктурой.

Необходимо сказать о результатах изучения микроструктуры лессовых грунтов Верхнего Приобья в связи с оценкой их несущей способности при строительстве [Швецов, 1991, Вяткина, 1999, 2000]. Исследования выполнялись на РЭМе, при этом проводилось сопоставление микроструктурных признаков до и после деформирования образцов различными нагрузками, в том числе и при замачивании.

микроструктур дисперсных грунтов с помощью компьютерного анализа РЭМизображений можно отнести исследования, связанные с разработкой методов стереометрического анализа, который позволяет проводить трехмерную реконструкцию микрорельефа поверхности образца и получать различные объемные характеристики его микроструктуры [Соколов и др., 2008].

К этому же классу относятся исследования по глинистым наноструктурам [Соколов, Чернов, 2010]. Одним из наиболее распространенных путей их образования, как указывают авторы, является формирование глинистых осадков. Твердая их часть образуется из тончайших минеральных частиц и органического вещества, оседающих на дно бассейна из водных взвесей. Как правило, в глинистой фракции таких молодых осадков содержится большое количество минеральных наночастиц пластинчатой формы, представленных глинистыми минералами группы гидрослюд, каолинита, смектита и смешаннослойными образованиями. Диаметр таких наночастиц обычно не превышает 200–300 нм, а толщина – 100 нм. Встречаются также наночастицы глобулярной формы с размерами менее 70–100 нм, представленные в основном органическим веществом. Нахождение в гидротермальных глинах южной части полуострова Камчатки минеральных наноструктур, сложенных высокодисперсными наночастицами глинистых минералов преимущественно смектитового состава, может объяснять присутствие в этих отложениях специфических геохимических барьеров, оказывающих большое влияние на перераспределение и концентрирование основных рудных, щелочных и редкоземельных элементов.

Зарубежные публикации о микроструктурных особенностях глинистых и лессовых грунтов основаны на результатах электронной микроскопии (РЭМ). Так в юго-западной Польше изучались инженерно-геологические свойства познаньских глин, одновременно определялись их химический и минеральный состав, а также типы микроструктуры [Choma-moryl Krystyna, Moryl Janusz, 1990]. Выделены матричная, турбулентная, матричнотурбулентная и скелетная микроструктуры; отмечено, что на значительных площадях глины подвергались воздействию гляциотектонических процессов.

Микроструктура глин Ариаке, распространенных на территории Монреаля (Канада), исследовалась с помощью РЭМа и ртутного пористомера на ненарушенных 20о С. Установлено, что глина сложена агрегатами из частиц диатомового ила и фрагментами диатомей; результаты наблюдений с помощью пористомера показали различное распределение пор по размерам в зависимости от состояния образца [Katsutada et al.,1988].

В Великобритании проводилось изучение микроструктуры глины с помощью измерения их электрического сопротивления, которое зависит от степени водонасыщения, сопротивления порового флюида, пористости, формы и размера твердых частиц, толщины диффузного слоя, концентрации ионов и их распределения в диффузионном двойном слое и поровой среде.

Разработана структурная модель, калибровка которой проводилась с помощью измерения электрического сопротивления глин, имеющих различную влажность, плотность и микроструктуру [Fukeel et al., 1999].

механическими свойствами и микроструктурой высокочувствительной глины Армане, развитой на оползневых склонах залива того же названия [Katsutada et al., 1999]. Определялась прочность при одноосном и трехосном сжатии, а также в процессе динамических испытаний на ненарушенных образцах и уплотненных нагрузкой 0,02 МПа динамических испытаниях произошло внезапное оползание откосов из глины ненарушенной структуры и уплотненной при 800С, а также вязкое оползание откосов из глины, уплотненной при 20оС. Эксперимент указал на тесную микроструктуры и состояния.

Объектами исследования микроструктуры явились также мягкие морские глины в районе Сингапура, где они при подводных работах специально подвергались цементированию в целях упрочнения. Поведение этих глин рассматривалось в свете их микроструктурных изменений [Kamruzzaman et al., 2009].

Изучению микроструктуры глинистых и лессовых грунтов посвящены многочисленные работы китайских ученых. Например, предложены параметры микроструктуры грунта, которые влияют на его деформационные и прочностные свойства – это угол наклона частиц и их форма; разработана компьютерная программа оценки влияния этих параметров на указанные свойства [Qinq et al., 2001].

просадочных) и прочностных свойств лессовых грунтов свиты малань (это верхняя 30-метровая толща разреза, в пределах которой ведется строительство) путем исследования их микроструктуры подчеркивается в работе [Li Lan, 2004], где приведены результаты изучения (с помощью РЭМа) микроструктурных параметров просадочных лессовых грунтов, деформированных в результате сейсмического воздействия во время землетрясения.

Проводились комплексные исследования набухания и пластичности глинистых грунтов Китая (южная часть Хэвэй-Сюйчжоу Экспрессвэй), их состава (минерального и гранулометрического), физико-химической активности (способности к катионному обмену) и микроструктуры [Li-dong et al., 2001]. Установлено, что набухание грунта определяется не только минеральным составом и емкостью катионного обмена, но одновременно и параметрами микроструктуры; пластичность зависит не только от содержания глинистой фракции, но и от количества и комбинации изгибающихся пластинчатых агрегатов.

Исследования прочности природных глин и их микроструктуры проводились на образцах, взятых на склонах в районе дельты реки Пеорл (Китай), которые подвергались сдвиговой нагрузке и трехосному сжатию [Znou Cui-ying, Mu Chun-mei, 2005]. Установлено, что сдвиговая прочность глин хорошо согласуется с их микроструктурными параметрами, которые могут быть использованы для оценки стабильности склонов.

В районе г. Шанхая (КНР) изучались четвертичные глины мощностью 75 м [Yang, Gong, 2010]. Установлены факты непрерывного уплотнения этих глин и оседания поверхности во время строительства, связанные с их неблагоприятными геотехническими характеристиками, такими как высокая сжимаемость и низкая прочность. Для выяснения причин негативного поведения глинистых грунтов исследовались их микроструктурные особенности: на основании результатов гранулометрического анализа с дисперсной и агрегатной подготовкой рассчитывался дисперсионный коэффициент (Kd=М9/М8), значения которого (0,14–0,85) указали на высокую степень агрегированности грунта. Установлено также, что шанхайская глина обладает средней физико-химической активностью, но структурно нестабильна из-за слабых структурных связей (меж- и внутриагрегатных), которые контролируются концентрацией электролитов в поровом растворе.

Авторы делают вывод: главным фактором, определяющим деформации глин при строительстве, являются особенности их микроструктуры и физикохимических свойств. Ранее предполагалось, что оседание поверхности может быть связано с изменением уровня подземных вод, поэтому даже вводились санкции по сокращению эксплуатации водоносных горизонтов.

1.3. Этапы изучения микроструктуры лессовых и глинистых грунтов Историю изучения микроструктуры лессовых и глинистых грунтов на юге Восточной Сибири можно разделить на три этапа, каждому из которых соответствовали определенные методы.

На первом этапе (1960–1990 гг.) в результате применения оптического метода (просмотр шлифов) установлены типы петрографических структур, пелитоморфные и аутигенные формы карбонатов, оолиты-агрегаты и кольцамедальоны (признаки вторичного агрегирования) (рис. 1. 1) [Рященко, 1971;

Рященко, 1984].

Рис. 1.1. Алевропелитовая микроструктура лессовых грунтов с кольцамимедальонами и оолитоподобными агрегатами (х 120).

