книги из ГПНТБ / Воронкевич, С. Д. Газовая силикатизация песчаных пород

Следует при этом учитывать, что, во-первых, подавляющее большинство песчаных пород, попадающих в сферу инженер­ ной деятельности человека, является кварцевыми, полевошпа­ тово-кварцевыми, кальцитово-кварцевыми и глауконитовокварцевыми (кварц или два минерала составляют >80% час­ тиц) , а во-вторых, что в зоне гипергенеза в результате про­ цессов выветривания, почвообразования и геохимической деятельности подземных вод песчаные породы обычно обога­ щаются гидроокислами железа, гумусом, каолинитом, гидро­ слюдой и вторичными карбонатами и гипсом. Эти органиче­ ские и минеральные образования присутствуют в песчаных породах в виде примесей либо в виде аутигениых пленок на зернах другого минерального состава и зачастую почти пол­ ностью обеспечивают физико-химическую активность песча­ ных пород.

Особенности минерального состава определяют и химиче­ ский состав песчаных пород (табл. 3). Химико-минеральный состав главной составной части песчаных пород обычно свя­ зан с их генезисом. Так, например, химико-минеральный со­ став флювиогляциальных песков отличается непостоянством. Химический состав древнеаллювиальных песков европейской части С С С Р характеризуется высоким содержанием ЭіОг (как правило, более 95%).

Химический состав различных гранулометрических фрак­ ций так же, как и минеральный, неодинаков. Наиболее бога­ тыми кремнекислотой являются обычно средние, а в некото­ рых случаях мелкие песчаные фракции.

ХАРАКТЕР ПОВЕРХНОСТИ ПЕСЧАНЫХ ЗЕРЕН

Основными элементами поверхности зерен являются рельеф, обусловленный в значительной степени формой зерен, химический состав и строение поверхностной пленки зерен.

От формы обломочных частиц зависит суммарная поверх­ ность зерен породы в единице объема, способная взаимодей­ ствовать с цементирующим веществом. В общем случае при прочих равных условиях поверхность песчаных частиц тем меньше, чем ближе их форма к шару. Наименьшей суммар­ ной поверхностью обладают пески с изометричными и хорошо окатанными зернами, а наибольшей — пески, слабоокатан­ ные с угловатыми зернами или пески, подвергшиеся корро­ зии с зернами неправильной «изъеденной» формы.

В песчаных породах прослеживается связь округлостиугловатости зерен с их размером. В крупных фракциях ■ сосредоточиваются зерна преимущественно округлой формы, во фракциях 0,5—0,1 мм встречаются округлые и угловатые частицы. Мелкие фракции (<0,1 мм) состоят в основном из угловатых зерен, а частицы <0,01 мм вообще теряют спо­

11

собность окатываться. Степень окатывания, безусловно, зави­

поверхности силикатов, пришел к выводу о высокой химиче­ ской устойчивости горных пород в связи с образованием за­ щитных поверхностных пленок кремниевой кислоты. Эти плен­ ки могут достигать толщины нескольких десятков ангстрем.

Наличие железистых и железистоорганических пленок, по­ данным А. Ф. Тюлина, определяет во многом свойства почв. Исследования А. Ф. Тюлина и Т. А. Маломаховой (1954) по созданию искусственных пленок на кварцевом песке и гли­ нистых минералах позволили высказать предположение о- происхождении железистых пленок путем выветривания сили­ катов или в процессе адсорбции и прочного закрепления водно-растворимых соединений железа на поверхности час­ тиц. Железистые новообразования чрезвычайно широкораспространены в песчаных грунтах. Состав этих новообра­ зований весьма разнообразен. В гумусовых горизонтах при­ сутствуют скопления окислов вместе с гумусом. Н . М . Стра­ хов и Э. С. Залманзон (1955), изучая распределение аутигеи- ио-минералогических форм железа в осадочных породах, установили существование четырех основных форм: сульфит­ ной (пирит и марказит), карбонатной (сидерит, анкерит и глауконит), окисной (гидрогетит, гематит) и силикатной. По данным А. М. Цехомского (1965), железистые пленки состоят преимущественно из свободной гидроокиси цемента, гетита и гидрогематита. Толщина пленок колеблется от 0,05 до 0,5 мк. Вещество пленки может быть окристаллизованно или же на­ ходиться в коллоидно-аморфном или метастабильном со­ стоянии.

Таким образом, в песках, как правило, имеет место каче­ ственная неравноценность между минеральной поверхностью песчаных частиц и их ядром.

При закреплении песков химическими веществами каче­ ство минеральной поверхности во многом определяет резуль­ таты закрепления. Поверхностные пленочные образования оказывают большое влияние на обменную способность мине­ ралов. Наличие пленок окиси железа, по Е. М. Сергееву, обусловливает адсорбцию глинистых частиц.

