ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТИ МЕЛА - Белгородский государственный

УДК 550.8.014
Овчинников А.В., Юрченко Г.Ю.
Белгородский государственный
национальный исследовательский университет,
кафедра инженерной геологии и гидрогеологии, г.Белгород
ОЦЕНКА ВЛАГОЕМКОСТИ БЕЛОГО ПИСЧЕГО МЕЛА
НЕНАРУШЕННОЙ СТРУКТУРЫ
Максимальное
количество
связанной,
капиллярной
и
гравитационной воды, которое способна вместить порода, характеризуется
ее полной влагоемкостью [1]:
весовой
 m  m1

Wп   2
 100 ;
 m1

(1)
объемной
Wп 
/
Vж
,
Vп
(2)
где m1 – вес породы в воздушно-сухом состоянии;
m2 – вес породы, максимально насыщенной водой;
Vж – объем воды, заполняющей породу (Vж≈m2-m1);
Vп – объем породы.
О влагоемкости скальных и полускальных горных пород обычно
судят по влажности, соответствующей их водопоглощению и
водонасыщению [2].
Водопоглощение характеризуется влажностью породы при
свободном насыщении ее водой в обычных условиях, то есть при
атмосферном давлении и комнатной температуре, а водонасыщение - при
насыщении ее водой в особых условиях, то есть при принудительном
насыщении под вакуумом, при повышенном давлении, что способствует
максимальному
впитыванию
максимального
количества
воды.
Водонасыщение всегда больше водопоглощения, так как при насыщении
пород в особых условиях воздух и газы в пустотах и порах меньше
мешают проникновению в них воды.
В качестве исследуемого материала использовался белый писчий
мел ненарушенной структуры кампан-маастрихтского яруса (K2cp-m) с
добычных уступов карьера месторождения «Зеленая Поляна».
Мел занимает особое место в ряду карбонатных грунтов и относится
к специфическим полускальным грунтам, для которого характерна сильная
взаимосвязь его механических характеристик со степенью его
водонасыщения. При высокой степени влажности он приобретает мягкую
консистенцию и растирается руками до отдельных мельчайших частиц.
Ему становятся характерны свойства глинистого грунта.
Мел гидрофилен, но гигроскопичность его мала вследствие малой
дисперсности и малой величины активной поверхности. При определении
гигроскопической влажности, методом высушивания до постоянной массы
при температуре 105-107°, ее содержание в исследуемых образцах грунта
составило 0,28%.
Методом влагоемких сред (по А.Ф. Лебедеву) определена
максимальная молекулярная влагоемкость Wммв, которая характеризует
количество в грунте всей связанной воды и часть воды переходного
состояния (от связанной к свободной), а именно часть «осмотически»
поглощенной и капиллярно-«стыковой» влаги, располагающейся в виде
разобщенных манжет на контактах (стыках) частиц грунта [3].
Данный метод основан на удалении избыточной влаги из образца
грунта с помощью слоев фильтровальной бумаги под прессом, в процессе
уплотняющей нагрузки на образец до 6,55 МПа в течение 10 мин.
Величина Wммв составила 22,4%, что несколько ниже влажности
нижнего предела пластичности (границы раскатывания).
Средние значения физических характеристик образцов мела в
воздушно-сухом состоянии представлены в таблице 1.
Таблица 1.
Физические характеристики мела в воздушно-сухом состоянии
WL,
%
34,03
WP,
%
23,18
IP,
%
10,85
ρd ,
г/см3
1,37
ρs,
г/см3
2,70
n,
%
49,3
e,
д.е
0,971
Влажность
нижнего
предела
пластичности
(границы
раскатывания) определена методом раскатывания в шнур, а также методом
прессования. Определение влажности верхнего предела пластичности
(границы текучести) проводилось методом балансирного конуса [4]. Число