Оптический метод предполагает просмотр под поляризационном микроскопе (увеличение в 20–120 раз) петрографических шлифов, которые изготавливаются из воздушно-сухих микромонолитов после проварки в специальных смолах. При описании шлифа указывается тип микроструктуры и микротекстуры; степень корродированности и форма псаммитовых и алевритовых обломков, их минеральный состав; особенности пелитовой составляющей; наличие колломорфных (агрегатных) микроструктур; степень сортировки обломков; присутствие различных форм карбонатов, органического вещества, вторичных образований (гидроокислов железа, лимонита и т.д.); наличие ориентированности обломочного материала. Типы микроструктуры выделяются по соотношению псаммитовых (так называются песчаные частицы, размер которых 2,00–0,05 мм), алевритовых – пылеватых (0,050–0,002 мм) и пелитовых – глинистых (< 0,002 мм) фракций.

Микротекстура может быть беспорядочной, ориентированной, флюидальной, агрегированной (колломорфной, мозаичной) и т. д.

В шлифе устанавливается количество пелита, что необходимо знать, когда при проведении гранулометрического анализа со стандартной или дисперсной подготовкой образца невозможно получить данные о его содержании из-за агрегированности глинистого вещества. Например, неоген-нижнечетвертичная озерная глина с глубины 20,4 м (Монголия, г. Улангом) по данным стандартной гранулометрии содержит всего 3 % частиц < 0,002 мм и должна быть отнесена к супесям, что не соответствует действительности [Инженерно-геологическая оценка …, 1992]. Однако при просмотре шлифа все становится на свои места – содержание пелитовой составляющей достигает 50–60 %. Дело в том, что глинистое вещество находится в агрегированном состоянии и агрегаты не поддаются разрушению при существующих методах диспергации.

В этот период применялся метод А.К. Ларионова [Ларионов, 1971], с помощью которого были получены обобщенные значения детального структурного индекса грунтов различных геолого-генетических комплексов [Рященко, 1984]. Структурный индекс достаточно хорошо отражает наличие агрегированности, характер структурных связей и величину активной пористости. Для определенного ГГК отложений можно составить обобщенный структурный индекс, который отражает весь набор установленных классов, подклассов, типов, видов и разновидностей, при этом в скобки следует ставить индексы, менее распространенные в описываемом объекте. Для глинистых грунтов средне-верхнечетвертичного аллювиального комплекса (aQ2-3 – gln) юга Восточной Сибири обобщенный структурный индекс выглядит следующим образом [Рященко, 1984]:

Расшифровка: класс структуры – агрегативный (реже слитный, зернистопленчатый), подкласс – характер связей коагуляционный (реже кристаллизационный за счет труднорастворимых солей), тип – структура с капиллярной и свободной водой, вид – структура с низкой активной пористостью, разновидность – малодисперсная (реже среднедисперсная).

На втором (1990–2000 гг.) этапе впервые в истории изучения лессовых и глинистых грунтов региона получены РЭМ-изображения микроструктуры, установлены степень и характер агрегирования, размеры, морфологические особенности и строение агрегатов и зерен, следы микротечений терригенного материала, выполнен количественный анализ некоторых объектов [Инженерно-геологическая оценка …, 1992; Акулова, 1994; Рященко, Акулова, 1998]. При совместных исследованиях на кафедре инженерной геологии и охраны геологической среды геологического факультета МГУ были изучены микроструктурные особенности лессов Северо-Западного Китая (Северное лессовое плато) [Рященко и др., 2000] (рис. 1.2).

Рис. 4.16. Микроструктура лессов свиты учин (vQ1) – Северо-Западный Китай Рис. 1.2. Мозаичная агрегированно-скелетная микроструктура лессов свиты учин (vQ1) – Северо-Западный Китай.

Для оценки изменения микроструктуры лессовых грунтов Иркутского амфитеатра в процессе просадочных деформаций анализировались образцы в природном состоянии и после просадки при природном и дополнительном (0,3 МПа) давлении [Акулова, 1994]. По материалам автоматизированного анализа микроструктуры, выполненного на кафедре инженерной геологии и охраны геологической среды геологического факультета МГУ, выявлены следующие изменения: 1) уменьшение общей и межагрегатной пористости, сохранение общей пористости пор; 2) увеличение числа пор, их периметра, а также внутриагрегатной пористости. Причина нелогичных, на первый взгляд, изменений микроструктуры, по мнению автора, объясняется тем, что грунты оказались набухаемыми. По всей вероятности, процессы набухания действуют на микроуровне и приводят к увеличению внутриагрегатной пористости и общего числа пор. В то же время наблюдается уменьшение межагрегатной пористости, которое и вызывает в общем итоге вертикальную деформацию образца.

На третьем этап (2000–2010 гг.) был разработан и успешно реализован новый метод «Микроструктура» [Рященко и др., 2000; Рященко и др., 2009;

Рященко, 2010]. Он основан на результатах гранулометрического анализа, который выполняется пипеточным методом с тремя способами подготовки образца: агрегатной, стандартной и дисперсной [Ломтадзе, 1990]. Подробно этот метод описан в следующей главе. Здесь необходимо отметить, что метод «Микроструктура» с расчетами основных микроструктурных параметров широко применяется при оценке различных свойств глинистых и лессовых грунтов Приангарья, Прибайкалья и Забайкалья и других регионов [Акулова, Хмелевская, 2002; Рященко и др., 2002; Гринь, Рященко, 2003;

Рященко, Акулова, 2004; Гринь, 2007а; Гринь, 2007б; и др.].

Следует сказать, что сегодня (это современный – четвертый этап) исследования микроструктуры грунтов с помощью растрового электронного микроскопа (РЭМ) нам пришлось исключить из комплексной программы по причине финансовых затруднений; используются прежние РЭМ-изображения образцов, для которых выполняется расчет параметров микроструктуры.

Применяемая в последние годы методическая схема включает следующие позиции: для каждого образца (воздушно-сухие микромонолиты) определяется детальный структурный индекс по методу А.К. Ларионова (устанавливаются класс, подкласс и вид микроструктуры); выполняются все расчеты по методу «Микроструктура» (для тех же образцов, но нарушенной структуры проводится гранулометрический анализ пипеточным методом с тремя способами подготовки), устанавливаются типы микроструктуры и структурной модели грунта; проводятся сопоставления на предмет совпадения оценки микроструктурных параметров по «старому» и «новому» методам; определяются показатели физико-химических (набухание, усадка, пластичность) и прочностных (удельное сцепление) свойств по образцам – пастам, приготовленным из воздушно-сухих аналогов [Рященко, Чернышова. 2009; Вашестюк, 2011]. Таким образом, получается матрица данных, количественно оценить влияние параметров микроструктуры на те или иные свойства грунта.

На основании представленного обзора проблемы изучения микроструктуры дисперсных (глинистых и лессовых) грунтов можно сделать следующие выводы.

относительно новое направление в грунтоведении и связано оно с разработкой методов электронной микроскопии; традиционный оптический метод (просмотр петрографических шлифов) постепенно вытесняется из грунтоведческих лабораторий.

Главная задача, которая ставится при изучении микроструктуры дисперсных связных грунтов при их инженерно-геологической оценке, заключается в том, чтобы выявить ее влияние на различные, в том Признаки микроструктуры отложений различных геологогенетических комплексов играют роль корреляционно-генетических критериев и позволяют проводить некоторые генетические построения относительно условий их формирования на стадиях Обзор отечественных и зарубежных публикаций свидетельствует о широком диапазоне проблем в изучении микростроения дисперсных грунтов различных регионов, которые включают современные научные разработки, в том числе исследования наночастиц в особых глинистых отложениях.