В. М . Фридланд и И . Г. Цюрупа (1966) исследовали влияние окислов железа на обменные свойства кварца, као­ лина, биотита, мусковита и т. д. Ими выяснено, что образуе­ мые на частицах железистые пленки приводят к увеличению

12

обменной емкости поверхностно-инертных минералов (квар­ ца, каолинов) и уменьшению обменной способности аморф­ ной кремнекислоты и поверхностно-активных минералов, например слюд. Чистые препараты гидроокиси железа обла­ дают обменной способностью. Максимальной емкостью обме­ на обладала гидроокись железа (58 мг-экв на 100 г), высу­ шенная при температуре 25° С.

В структурном отношении пленка может быть представле­ на плотным изотропным веществом, чешуйчатым и рыхлой хлопьевидной массой. По распределению и взаимосвязи с зернами наблюдаются три типа пленки: 1) вещество концент­ рируется на выпуклых частях зерна в виде пятен, примазок различной величины и толщины; 2) скопления в углублениях, созданных без участия вещества пленки, прожилки и включе­ ния по следам прежней коррозии; 3) вещество концентри­ руется на корродированной им же поверхности зерен, затеки, прожилки гнезда. Третий тип распределения вещества пленки особенно типичен для зерен полевого шпата.

Главными химическими компонентами вещества пленки являются окись кремния, глинозем и окись железа. Осталь­ ные окислы играют второстепенную роль. Для пленки харак­

и щелочноземельные окислы находятся преимущественно в составе минералов алюмосиликатного комплекса, а некоторое количество щелочных земель — в виде самостоятельных ми­ нералов. Окислы железа составляют значительную часть пленки, достигая 60—65%, редко содержание их уменьшает­ ся ниже 10%. Присутствует железо обычно в форме свобод­ ной гидроокиси, образуя такие минералы, как гематит, гетит, гидрогематит, гидрогетит, лимонит. Возможны комплексные металлоорганические соединения, особенно в составе вещест­ ва пленок песков, подвергшихся процессу почвообразования.

По минерально-химическому составу различают две груп­ пы пленок: силикатную и железистую. В состав силикатной пленки входят один или несколько глинистых минералов, а также глауконит и хлорит. Основная роль в железистых пленках принадлежит минералам железа, иногда марганца. Вещество пленки может быть в кристаллическом, коллоидно­ аморфном или метастабильном состоянии. Количественное соотношение вещества пленки, имеющего ту или иную степень окристаллизованности, у различных песков неодинаково. Ясной зависимости степени покрытости пленкой зерен раз­ личной крупности нет, но в большинстве случаев наблюдает­ ся некоторое увеличение количества зерен, покрытых пленкой, при переходе от крупной фракции к мелкой.

13

Пленка, состоящая из окристаллизованпого вещества, оказывается весьма прочной в случае, если она образовалась в результате перерождения коллоидов непосредственно на поверхности зерен, нередко с участием вещества последних. Если же кристаллическое вещество поступало извне в виде отдельных частиц, то такая пленка легко разрушается при физическом воздействии. Нередко повышенная прочность ее объясняется повышенным содержанием поглощенного каль­ ция. В связи с изложенным в настоящее время считается, что наибольшей механической устойчивостью обладает железис­ тая пленка, затем пленки кристаллического строения: каолинитовая, гидрослюдистая и смешанного состава. Для пленок, имеющих большое количество неокристаллизоваиного ве­ щества, такой порядок нарушается. Следует отметить, что силикатные пленки, содержащие одинаковые минералы, ока­ зываются более прочными по мере увеличения в них количе­ ства свободных гидроокислов железа и окиси кальция.

Пленка возникает в различные периоды развития песков,

в виде частиц минералов, преимущественно глинистых. Мине­ ральный тип и строение пленки зависят от состава атмосфе­ ры, участия органического вещества, тектонических движений, климата, состава горных пород в районе питания, микро­ рельефа, характера растительности и других факторов, опре­ деляющих своеобразие геохимической обстановки и имеющих место процессов. По времени образования различают два вида пленок: 1) возникающие в период транспортировки и отложения песчаного материала; 2) после отложения песков в период их диагенеза и эпигенеза, включая выветривание и почвообразование. В первом случае чаще всего возникают силикатные пленки. Минеральный тип определяется общими физико-географическими условиями и характером среды; для морских песков характерен гидрослюдистый, реже монтмориллонитовый состав вещества пленок, для аллювиальных — каолинит-гидрослюдистый, для ледниковых — гидрослюдис­ тый. На второй стадии формируются силикатные, железистые и смешанные пленки. Среди силикатных пленок наиболее распространена гидрослюдистая, особенно типичная для сред­ них широт. Каолинитовая пленка типична для жаркого гумидного климата. Нередко присутствует свободный крем­ незем.

