Статья: Минеральный состав современных просадочных отложений в основании строящейся автомобильной дороги А 289

Диагностика и анализ. Диагностика минерального состава проводилась методом сопоставления экспериментального и эталонных спектров из базы данных PDF-2 в программном пакете Jade 6.5, компании MDI.

Количественный анализ. Количественный анализ осуществлялся методом полнопрофильной обработки рентгеновских картин от неориентированных препаратов по методу Ритвельда. В основе метода лежит сопоставление расчетных и экспериментальных значений интенсивностей дифракционных отражений, которые измеряются в определенных точках дифрактограммы, полученной при пошаговом сканировании Пущаровский Д.Ю. Рентгенография минералов. -- М.: Геоинформмарк, 2000. 292 с. . В ходе анализа уточняются параметры элементарных ячеек всех фаз, содержащихся в смеси и определенных на предварительном этапе идентификации, а также координаты атомов каждой фазы. В результате сопоставления экспериментального и уточненного спектров рассчитывается весовое содержание фаз. Погрешность расчетов количественных содержаний по методу Ритвельда обычно принимается в 2-3 %. Ошибка определения складывается из ошибок расчета для каждой фазы и дается в весовых процентах. При этом, для отдельных фаз ошибка определений будет отличаться и может составлять от 0.5 до 5 % [10].

Результаты исследования

Стоит отметить, что просадочные грунты на ПК 985 -- ПК 1043, вскрытые в рамках производства строительно-монтажных работ автомобильной дороги, относятся к II типу просадочности, так как просадка происходит под действием внешней нагрузки. Минимальная просадка от собственного веса 0,05 см (Скважины 987-2, 1010-1) и до 2,96 см (Скважина 1024-1). Суглинки в основном слабопросадочные, и единично среднепросадочные в соответствии с ГОСТ 25100-2020 ГОСТ 25100-2000 Межгосударственный стандарт. Грунты. Классификация. -- М.: Стандартинформ. 2020. 41 с.

Глинистые породы -- полиминеральные системы, в состав которых могут входить более 30 различных минералов. Примерно 12-15 минералов относятся к числу основных породообразующих, содержание каждого из которых составляет не менее 3 %. Остальные минералы считаются акцессорными, т. е. рассматриваются как примеси, не оказывающие кардинального влияния на физико-механические свойства глинистых грунтов. По составу все минеральные образования, входящие в состав глинистых грунтов, подразделяются на три группы: неглинистые минералы, глинистые минералы и органическое вещество. Среди неглинистых минералов, входящих в состав глин, выделяются минералы аллотигенного и аутигенного происхождения. Объект исследования приурочен к Кубано-Приазовской низменности, вследствие чего могут быть минералы только аутигенного происхождения.

Аутигенное минералообразование идёт вследствие перенасыщения порового раствора глинистого осадка по отношению к той или иной соли и выпадение ее в осадок. Аутигенные глинистые минералы образуются во время осадконакопления или начальной стадии диагенеза непосредственно в осадке. Среди аутигенных минералов, формирующихся на стадии седиментогенеза и раненного диагенеза, следует отметить оксиды и гидрооксиды кремния, карбонаты, сульфаты, сульфиды. В основе аутигенного минералообразования лежит синтез глинистых минералов из поровых растворов, перенасыщенных растворенными элементами -- продуктами выветривания, а также вод лиманов и озер аридной зоны (затопленные рисовые чеки), имеющих повышенное содержание растворенных солей. При этом наибольшее значение имеют не климатические, а физико-химические условия, определяющиеся составом вмещающих вод и поровых растворов.

Современные аллювиально-лиманные глинистые грунты образовались в условиях аридного климата, вследствие чего среда их формирования щелочная. Результаты pH = 7,4 современных глинистых аллювиально-лиманных отложений подтверждают вышесказанное.

Условия образования глинистых пород часто оказываются благоприятными для формирования различных аутигенных минералов. Среди них наиболее распространены простые соли: карбонаты, сульфаты, сульфиды, о чем свидетельствуют данные минерального состава.

Толща современных просадочных отложений, встреченная в рамках строительства автомобильной дороги, обладает незначительной мощностью, до 1,5 м, что позволяет в соответствии с классификацией В.Т. Трофимова отнести её к ациклитческому классу.