Региональные исследования микроструктуры глинистых и лессовых грунтов (юг Восточной Сибири) попадают в круг перечисленных задач, при этом развитию этого направления способствует как разработка и реализация новых методов («Микроструктура»), так и применение «забытых» (метод А.К. Ларионова), а также использование некоторых ГИС-технологий (программы «Стандартная статистика», «Кластеранализ»). Представляем блок-схему, которая характеризует «хронологию» выполненных исследований микроструктуры глинистых и лессовых грунтов на юге Восточной Сибири (рис. 1.3).

Применение оптического метода (шлифы); определение детального структурного индекса грунта по методу количественная оценка их морфометрических признаков Разработка и реализация метода «Микроструктура»

Создание информационного банка данных о параметрах микроструктуры глинистых и лессовых грунтов различных ключевых участков (метод «Микроструктура»).

Комплексирование данных о микроструктурных параметрах и показателях некоторых свойств (набухания, усадки, пластичности, прочности) грунтов для количественной оценки их взаимосвязей.

Сопоставление результатов: «Микроструктура» – метод А.К. Ларионова – РЭМ-изображение.

Экспериментальные исследования набухания и усадки грунтов.

Рис. 1.3. Этапы изучения микроструктуры глинистых и лессовых грунтов юга Восточной Сибири.

МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ МИКРОСТРУКТУРЫ ДИСПЕРСНЫХ

ГРУНТОВ КЛЮЧЕВЫХ УЧАСТКОВ

В главе рассматриваются методы, с помощью которых автор проводил изучение микроструктуры лессовых и глинистых грунтов по образцам, отобранным на различных ключевых участках юга Восточной Сибири и сопредельных территорий. Кроме того, описаны способы обработки результатов с помощью программ «Стандартная статистика» и «Кластер-анализ».

2.1. Определение детального структурного индекса грунта Метод А.К. Ларионова [Ларионов, 1971] позволяет определить детальный структурный индекс (символ) грунта. Структурный индекс структурных связей, величину активной пористости и степень дисперсности лессовых (ls) и глинистых (gln) грунтов. Классификационные таксоны представлены на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Блок-схема для определения детального структурного индекса лессовых и глинистых грунтов [Ларионов, 1971; Рященко, 2010].

Класс микроструктуры устанавливается по соотношению песчаных и пылевато-глинистых частиц в грунте и степени его агрегированности: II – зернисто-пленчатый, в том числе IIп – пылевато-пленчатый, IIа – зернистоагрегативный, III – агрегативный, IV – слитный. Второй, третий и четвертый классы индексируются по степени микротрещиноватости. Для этой цели на поверхность воздушно-сухого микромонолита, предварительно зачищенную наждачной бумагой, пипеткой наносятся три капли воды и через 24 часа фиксируется количество микротрещин. При их отсутствии или появлении одной – двух (Т0-1) структура грунта относится ко второму (II) классу, при наличии трех-четырех и более микротрещин (Т2) – третьему (III), при образовании сетки микротрещин (Т3) – четвертому (IV).

Подкласс для глинистых и лессовых грунтов выделяется по типу структурных связей: А – связи осуществляются через водные пленки (коагуляционный тип), Б – водорастворимые соли, В – труднорастворимые соли (кристаллизационный тип), Г – участвуют все указанные компоненты (смешанный тип). Применяется метод микроразмокания: в основание небольшого (3х3х3 мм) воздушно-сухого микромонолита из пипетки вводится 2–3 капли воды, затем за поведением грунта наблюдаем в бинокуляр; если микромонолит размок сразу или через 1–10 ударов при падении с высоты 2–3 см предметного стекла, на котором он находится, фиксируются подклассы А, Б, если требуется 11–70 ударов – Г, > 70 – В.

Тип устанавливается по степени влажности грунта, но поскольку данные о природной влажности микромонолитов при наших исследованиях отсутствовали, то этот таксон микроструктуры не определялся.

Вид микроструктуры характеризует водопроницаемость, поэтому в глинистых и лессовых грунтах связан с активной пористостью. Величина активной пористости определяется по времени впитывания капли глицерина (T), нанесенной на поверхность воздушно-сухого микромонолита: 01 – очень высокая (более 25 %) активная пористость (Т < 10 с), 11 – высокая (25–20 %) (Т = 10–45 с), 21 – средняя (20–10 %) (Т = 45 с – 2 мин), 31 – низкая (< 10 %) (Т > 2 мин).

Разновидность отражает степень дисперсности лессовых и глинистых грунтов и определяется содержанием фракции < 0,002 мм (Мс): c – малодисперсная разновидность (Мс = 5–10 %), d – среднедисперсная (Мс = 10–25), f – дисперсная (Мс = 25–40), r – высокодисперсная (Мс = 40–60), t – весьма высокодисперсная (Мс > 60). Отметим, что содержание указанной фракции принимается здесь по данным стандартной гранулометрии. При наших исследованиях разновидность микроструктуры не указывалась, поскольку имелось три значения этого показателя (содержание фракции при агрегатной, стандартной – полудисперсной и дисперсной подготовке образца).

Структурный индекс представляет собой условную запись указанных таксонов (кроме типа и разновидности) в следующем виде:

При изучении микроструктуры глинистых и лессовых грунтов в грунтоведческой группе Аналитического центра ИЗК СО РАН был разработан метод «Микроструктура» («структурных диаграмм») [Рященко и др., 2000; Рященко и др., 2009, Рященко, 2010]. Он основан на результатах гранулометрического анализа, который выполняется пипеточным методом с двумя способами подготовки образца: агрегатной (взбалтывание в воде – разрушаются только водонеустойчивые агрегаты) и дисперсной (кипячение с пирофосфатом натрия – максимально разрушаются агрегаты, если они имеются в грунте) [Ломтадзе, 1990]. Затем рассчитываются коэффициенты микроагрегатности (Кма) по методике, предложенной А.К. Ларионовым [Ларионов и др., 1959; Ларионов, 1971].

В отличие от коэффициента агрегированности, введенного И.М.

Горьковой [Горькова, 1965], коэффициент микроагрегатности, по А.К.

Ларионову, представляет собой разность содержания глинистой (< 0,002 мм) фракции, определенного при гранулометрическом анализе с дисперсной и агрегатной подготовкой образца (Кма). Но если А.К. Ларионов предложил считать Кма только для одной фракции (< 0,002 мм), то мы стали вести расчеты для всех шести: средне-крупнопесчаной (1,00–0,25 мм), тонкомелкопесчаной (0,25–0,05), крупнопылеватой (0,05–0,01), мелкопылеватой (0,010–0,002), грубоглинистой (0,002–0,001) и тонкоглинистой (< 0,001мм).

По разности содержания соответствующих фракций, определенного при агрегированности грунта, определить количество и размеры агрегатов.

Значения коэффициентов микроагрегатности с отрицательным знаком (содержание фракции уменьшается за счет разрушения этих агрегатов), с положительным – содержание фракции в составе агрегатов (при их разрушении частицы меньших размеров освободились и составили прибавку соответствующей фракции). Для каждой фракции можно рассчитать долю первичных (свободных) и захваченных в агрегаты (несвободных) частиц.