На основании экспериментальных исследований естест­ венных и искусственных пленок на различных минералах механизм закрепления пленок на поверхности песчаных зерен представляется следующим образом. На отрицательной по­ верхности кварца адсорбируются золи гидроокислов метал­

14

лов или многовалентные катионы. Оми в свою очередь спо­ собны адсорбировать гель кремнезема, органическое вещество- и мельчайшие частицы силикатных минералов. В зависимости от геохимической обстановки может формироваться простая или комплексная пленка, будут идти процессы физической или химической адсорбции. Последнее обычно сопровождает­ ся коррозией песчаных зерен. После того как процессы акти­ вации поверхности песчинок по отношению к природным адсорбтивам и собственно адсорбция этих веществ заверши­ лись, начинаются процессы, приводящие к упрочнению плен­ ки и закреплению ее на поверхности зерен. Силикатнуюпленку делают прочной и закрепляют грубодисперсные час­ тицы геля Fe(O H )3. Особенно существенное значение имеют коллоиды гидроокиси железа в том случае, если она адсорби­ руется в виде легкорастворимых закисных солей с последую­ щим их окислением в составе пленки. На прочность закреп­ ления большое влияние оказывает старение коллоидов, их окристаллизации. Этому, в частности, способствует нагрева­ ние вещества пленки. Значительная роль принадлежит также

минералами. При катафорезе наблюдается движение к аноду, а при насыщении натрием — набухание, пептизация и отде­ ление пленки от песчаных зерен. Эти пленки связаны через ионы кальция. Второй тип пленок (железистые) характери­ зуется низким поглощением катионов и пониженным отноше­

нием -^ а . Железистые пленки сочленяются с поверхностью

частиц посредством необменно адсорбированного гидроокис­ ла железа.

Третий тип пленок занимает промежуточное положение и характеризуется как переходный. Вещество оболочек с невы­

соким отношением Si° a- ,p H около 7. Кроме того, могут обраRo03

зоваться пленки четвертого, смешанного, типа с двойной и большей оболочкой, представленной пленками первого и вто­ рого типов.

ПЛОТНОСТЬ СЛОЖЕНИЯ ПЕСЧАНЫХ ПОРОД

При оценке песчаных пород в целях их закрепления изу­ чение плотности как одной из важнейших характеристик строения массива имеет большое значение, поскольку ее ве­

15

личина и характер определяют многие параметры инъекцион­ ного процесса (расход реагентов, скорость движения раство­ ра, условия его распределения и др.).

В песчаных породах пористость образуется главным образом при накоплении осадков и их диагенетическом преоб­ разовании, т. е. она является первичной (сингенетической). Она складывается главным образом из пустот между облом­ ками и агрегатами, слагающими породы. В песках и супесях поры, как правило, открытые и эффективные для движения воды, жидкостей и газов, пропускаемых под давлением от О до 4—5 атм.

Различные пески и супеси имеют общую пористость обыч­

Пористость песчаных пород изменяется в довольно широ­ ких пределах в зависимости от дисперсности, степени отсор­ тированное™, плотности сложения, степени и характера це­ ментации, а также условий отложения терригенного материа­ ла. Она обычно меньше у неоднородных по гранулометриче­ скому составу песков, чем у хорошо отсортированных, так как в неоднородных породах более мелкие частицы распола­ гаются среди более крупных и общая плотность упаковки их повышается. Некоторое влияние на пористость оказывает и форма частиц. Неправильная форма, угловатость частиц создают большую изменчивость пористости и, как правило, увеличивают ее.

16

Существенное влияние на величину пористости пород ока­ зывает система укладки зерен. В зависимости от плотности укладки равновеликих частиц шарообразной формы независи­ мо от их размера пористость может изменяться от 26 до 48%, а коэффициент пористости соответственно от 0,35 (при самом плотном сложении) до 0,92 (при самом рыхлом).

При изучении плотности сложения песчаных пород необ­ ходимо учитывать, что пески и особенно супеси могут обла­ дать известной структурной связностью. Например, много­ численные полевые исследования способом динамического зондирования аллювиальных песков р. Волги (Дуранте, Воропкевич, 1955) показали, что песок с нарушенным сложе­ нием, уплотненный до естественного объемного веса скелета, оказывает меньшее сопротивление внедрению зонда, чем песок с естественным сложением при том же объемном весе скелета. Повышенное сопротивление внедрению зонда в пес­ ки с естественным сложением свидетельствует о наличии в них структурной связности, которая повышает их сопротив­ ление силовым воздействиям. Нарушение естественного сло­ жения песка приводит к потере структурной связности. Спе­ циальные полевые исследования показали, что при встряхи­ вании песка камуфлетным взрывом структурная связность теряется частично, при перелопачивании же песка с после­ дующим его уплотнением до естественного объемного веса скелета происходит полная потеря структурной связности.