Результаты исследования минерального состава просадочных грунтов представлены в таблице 1.

Таблица 1 Минеральный состав, масс. %

Составлено авторами

Исследования показали, что преобладающим минералом в составе грунтов является аутигенный неглинистый минерал -- кварц. Процентное содержание от общей массы составляет от 18,4 % (обр. 3) и до 48,8 % (обр. 1.2). Это объясняется каркасным строением его кристаллической решетки и полной сбалансированностью валентных связей. Кристаллы кварца имеют высокую прочность и химическую устойчивость.

Отдельные пылеватые частицы исследуемых просадочных грунтов имеют следующее строение, определенное исходя из минерального состава и исследований А.А. Минервина и Н.Н. Комиссаровой [11]: ядро кварца размерами до 0,1 мм, поверхность ядра окружена аморфным гелем SiO2 и частично разрушенной кальцитовой оболочки, поверх которой размещается глинистая «рубашка», представленная глинистыми минералами, относящимися к группе слоистых и силикатовБондарик Г.К., Пендин В.В., Ярг Л.А. Инженерная геодинамика. -- М.: Издательство «КДУ», 2009 г. -- 440 с..

Смектит, глинистый минерал, относящийся по типу к слоистым силикатам, класс силикаты. Процентное содержание от общей массы составляет от 9,3 % (обр. 1.2) и до 23,2 % (обр. 2.3).

Иллит, глинистый минерал, относящийся по типу к листовым силикатам, класса силикаты. Процентное содержание от общей массы составляет от 5,7 % (обр. 1.2) и до 34.7 % (обр. 3).

Каолинит, глинистый минерал, относящийся по типу к слоистым силикатам, класс силикаты. Процентное содержание от общей массы составляет от 2,6 % (обр. 2.1) и до 5,0 % (обр. 2.3).

Хлорит, акцессорный глинистый минерал, относящийся по типу к слоистым силикатам, класс силикаты. Процентное содержание от общей массы составляет от 2,6 % (обр. 2.1) и до 5,0 % (обр. 2.3).

Строение структурного слоя -- важнейший классификационный признак глинистых минералов. В зависимости от его строения выделяют несколько типов глинистых минералов минералы со структурным слоем типа 1:1, 2:1, 2:1:1. В исследуемых образцах это названия групп: каолинит (тип 1:1), смектит, гидрослюда (иллит) (тип 2:1), хлорит (тип 2:1:1) [12].

Одна из особенностей глинистых минералов -- широкое развитие у них явления изоморфизма. Под изоморфизмом понимается замещение в кристаллической решетке минералов одних катионов другими близкими по размеру. При этом тип кристаллической структуры минерала остается прежним, а изменяются только их химический состав и свойства. Наиболее развит изоморфизм у минералов групп смектитов и хлоритов, и наименее развит изоморфизм у групп минералов гидрослюд и каолинитов [13].

Суммарное содержание глинистых минералов в исследуемом образце 1.1 составляет 34,6 % от общего минерального состава образца.

Суммарное содержание глинистых минералов в исследуемом образце 1.2 составляет 19,8 % от общего минерального состава образца.

Суммарное содержание глинистых минералов в исследуемом образце 1.3 составляет

37.3 % от общего минерального состава образца.

Среднее содержание глинистых минералов в исследуемом образце 1 на ПК 985 составляет 30,6 % от общего минерального состава образцов 1.1, 1.2, 1.3.

Суммарное содержание глинистых минералов в исследуемом образце 2.1 составляет 27,0 % от общего минерального состава образца.

Суммарное содержание глинистых минералов в исследуемом образце 2.2 составляет

26.4 % от общего минерального состава образца.

Суммарное содержание глинистых минералов в исследуемом образце 2.3 составляет 38,0 % от общего минерального состава образца.

Среднее содержание глинистых минералов в исследуемом образце 2 на ПК 1005 составляет 30,5 % от общего минерального состава образцов 2.1, 2.2, 2.3.

Суммарное содержание глинистых минералов в исследуемом образце 3 составляет 60,1 % от общего минерального состава образца.

Среднее содержание глинистых минералов в исследуемом образце 3 на ПК 1014 составляет 60,1 % от общего минерального состава образца 3.