Отношение свободных субъектов к общему количеству фракции (первичные частицы + те же частицы в составе агрегатов) представляют собой коэффициент свободы (F). Участие различных частиц в строении агрегатов можно определить по степени снижения их коэффициента свободы: чем меньше коэффициент, тем больше этих частиц находится в агрегатах. В зависимости от количества агрегатов (А, %) определяется тип микроструктуры (табл. 2.1) Классификация типов микроструктуры глинистых и лессовых грунтов Для выявления типа структурной модели грунта определяется сумма агрегатов и первичных частиц соответствующего размера (Хi=Ai + Mi) и рассчитывается коэффициент элементарности, показывающий долю первичных частиц в общей сумме структурных элементов (G =Mi / [Ai + Mi]).

Тип структурной модели устанавливается по двум позициям: размер преобладающих структурных элементов; коэффициент элементарности (табл. 2.2).

преобладающ их элементов Х1 (А1 + М1) Средне-крупнопесчаная Х3 (А3 + М3) Крупнопылеватая Х5 (А5 + М5) Грубоглинистая П р и м е ч а н и е: Х1 – Х5 – содержание (%) преобладающих структурных элементов соответствующего размера; G – коэффициент элементарности (%); i – размер первичных частиц и агрегатов, мм.

Для реализации метода проводятся следующие операции:

1) выполняется гранулометрический анализ методом пипетки для образцов-дубликатов с тремя способами подготовки их к анализу (агрегатный, полудисперсный – стандартный, дисперсный); 2) рассчитывается шесть коэффициентов микроагрегатности (для каждой фракции); 3) ведутся расчеты содержания параметров микроструктуры;

4) определяется тип микроструктуры и структурной модели грунта (по Результаты перечисленных выше операций представляем в виде таблиц.

В первой записываем содержание шести фракций по данным гранулометрического анализа с агрегатной (верхняя строка), стандартной – полудисперсной (средняя строка) и дисперсной (нижняя коэффициентов микроагрегатности (Кма1–6), в третьей – параметры микроструктуры (всего 28 наименований для каждого образца); в четвертой таблице – результаты расчетов для определения типа структурной модели грунта, в пятой – типы микроструктуры и структурной модели грунта с данными о содержании агрегатов (А), реальном содержании тонкоглинистой фракции (М7), ее коэффициенте свободы (F6) и реальном содержании фракции < 0,002 мм (М8); шестая таблица содержит результаты расчетов общего (реального) содержания шести фракций и их коэффициентов свободы.

Представленный порядок расчетов в настоящее время реализуется с помощью компьютерного алгорима «Микроструктура», составленного Н.Н.

Гринь [Гринь, 2004].

Условные индексы параметров микроструктуры и их расшифровка приведены в табл. 2.3. Для каждого образца получаем информацию о содержании (%) параметров – агрегатов разных размеров, первичных частиц и тех же частиц в составе агрегатов, реальной глинистости (она представляет собой сумму глинистых частиц, находящихся в свободном состоянии и в составе агрегатов); коэффициенты свободы фракций приводятся в %.

Коэффициент глинистости (Кгл) рассчитывается в долях единицы.

Можно рассчитать дисперсионный коэффициент (Kd=M9/M8), который, также как и коэффициент глинистости, подтверждает наличие агрегированности в грунтах [Yang, Gong, 2010].

На основе результатов стандартной гранулометрии (средняя строка в таблице данных гранулометрического анализа – содержание фракции < 0, мм) образец грунта получает название по стандартной классификации (супесь, суглинок, глина), но далее обязательно добавляется информация о типе его микроструктуры (степени агрегированности), реальной глинистости и пластичности [Рященко, 2010].

Параметры микроструктуры лессовых и глинистых грунтов М1 Первичные (свободные) Кгл Коэффициент глинистости М2 Первичные частицы – М11 Общее содержание фракции Для каждого образца грунта можно составить классификационный код его микроструктуры. Например, для образца 12–1,4 м (лессовый грунт эолово-делювиального современного комплекса из разреза Игетейский – лог2 на левобережье Осинского залива Братского водохранилища») этот код выглядит следующим образом:

[М98,6 М1168,8]; А35,5 (А224 А310,8); М3А33 F3100; M2А14,8 F2100; М4А13, F445; M5А6,2 F58; M6A24,8 F610; [M831 Кгл3,6 Кd0,28].

Расшифровка. Супесь пылеватая; микроструктура – скелетно-агрегированная (преобладают тонко-мелкопесчаные и крупнопылеватые агрегаты); среди первичных (свободных) частиц преобладают крупнопылеватые и тонкомелкопесчаные (они не входят в состав агрегатов); агрегаты состоят из грубоглинистых (F5=8), тонкоглинистых (F6=10) и мелкопылеватых (F4=45) частиц; реальная глинистость супеси 31 % за счет высокой агрегированности (коэффициент глинистости 3,6; дисперсионный коэффициент 0,28).

Определение микроструктурных параметров по методу «Микроструктура»

включает в качестве обязательного (желательного) информационного блока получение данных о составе и содержании компонентов, формирующих структурные связи в грунте. К этим компонентам относятся водорастворимые соли (проводится химический анализ водной вытяжки), карбонаты, аморфные полуторные оксиды и кремнезем (анализ солянокислой вытяжки), подвижные формы оксида алюминия (анализ щелочной вытяжки), гумус, а также глинистые минералы.

2.3. Метод растровой электронной микроскопии С помощью растрового электронного микроскопа (РЭМ) можно получать высококачественные изображения микроструктуры грунта в большом диапазоне увеличений – от 100 до 20000 раз. Подготовка образцов к анализу производится методом вакуумной морозной сушки – образец быстро замораживается в жидком азоте, затем лед из пор удаляется путем его сублимации [Осипов и др., 1989]. При небольшой влажности дисперсных грунтов можно использовать воздушно-сухой образец без предварительной вакуумной морозной сушки. Для получения РЭМизображения применяется режим вторичных электронов: образец крепится на предметном столике с помощью электропроводного клея и напыляется пленкой золота, что обеспечивает стекание наводимого электрического заряда с исследуемой поверхности и получение контрастных РЭМ-изображений. Наиболее темные участки соответствуют углублениям – порам, светлые – выпуклым минеральным частицам и агрегатам.

При описании РЭМ-изображения выделяются следующие структурные элементы: песчаные и крупнопылеватые зерна округлой (глобулы) или неправильной формы, глинисто-пылеватые и пылевато-глинистые агрегаты.

Для лессовых и глинистых грунтов установлены четыре основных типа микроструктуры: скелетная, агрегированная, смешанная и матричная [Методическое пособие …, 1984]. Скелетный тип представляет собой равномернопористое пространство, сложенное зернами-глобулами или зернами неправильной формы в глинистых «рубашках», в небольшом количестве присутствуют агрегаты; преобладает межчастичная и межагрегатная пористость.

Агрегированная микроструктура характеризуется плотной упаковкой элементов, среди которых преобладают агрегаты различных размеров; пористость преимущественно внутриагрегатная. Смешанный тип отличается различным соотношением зерен и агрегатов: если больше зерен, то микроструктура будет агрегировано-скелетной, больше агрегатов – скелетно-агрегированной.

Матричная микроструктура представляет собой сплошную неориентированную глинистую массу, состоящую из чешуек размером 6х6 мкм.

К сожалению, в настоящее время по причине отсутствия финансовых возможностей исследования микроструктур дисперсных грунтов с помощью растровой электронной микроскопии автором не проводились (только весной г. в Техническом центре ИрГТУ было сделано несколько фотографий.). В качестве примера приводим полученные ранее РЭМ-изображения микроструктуры неогеновой озерной глины (район пос. Баяндай) со следами турбулентности (следствие криогенных воздействий – это зона многолетней мерзлоты) и лессовидного суглинка делювиального поздневерхнечетвертичного комплекса из карьера «Новоразводная» в районе Иркутска (образец с глубины 3,0 м) [Рященко, 2010].