ОСНОВНЫЕ ВОДНО-ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЕСЧАНЫХ ПОРОД

Главнейшими свойствами, определяющими отношение пес­ чаных пород к воде, являются влажность, влагоемкость, ка­ пиллярность, водопроницаемость. Эти же свойства в известной мере обусловливают отношение песчаных пород к водным растворам химических реагентов, используемых для целей их искусственного закрепления, и определяют условия проекти­ рования и осуществления инъекционного процесса.

В л а ж н о с т ь . Количество влаги в песках и супесях в первую очередь зависит от гидрогеологических условий тол­ щи пород. В зоне насыщения количество воды постоянно и определяется объемом пор породы. В зоне аэрации оно силь­ но колеблется. Кроме литологических особенностей (наличие суглинистых прослоев, линз галечника и т. д.) на влажность песчаных пород в зоне аэрации влияют атмосферные осадки, растительность и другие природные факторы.

Распределение влаги в капиллярной кайме, сложенной однородными песками или супесями, носит вполне законо­ мерный характер: с глубиной. влажность увеличивается, до-

2 Зак. 256

носятся к категории иевлагоемких, тогда как пески мелко- и тонкозернистые и супеси являются породами средневлагоем­ кими по сравнению с суглинками и глинами, обладающими высокой влагоемкостыо (табл. 5).

часть воды удаляется под действием силы тяжести. Эта спо­ собность отдавать воду путем свободного стекаиия характе­ ризует водоотдачу пород. Численное значение водоотдачи пород примерно равно разности между полной их влагоем­ костыо и максимальной молекулярной (табл. 6).

Водоотдача зависит от состава пород, продолжительности дренирования и температуры воды, определяющей ее вяз­ кость, поэтому данные табл. 6 следует рассматривать как примерные.

К а п и л л я р н о с т ь . В песчаных породах при определен­ ной влажности наблюдается особое напряженное состояние

18

воды, которое в значительной мере обусловлено силами по­ верхностного натяжения на границе раздела вода — воздух. В результате за счет энергии взаимодействия молекул воды и минеральных зерен (смачивающего эффекта) происходит поднятие воды в капиллярах песчаной породы до определен­ ной высоты (#,<), которая служит мерой капиллярности пород. На высоту и скорость капиллярного поднятия влияют гранулометрический и минеральный состав породы, тип по­ верхностной пленки, размеры пор и характер их распределе­ ния в породе, состав водного раствора (табл. 7).

Из таблицы видно, что максимальная высота капилляр­ ного поднятия увеличивается с уменьшением размеров зерен; в первые сутки высота капиллярного поднятия у крупных фракций достигает 88%, а у мелкой —• 50% от максимально­ го ее значения; средняя его скорость в первые сутки макси-

мальма у мелкой фракции и минимальна—у крупной; средняя скорость капиллярного поднятия за весь период, в который достигается максимальная высота капиллярного поднятия, наоборот, минимальная у мелкой фракции и значительно больше у крупной фракции.

9*

19

При однородном минерально-химическом составе песча­ ных пород и отсутствии специфики поверхности зерен высота капиллярного поднятия существенно определяется размером частиц, которые в свою очередь контролируют радиус капил­ ляров.

В о д о п р о н и ц а е м о с т ь является одним из важнейших водных свойств песчаных пород (табл. 8) применительно к задачам их инъекционного закрепления.

Водопроницаемость реальных пород определяется рядом факторов, среди которых наиболее существенными являются:

1. Величина и характер пористости. Наиболее близкой к

мость его уменьшится на 73,6%, а при добавлении к кварце­ вому песку бентонита она уменьшается в 10 000 раз.

4. Величина и характер поверхности минеральных зерен. Водопроницаемость песчаных пород тесно связана с их ка­ пиллярностью (высотой капиллярного поднятия Н с). По дан­ ным Д . Тейлора (1960), при определенных условиях опыта соблюдается равенство

где С — коэффициент, зависящий от условий н количества опытов.

5. Состав и свойства фильтрующихся жидкостей. В ря случаев целесообразнее пользоваться понятием «физическая проницаемость», которая связана с коэффициентом фильтра­ ции в формуле Дарси зависимостью

где г] — вязкость жидкости; у — удельный вес жидкости. Пески и супеси с коэффициентом фильтрации менее 2 м/сут считаются труднопроницаемыми. Их дренирование

практически не дает эффекта. Слабопроиицаемые породы оказывают значительное сопротивление движению в них во­ ды, в результате чего в фильтрационном потоке возникает гидродинамическое давление. При значительных напорах оно является причиной нарушения устойчивости пород, что вызы­ вает переход пород из устойчивого состояния в плывунное, развитие процессов суффозии и других фильтрационных де­ формаций.

Последовательное описание основных инженерно-геологи­

20