Альбит, неглинистый минерал, относящийся по типу к каркасным силикатам, класс силикаты. Далее по преобладанию массового содержания идут аутигенные плагиоклазы Альбит. Процентное содержание от общей массы составляет от 11,5 % (обр. 3) до 20,0 % (обр. 1.2). Менее устойчивы к выветриванию, чем микроклин. Снижение прочности связано с повышенной подвижностью катионов и способствует более быстрому выщелачиванию и химическому разрушению минералов. В процессе выветривания практически полностью разрушаются.

Калинатровый полевой шпат (микроклин), неглинистый минерал, относящийся по типу к каркасным силикатам, класс силикаты. Процентное содержание от общей массы составляет от 3,1 % (обр. 3) и до 7,8 % (обр. 2.1). Менее устойчивы к выветриванию, чем кварц. Снижение прочности связано с изоморфными замещениями и наличием в их структурах «вторгнувшихся» катионов, компенсирующих недостаток отрицательного заряда. Повышенная подвижность этих катионов и их участие в реакциях гидролиза способствует более быстрому выщелачиванию и химическому разрушению минералов.

Амфиболы, акцессорный неглинистый минерал, относящийся по типу к ленточным силикатам, класс силикаты. Процентное содержание от общей массы составляет от 1,6 % (обр. 1.1) и до 2,6 % (обр. 1.2). Менее устойчивы к выветриванию, чем микроклин. В процессе выветривания практически полностью разрушаются.

Кальцит, неглинистый минерал, относящийся к классу карбонаты. Процентное содержание от общей массы составляет от 3,3 % (обр. 1.2) и до 10,2 % (обр. 2.3).

Анкерит, акцессорный неглинистый минерал, относящийся к классу карбонаты. Процентное содержание от общей массы составляет от 0,2 % (обр. 1.1 и 2.3) и до 0,6 % (обр. 2.1).

Доломит, акцессорный неглинистый минерал, относящийся к классу карбонаты. Процентное содержание от общей массы составляет от 0,2 % (обр. 1.1 и 1.2) и до 0,7 % (обр. 1.3).

Минералы смектитовой группы способны адсорбировать молекулы воды в межслойном пространстве и увеличивать расстояние структурного слоя. Гидратация внутренних базальных поверхностей приводит к снижению плотности глинистых минералов, увеличению объема адсорбированной ими воды, изменению физических свойств [12]. Низкие показатели характеристик плотности просадочных глинистых грунтов на ПК 985-1043, есть нечто иное, как процесс активного протекания внутрикристаллического набухания.

В соответствии с разделением смектитов по структурным и физико-химическим показателям на исследуемых образцах можно сказать, что количество разбухающих слоёв, в % соотношении составляет 90-100 % от общего количества слоёв [14]. Способность к внутрикристаллическому набуханию, и главное чрезвычайно высокая дисперсность обуславливают высокую физико-химическую активность смектитов [13].

Выводы

Суммарный анализ содержания глинистых минералов (с учетом акцессорных минералов) по образцам показал, что их содержание варьируется от 19,8 % (обр. 1.2) и до 60,1 % (обр. 3). Исходя из полученных данных, преобладающим минералом является кварц, который достаточно устойчив к процессу выветривания и физико-химическим процессам, происходящим в аридном климате при определенных условиях формирования щелочных поровых растворов, соответственно, вышеуказанные параметры позволяют сделать предположение, что в формировании просадочных свойств глинистых грунтов, решающую роль играет комплекс глинистых минералов, таких как смектиты, каолиниты, гидрослюды и хлориты. Низкие показатели характеристик плотности просадочных глинистых грунтов на ПК 985 -- ПК 1043 являются показателями процесса активного протекания внутрикристаллического набухания.

Первоначально участок исследования не подтоплен. При планировочных земляных работах был снят почвенно-растительный слой и участок исследования весь весенне-летне-осенний находился в благоприятном для физического, химического выветривания состоянии. Минералы микроклина, альбита и амфиболов практически неустойчивы к выветриванию. В следствие чего можно предположить, что кровля массива просадочных грунтов первоначально подверглась процессам выветривания, а уж затем повысилась природная влажность грунтов в силу начавшихся аномальных осадков и отсутствия системы водоотведения с участка.