Рис. 2.2. Агрегированная микроструктура неогеновой глины со следами турбулентности, увеличение в 500 раз (обр. С1–19 м, район пос. Баяндай).

Рис. 2.3. Агрегированно-скелетная микроструктура лессовидных суглинков (dQ33) – карьер «Новоразводная», район г. Иркутска.

Позднее для некоторых образцов, имеющих РЭМ-изображения, были выполнены определения параметров их микростроения по методу «Микроструктура».

2.4. Программы «Стандартная статистика» и «Кластер-анализ»

микроструктурных параметрах, полученных по методу «Микроструктура»

[Чернышова, 2009; Чернышова, 2010; Вашестюк, 2013; Вашестюк, Рященко, 2013; Рященко и др., 2013].

«Стандартная статистика» (Microsoft EXCEL) позволяет получить основные статистические параметры для определенной выборки образцов.

Определялись минимальное (Хmin), максимальное (Хmax) и среднее (Хср) значения, стандартное (среднее квадратическое) отклонение (), среднее отклонение (), коэффициент вариации (V) и медиана (Мd) [Ломтадзе, 1984;

Рященко, 2010].

Стандартное отклонение характеризует меру рассеяния (разброса) отдельных (частных) значений показателя от его среднего значения.

Коэффициент вариации (V, %) отражает степень неоднородности распределения показателя в выборке; при V > 30 % распределение показателя считается разнородным, при V < 30 % – относительно однородным.

После получения указанных статистических параметров необходимо проверить нормальность распределения показателя. Проверку нормальности распределения можно произвести следующим образом: а) если среднее отклонение () составляет примерно 0,8, то нормальное распределение имеет место; б) если среднее значение показателя (Хср) примерно равно медиане (Мd), то нормальное распределение имеет место.

Программа «Стандартная статистика» применялась при изучении микростроения лессовых и глинистых грунтов инженерно-геологических скважин и некоторых разрезов-расчисток. Кроме того, расчеты выполнялись для большой группы образцов (91), представляющих различные в генетическом и пространственном отношении объекты. По величине коэффициента вариации выделялись параметры микроструктуры с наибольшим трендом, которые рассматривались в качестве индикаторов различного генезиса и возраста отложений.

«Кластер-анализ» широко применяется в грунтоведческой группе Аналитического центра ИЗК СО РАН, где программа установлена на персональном компьютере в EXCEL [Данилов, 2001].

Содержание кластерного анализа заключается в том, что в m-мерном пространстве признаков задаваемое множество объектов (n) проявляет свойство группирования в кластеры. С математической точки зрения каждый объект (образец грунта) можно рассматривать как точку в многомерном пространстве, координатами которой является набор значений его признаков (показателей состава, микроструктуры и свойств); на основе этих данных рассчитывается та или иная дистанция, отражающая меру близости (подобия, эквивалентности и т. д.) между всеми точками попарно; в качестве такой дистанции используется «евклидово расстояние» (r): чем выше его значение, тем ниже уровень близости между образцами [Методическое пособие …, 1984]. Результаты расчетов по программе «Кластер-анализ» представляются в виде графиков-дендрограмм.

Программа состоит из двух частей: R-анализ исследует связь признаков (показателей состава, микроструктуры и свойств грунта) по общей выборке образцов; Q-анализ устанавливает связь между объектами (образцами).

В первом случае строится график-дендрограмма, характеризующая степень корреляционной связи между признаками и их группами: по вертикали располагаются признаки, по горизонтальной оси – коэффициент корреляции R (от + 1 до – 1). Во втором случае дендрограмма представляет собой группирование объектов по степени сходства между ними относительно анализируемых признаков: по горизонтали указывается «эвклидово расстояние» (r) – мера близости между объектами (от 0 до + 1), по вертикали – порядковые номера объектов-образцов.

В работе применялся анализ R-типа, который среди множества признаков устанавливает группы-кластеры с определенным уровнем взаимосвязей. На основе этих данных можно выявить факторы, влияющие на те или иные свойства грунта, а также обосновать некоторые генетические построения. Составлялась матрица данных, которая включала параметры микростроения образцов, полученные по методу «Микроструктура», и показатели их набухания, усадки, пластичности и прочности. Далее строились графики-дендрограммы для различных вариантов сочетания признаков и проводился анализ их взаимосвязей.

Относительное набухание, объемная усадка и удельное сцепление грунтов определялись по стандартным методикам по образцам-пастам, пределы и число пластичности – по образцам нарушенной структуры [ГОСТ 24143-80; ГОСТ 5180-84; ГОСТ 12248-96; Ломтадзе, 1990; Лабораторные работы …, 2008; Рященко и др., 2010].

Кроме того, разработана методика лабораторного эксперимента для выяснения влияния микроструктуры и влажности на усадку и набухание грунта (она изложена в пятой главе диссертации).

В заключение сделаем краткие выводы.

Новый метод «Микроструктура» явился базовым при изучении микроструктурных параметров лессовых и глинистых грунтов ключевых участков в сочетании с результатами определения их детального структурного индекса и электронной микроскопии.

позволило определить типы микроструктуры и структурной агрегированности, а также участие различных частиц в строении Созданный информационный банк с количественными данными об основных параметрах микроструктуры исследованных В рамки методических разработок по изучению факторов влияния на набухание и усадку глинистых и лессовых грунтов включен лабораторный эксперимент.

ОСОБЕННОСТИ МИКРОСТРУКТУРЫ ДИСПЕРСНЫХ ГРУНТОВ

КЛЮЧЕВЫХ УЧАСТКОВ

В этой главе рассмотрим особенности микроструктуры глинистых и лессовых грунтов, образцы которых были отобраны на ключевых участках Приангарья, Прибайкалья, Забайкалья, где в рамках различных проектов изучались геолого-литологические разрезы четвертичных отложений по обнажениям – расчисткам глубиной 5–15 м (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Лессовые грунты Забайкалья – пролювиальный комплекс (pQ2) в районе г. Улан-Удэ.

Изучались также коллекционные образцы (Западная Монголия, СевероЗападный Китай, Франция, Польша). Кроме того, использованы разрезы инженерно-геологических скважин (12–20 м) в районах Саянска, Иркутска и Биробиджана; для сравнения приведены полученные ранее данные по геологической скважине ГС1 (разрез «Мальта») [Рященко и др., 2009].

«Микроструктура», одновременно для части образцов устанавливался детальный структурный индекс и приводились РЭМ-изображения. Затем результаты сопоставлялись и делались соответствующие выводы относительно полученных типов микроструктур.

3.1. Результаты определения микроструктуры грунта В качестве примера представляем фотографии (РЭМ-изображения) микроструктуры (увеличение 100–3000) лессовых грунтов Западной Монголии (рис. 3.2) и Северо-Западного Китая (рис. 3.3).

Для двух коллекционных образцов (Северо-Западный Китай) также в качестве примера приводим результаты определения детального структурного индекса грунта.

1) 10 – 98 (красная неогеновая глина – региональный субстрат лессовой толщи): слитный класс микроструктуры (IV), подкласс – смешанные структурные связи (Г), вид – микроструктура с низкой активной пористостью (< 10 %) (31): IV – Г – 2) 11 – 98 (лесс): зернисто-агрегативный класс микроструктуры (II); подкласс – коагуляционные (А) (через водные пленки) и кристаллизационные (Б) (через водорастворимые соли) структурные связи; вид – микроструктура с низкой активной пористостью (< 10 %) (31): II – А (Б) – Рис. 3.2. Скелетная микроструктура лессовидной супеси – обр. 1–ДР–2 м (Монголия, район г. Дархан).

Рис. 3.3. Агрегированно-скелетная микроструктура лесса – обр. 12–98–vQ (Северо-Западный Китай, район г. Ланьчжоу).

десяти коллекционных образцов лессовых грунтов (коллекция Т.Г. Рященко) было проведено сопоставление результатов изучения их микроструктуры разными способами: установлены структурные индексы и одновременно получены данные по методу «Микроструктура», которые включали содержание агрегатов (А, %), реальную глинистость – М8 (%), коэффициенты глинистости (Кгл) и свободы тонкоглинистой фракции (F6), а также типы микроструктуры и структурной модели грунта (табл. 3.1).

Первые четыре образца – лессовые грунты (глубина отбора 5–15 м) из района г. Иркутска (dQ3), остальные представляют различные геологогенетические комплексы из районов Прибайкалья, Забайкалья и Монголии.

Результаты изучения микроструктуры лессовых грунтов (Монголо-Сибирский регион – коллекционные образцы) Примечание. Здесь и в табл. 3.2 Т0, Т2, Т3 – степень микротрещиноватости; * в скобках указано количество ударов, необходимых для микроразмокания образца; ** в скобках указано время впитывания капли глицерина; м/с – тип микроструктуры: ск-аг – скелетноагрегированный, аг-ск – агрегированно-скелетный, аг – агрегированный.

При сравнении полученных результатов можно сделать следующие выводы. Во-первых, информация о классах микроструктуры (метод А.К.

Ларионова) достаточно хорошо совпадает с выделенными ее типами (метод «Микроструктура»). Во-вторых, установленные подклассы свидетельствуют о преобладании смешанных структурных связей в исследованных грунтах, а количественную информацию о параметрах микроструктуры.

Кроме того, на основе представленных данных (табл. 3.1) можно заключить, что лессовые грунты субаэрального покрова третьей ангарской террасы – Верхнее Приангарье (образцы из района г. Иркутска – 1–4) по сравнению с лессовыми грунтами Прибайкалья (Тункинская впадина, образцы 5–6), Забайкалья (образцы из района Улан-Удэ – 7, 8) и Монголии (район Улаангома – 9–10) являются более агрегированными (III – IV класс микроструктуры – агрегативный и слитный), с низкой активной пористостью (31), они содержат 25,5–32,9 % агрегатов, их реальная глинистость также значительно выше (20,4–27,9 %). Различия в особенностях микроструктуры наряду с климатическими условиями указанных территорий определили характер проявления таких свойств лессовых грунтов как просадочность и прочность: в первом случае просадочность разнородна, удельное сцепление выше, во-втором – грунты преимущественно просадочны, сцепление разнородно [Рященко, Акулова, 1998].

Аналогичное сопоставление результатов было проведено для образцов глинистых и лессовых грунтов ключевых участков, при этом по трем объектам получены РЭМ-изображения (табл. 3.2, рис. 3.4–3.6).

Глинистые разновидности представлены современным делювиальным комплексом (dQ4) из районов Свирска и Балаганска (глубина отбора 1,5– 7,0 м) (образцы 1–7). В эту же группу входят образцы, отобранные в разрезе «Игетейский – Лог 1» на левобережье Осинского залива Братского водохранилища: погребенная древняя (казанцевская) почва (образцы 8–9), отложения нерасчлененного пролювиально-делювиального комплекса (pdQ – образец 10) и элювиальной зоны пород верхоленской свиты (e/vl – образец 11); глубина отбора 5–10 м.

Лессовые отложения (образцы 12–17) представлены пролювиальным (pQ3 – образец 12, район Улан-Удэ), делювиальным (dQ3 – образцы 13–14, разрез «Усть-Одинский», правобережье Китоя) и эоловым (vQ3-4 – образцы 15, 16, 17, Тункинская впадина – карьер и разрез «Зангисан») комплексами;

глубина отбора 2–5 м.

РЭМ-изображения получены для образца 18 (глубина 13,5 м) – это глинистые отложения аллювиального комплекса (aQ3 – разрез «УстьОдинский»), а также для лессов Франции – образец 19 (vQ3 – коллекция Т.Г.

Рященко).

Результаты изучения микроструктуры глинистых (gln) и лессовых (ls) 18–gln 19–lss 20–lss 21–lss Примечание. lss – лессы: коллекционные образцы из Франции – 19–КЛ–40, Польши – 20– ПЛ–1, Северо-Западного Китая – 21– КНР–95 (*** для Северо-Западного Китая данные по методу «Микроструктура» представлены в виде средних значений по девяти образцам).

Рис. 3.4. Агрегировано-скелетная микроструктура глинистого грунта (обр.18 – 10–13,5 м – aQ3; разрез «Усть-Одинский» – правобережье р. Китоя).

Рис. 3.5. Агрегировано-скелетная микроструктура лесса – lss (обр.19 – КЛ– – vQ3, Франция).

Для глинистых грунтов различных геолого-генетических комплексов структурный индекс выглядит следующим образом: II (III–IV) – Г (Б, В, А) – 31, 21 (11). Это значит, что преобладает зернисто-агрегативный класс (встречается агрегативный и слитный) микроструктуры, тип структурных связей – смешанный (редко – за счет солей или водных пленок), вид – активная пористость низкая (< 10 %) или средняя (20–11 %), редко высокая (25–20 %). Метод «Микроструктура» дает количественные параметры, на основании которых можно заключить, что тип микроструктуры в большинстве случаев скелетно-агрегированный (совпадение с классом, установленным по методу А.К. Ларионова); высокая реальная глинистость и «несвобода» тонкоглинистых частиц (F6 < 10 % в большинстве случаев) определяют низкую и среднюю активную пористость грунта; структурные связи определяются водорастворимыми и труднорастворимыми солями; тип структурной модели грунтов преимущественно крупнопылеватый смешанный, коэффициент глинистости изменяется от 1,5–7,7 (в среднем 3,7), что также подтверждает значительную агрегированность исследованных образцов глинистых разновидностей.

Для лессовых грунтов (ls – лессовидные отложения) структурный индекс выглядит иначе: II – Б, А, Г – 11(21, 01, 31). Это значит, что класс микроструктуры зернисто-агрегативный, структурные связи трех типов – за счет солей, коагуляционные или смешанные, активная пористость высокая «Микроструктура» подтверждает меньшую степень агрегированности грунтов (количество агрегатов в среднем составляет 20 %, в глинистых разновидностях – 28 %), реальная глинистость здесь также меньше (12 %, в глинистых разновидностях – 32 %), в результате наблюдаются высокая активная пористость и крупнопылеватый элементарный тип структурной модели.

Коллекционные образцы лессов (19–21) по сравнению с лессовыми грунтами (это лессовидная группа) характеризуются структурными связями за счет водорастворимых солей (Б) и высокой активной пористостью (11), класс их микроструктуры тот же – зернисто-агрегативный (II). Метод «Микроструктура» позволяет утверждать, что количество агрегатов в лессах различно, также как и коэффициент свободы тонкоглинистой фракции, в крупнопылеватый элементарный и тонко-мелкопесчаный агрегативный.

Таким образом, метод А.К. Ларионова позволяет оперативно оценить степень агрегированности, тип структурных связей и величину активной пористости грунта, метод «Микроструктура» дает количественную характеристику, РЭМ-изображения дополняют «микроструктурную картину».

3.2. Микроструктурные особенности грунтов различных дисперсных грунтов, поэтому на основе ее изучения можно решить прямую и принадлежность отложений, можно зафиксировать их микроструктурные особенности, и, наоборот, изучив микроструктуру, сделать некоторые выводы относительно формирования того или иного комплекса.

Глинистые грунты – это четыре геолого-генетических комплекса (dQ4, aQ3, pdQ, e/vl) и древняя (казанцевская) погребенная почва (ппг2);

кроме того, имеются коллекционный образец озерных неогеновых темносерых глин (остров Ольхон). В сравнительной таблице 3.3 приведены десять параметров микроструктуры для каждого представителя указанных комплексов.

Каждый образец имеет визуальное описание. Например, пролювиальноделювиальный нерасчлененный комплекс (pdQ – 5–8,1 м) – это суглинок тяжелый коричневато-серого цвета, вязкий, с многочисленными примазками извести, макропористый (излом напоминает пемзу); элювий верхоленской свиты (он перекрыт девятиметровой толщей четвертичных отложений) (e/vl – 2–9,2 м) – это суглинок палево-розового цвета, пылеватый (пачкает руки), с гнездами и пятнами песчаного материала, макропористый (отмечаются макропоры – «каверны» и «зацепки»).

По данным сравнительной таблицы 3.3 построены графики изменения микроструктурных параметров глинистых грунтов (рис. 3.6), но поскольку построения выполнены в EXCEL, регистры в индексах не указаны (индексы А2, А3, Q3 соответствуют А2, А3, Q3 и т. д. на этом и других аналогичных графиках).

Однородное содержание агрегатов отмечается в четырех комплексах (dQ4, pdQ, e/vl, ппг2), минимум – в аллювии, максимум – в озерных неогеновых глинах. Средне-крупнопесчаные агрегаты (А1 – на графике они верхнечетвертичном аллювии – это их генетический признак; тонкомелкопесчаные агрегаты (А2) характерны для древнего пролювиальноделювиального комплекса, крупнопылеватые (А3) – для элювия верхоленской свиты и неогеновых глин (они отсутствуют в аллювиальном и пролювиально-делювиальном комплексах).

Параметры микроструктуры глинистых грунтов различных ГГК глубина, м Иной характер наблюдается в распределении первичных (свободных) частиц: крупнопылеватые (М3) явно преобладают, исключение составляют озерные неогеновые глины; график распределения тонко-мелкопесчаных частиц (М2) – зеркальное отражение графика по крупнопылеватой фракции мелкопылеватых частиц (М4) фиксируется в озерных неогеновых глинах – это их генетический признак.

Рис. 3.6. Изменение параметров микроструктуры в глинистых грунтах различных геолого-генетических комплексов (ГГК).

Реальная глинистость резко увеличивается в озерных глинах, в остальных комплексах она относительно стабильна; график изменения отражение графика реальной глинистости.

Древняя погребенная почва по содержанию агрегатов аналогична крупнопылеватые разновидности; увеличивается коэффициент свободы тонкоглинистой фракции (возможно, это генетический признак погребенного почвенного горизонта).

dQ3, vQ3-4) и погребенная почва. В сравнительной таблице 3.4 приведены десять параметров микроструктуры для каждого представителя указанных комплексов.

Параметры микроструктуры лессовых грунтов различных ГГК глубина, м Каждый образец имеет визуальное описание. Например, эоловый суглинок лессовидный светло-серого цвета, пылеватый, жирный на ощупь, погребенный почвенный горизонт (ппг – 10–5,0 м) в лессовой толще – это суглинок темно-серого цвета, вязкий, пластичный, комковатой структуры, с немногочисленными точечными макропорами.

По данным сравнительной таблицы 3.4 получены графики изменения микроструктурных параметров грунтов (рис. 3.7).

Рис. 3.7. Изменение параметров микроструктуры в лессовых грунтах различных геолого-генетических комплексов (ГГК).

Прежде всего, четко прослеживается закономерность – в погребенной почве возрастает содержание агрегатов, особенно крупнопылеватых (А3), которые в других комплексах отсутствуют, и увеличивается реальная глинистость при низкой свободе тонкоглинистых фракций. Среди первичных частиц во всех комплексах очень мало мелкопылеватых разновидностей, преобладают крупнопылеватые. В пролювиальных верхнечетвертичных отложениях максимальную свободу имеют тонкоглинистые частицы, на втором месте по этому признаку находятся лессовые грунты эолового комплекса.

представим график их изменения в конкретном разрезе эоловой лессовой толщи (vQ3-4) – это разрез «Зангисан» в Тункинской впадине (коллекция образцов А.А. Щетникова) (рис. 3.8). Четко прослеживается увеличение общего количества агрегатов и реальной глинистости.

Рис. 3.8. Микроструктурные признаки погребенного почвенного горизонта (ппг) в лессовой толще.

Рассмотрим параметры микроструктуры эоловых лессов Франции, Польши и Северо-Западного Китая (табл. 3.5). Можно отметить их следующие особенности: количество агрегатов соответствует агрегированноскелетному типу микроструктуры (за исключением образца ПЛ–1); среди агрегатов отсутствуют крупнопылеватые (А3); среди первичных частиц господствуют крупнопылеватые (М3) (за исключением образца ПЛ–1 с агрегированной микроструктурой); мелкопылеватого первичного материала (М4) очень мало (1,3–7,3 %); реальная глинистость (М8) незначительна (9,8– 15,0 %); коэффициент свободы тонкоглинистой фракции (F6) разнороден агрегированности грунта, находится в пределах 1,5–7,2.

образцам [Хмелевская, Рященко, 2003].

Если сравнить параметры микроструктуры лессов (lss) и лессовидных отложений (ls) (см. табл. 3.4 и 3.5), то различия видны только для пролювия (pQ3), где резко возрастает содержание первичных тонко-мелкопесчаных частиц (до 41,1 %) и значительно увеличивается коэффициент свободы тонкоглинистой фракции (до 45 %). Остальные признаки микроструктуры эоловых лессов (образцы из Франции, Польши и Северо-Западного Китая) и лессовидных отложений делювиального (dQ3) и эолового (vQ3-4) комплексов юга Восточной Сибири практически одинаковы [Рященко, Вашестюк, 2012].

Следовательно, можно предположить периодическое участие эолового фактора при формировании делювиальных покровов ангарских террас, однако для пролювия Забайкалья этот фактор исключается.

3.3. Микроструктура лессовых и глинистых грунтов Представлены инженерно-геологические колонки трех скважин, места отбора проб и характер изменения микроструктурных параметров в вертикальном разрезе толщи. Для разрезов «Саянск», «Иркутск» и «Биробиджан» выбраны параметры с наибольшей изменчивостью – А, А2, А3, М4, М7, F6. Для разреза «Мальта» [Рященко и др., 2009] представлена геолого-литологическая колонка, где показано распределение показателей (параметров) микроструктуры по глубине в соответствии с выделенными пачками (геолого-генетическими комплексами) грунтов; в число параметров входят А, А3, М11, М4А, F4, М8 (М4А – реальное содержание мелкопылеватых частиц, свободных и мобилизованных в агрегаты).

По материалам ЦГЭИ Национального исследовательского Иркутского государственного технического университета изучен разрез скв. 579 (район телевышки, г. Саянск) глубиной 16 м, представленный аллювиальным современным комплексом (aQ4) – это лессовые грунты с прослоем водонасыщенного песка (интервал 5–7 м), суглинки (интервал 11,5–14 м) и супесчано-галечные отложения (интервал 14–16 м); зафиксирован погребенный почвенный горизонт (интервал 10,5–11,5 м); параметры микроструктуры определялись для семи образцов (рис. 3.9).

Общее количество агрегатов увеличивается с глубиной, при этом максимальное содержание их отмечается в погребенной почве и суглинках;

аналогичная изменчивость наблюдается по содержанию крупнопылеватых агрегатов, количество тонко-мелкопесчаных разновидностей относительно стабильно.

мелкопылеватых частиц. Реальное содержание тонкоглинистых частиц резко возрастает в погребенной почве и суглинках, в то же время коэффициент их свободы снижается (они оказываются мобилизованными в агрегаты).

Таким образом, по микроструктурным параметрам толщу можно разделить на две зоны: верхняя (до глубины 9 м) включает лессовые грунты, нижняя (9–14 м) – это низы лессовой толщи, погребенная почва и глинистые грунты.

Следовательно, параметры микроструктуры отложений одного геологогенетического комплекса (aQ4) изменяются в зависимости от их литологического состава (лессовый и глинистый грунт); кроме того, погребенная почва имеет свои микроструктурные признаки – повышенную агрегированность за счет крупнопылеватых разновидностей и высокое реальное содержание тонкоглинистых частиц с очень низким коэффициентом свободы.

Рис. 3.9. Инженерно-геологическая колонка скв. 579 («Саянск») и распределение параметров микроструктуры в вертикальном разрезе грунтовой толщи.

1 – насыпной грунт представленный песком желтым, мерзлым, при оттаивании малой степени водонасыщения, средней крупности, с вкл. строит. отх. до 10 % (кирпич, дерево, стекло, галька); 2 – лессовидные супеси, суглинки; 3 – песок мелкий желтый, насыщенный водой, средней плотности; 4 – погребенная почва; 5 – суглинок коричневый, полутвердый;

6 – галечниковый грунт с супесью; показатели микроструктуры (%): A – общее количество агрегатов; A2 - агрегаты – 0,25–0,05; A3 - агрегаты – 0,05–0,01; M4 - первичные частицы – 0,010–0,002; M7 – реальное содержание тонкоглинистой фракции < 0,001 мм; F – коэффициент свободы.

Изучен разрез скв. 1416а глубиной 20 м, пробуренной осенью 2005 г. в микрорайоне Солнечный г. Иркутска на площадке строительства жилого комплекса «Маршал» (материалы ИЗК СО РАН). Здесь широко развиты циклично построенные лессовые толщи (выделено два погребенных почвенных горизонта), залегающие на глинистом аллювии; параметры микроструктуры определены для 15 образцов (рис. 3.11). Лессовые грунты относятся к делювиальному поздневерхнечетвертичному комплексу (dQ33-1 – нижний циклит, dQ33-2 – верхний циклит), глинистые – к аллювиальному верхнечетвертичному [Рященко, Ухова, 2008].

Для лессовой толщи установлены следующие микроструктурные особенности: тип микроструктуры агрегированно-скелетный, реже скелетноагрегированный (А=12,2–28,3 %), тип структурной модели грунта – крупнопылеватый (сумма первичных частиц размером 0,05–0,01 мм и агрегатов того же размера составляет 50,2–72,2 %) смешанный (20 < G < 80 %).

По данным стандартной гранулометрии и информации о пластичности лессовые грунты являются супесями пылеватыми нормально пластичными (Ip < 7), реже повышенной пластичности (Ip > 7). Реальная глинистость этих агрегированных супесей составляет 12,8–28,3 %, при этом коэффициент тонкоглинистой (< 0,001 мм) фракции преимущественно < 10 %.

Следовательно, обнаруженные в супеси агрегаты (преобладают крупнопылеватые – А3) состоят из тонкоглинистых частиц; крупнопылеватые фракции (М3) не участвуют в строительстве агрегатов (их коэффициент свободы составляет 100 %).

В вертикальном разрезе лессовой толщи наблюдается следующий характер изменчивости микроструктурных параметров: до глубины 8 м общая агрегированность относительно стабильна, только при увеличении содержания тонко-мелкопесчаных агрегатов уменьшается количество крупнопылеватых (происходит их взаимозаменяемость); относительно стабильны содержание мелкопылеватых первичных частиц (небольшой «отрицательный пик» отмечается на глубине 9 м) и величина реального количества тонкоглинистой фракции, коэффициент свободы которой до глубины 9 м изменяется пилообразно, а далее становится весьма низким.

Для погребенных почв отмечается общая закономерность – почти исчезают крупнопылеватые агрегаты.

«Положительный пик» по общему количеству агрегатов фиксируется в интервале 9,5–14,0 м, происходит это за счет крупнопылеватых разновидностей, которые можно отнести к эпигенетическим образованиям, связанным с палеокриогенными воздействиями, в то время как тонкомелкопесчаные агрегаты могли иметь эоловое происхождение и поэтому являются сингенетическими [Рященко, 2003, 2010]. Отмеченная выше взаимозаменяемость тонко-мелкопесчаных (А2) и крупнопылеватых (А3) агрегатов связана, видимо, с периодическим участием эолового фактора при накоплении толщи.

Глинистые грунты (aQ3) по данным стандартной гранулометрии, информации о пластичности и параметрах микроструктуры относятся к супесям пылеватым повышенной (Ip > 7) пластичности.

Микроструктура скелетно-агрегированная (А=28 %), тип структурной модели грунта – крупнопылеватый элементарный (G > 80 %); среди агрегатов преобладают тонко-мелкопесчаные (А2), которые, естественно, не могут иметь эолового происхождения, их образование, возможно, происходило при формировании пойменной фации аллювия в водной среде на стадиях син- и эпигенеза. Здесь можно провести аналогию с выше рассмотренным разрезом агрегированность.

Рис. 3.10. Инженерно-геологическая колонка скв. 1416а («Иркутск») и распределение параметров микроструктуры в вертикальном разрезе грунтовой толщи.

1 – насыпной грунт; 2 – лессовидные супеси, суглинки; 3 – погребенная почва; 4 – суглинок коричневый, полутвердый; показатели микроструктуры (%): A – общее количество агрегатов; A2 - агрегаты – 0,25–0,05; A3 - агрегаты – 0,05–0,01; M4 - первичные частицы – 0,010–0,002; M7 – реальное содержание тонкоглинистой фракции < 0,001 мм; F – коэффициент свободы.

Таким образом, в двухэтажном разрезе грунтовой толщи установлены определенные признаки микроструктуры для делювиального (лессового) и аллювиального (глинистого) комплексов отложений. Почему в погребенных почвах очень мало крупнопылеватых агрегатов? Возможно, повлияли более теплые климатические условия по сравнению с эпохой формирования лессовых толщ.

В районе г. Биробиджана ЦГЭИ Национального исследовательского Иркутского государственного технического университета проводились инженерно-геологические изыскания, в процессе которых по опорным скважинам были вскрыты глинистые тиксотропные грунты (озерный палеоген-неогеновый комплекс). Микроструктура этих грунтов изучалась по скв. 1000 глубиной 12 м; определение параметров микроструктуры проводилось для восьми образцов (рис. 3.12). Выделено три слоя в глинистой толще: глина «шоколадная», вязкая, жирная (4,5 м); глина темно-серая, коричневато-желтая, коричневая, с жирной поверхностью на срезе (интервал 4,5–8,5 м); глина пестрая с включениями угля (интервал 8,5–10,5 м) [Рященко и др., 2002].