пластичности мела составило 10,85.
Определение плотности воздушно-сухого грунта проводилось
методом непосредственных измерений образцов цилиндрической формы
при примерно одинаковом отношении
h
 2 (d = 37 мм), которые и явились
d
материалом для исследования влагоемкости (рис. 1). Среднее значение
плотности воздушно-сухих образцов мела составило 1,37 г/см3.
Подготовка образцов для испытаний осуществлялась вручную путем
постепенного их вырезания ножом и режущим кольцом (d 38 мм, h 76 мм)
из плотных массивных кусков породы. Это позволило в меньшей степени
нарушить естественную структуру исследуемых образцов.
Для оценки влагоемкости было исследовано более 25 образцов мела,
которые в дальнейшем использовались для исследований механических
характеристик в приборах одноосного и трехосного сжатия.
Рис. 1. Образцы белого писчего мела.
Исследуемые образцы мела были предварительно высушены до
постоянной массы в сушильном шкафу при температуре 105-107° в
течение 6 часов. После высушивания образцы охладили в эксикаторе,
взвесили и получили массу m1.
Определение водопоглощения проводилось двумя способами.
По первому способу высушенные образцы помещались в емкость на
подставки с перфорированным дном (рис. 2).
Рис. 2. Исследование водопоглощения
В емкость наливали воду до уровня, чтобы образцы погрузились в
воду на 1/3 их высоты. По истечении 2 часов воду добавляли до 2/3 высоты
образцов, а по истечении еще двух часов образцы заливали полностью так,
чтобы уровень воды был выше их верха не менее чем на 2 см. В таком
положении образцы выдерживали 5 суток. После этого их вынимали из
воды, обтирали влажным полотенцем, взвешивали и получали массу m2.
Водопоглощение вычисляли по формуле 1, 2. Результаты
представлены в таблице 2.
По второму способу высушенные и взвешенные образцы укладывали
в емкость с водой сразу. При этом уровень воды в емкости поддерживали
выше верха образцов также не менее 2 см. В таком положении образцы
выдерживали в воде в течение 5 суток. После этого образцы вынимали из
воды, обтирали, взвешивали и вычисляли водопоглощение так же как и в
предыдущем случае (табл. 3).
Таблица 2.
Водопоглощение образцов мела при их постепенном замачивании
Лабор. №
образца
Масса m1
сухого, г.
Плотность
ρd, сухого,
г/см3
1
2
3
9
11
18
среднее
115,51
115,84
111,18
113,18
111,21
112,09
1,41
1,44
1,41
1,40
1,36
1,35
1,40
Масса m2
при
водопогл.,
г.
156,02
155,56
150,73
153,94
152,21
152,89
Плотность
при
водопогл.,
ρ, г/см3
1,92
1,93
1,91
1,90
1,86
1,85
1,90
Водопоглащение
Wп, %
35,07
34,30
35,60
36,01
36,90
36,40
35,71
Таблица 3.
Водопоглощение образцов мела при полном погружении их в воду
Лабор. №
образца
Масса m1
сухого, г.
Плотность
ρd, сухого,
г/см3
4
5
6
12
13
14
среднее
112,39
109,05
107,58
109,55
107,55
108,81
1,43
1,40
1,40
1,44
1,39
1,35
1,40
Масса m2
при
водопогл.,
г.
152,07
147,42
145,30
147,24
144,02
148,75
Плотность
при
водопогл.,
ρ, г/см3
1,93
1,89
1,87
1,93
1,87
1,85
1,89
Водопоглощение
Wп, %
35,30
35,19
35,06
34,51
34,57
36,78
35,24
По этому же способу проводилось водопоглощение при подготовке
образцов для испытаний на размягчаемость. Только длительность
водопоглощения составляла от 5 до 50 суток (табл. 4).
Таблица 4.
Водопоглощение образцов мела при исследовании размягчаемости
Лабор. №
образца
Масса m1
сухого, г.
Плотность
ρd, сухого,
г/см3
1а
2а
3а
Среднее
127,79
139,11
135,97
1,34
1,34
1,33
1,34
4а
5а
6а
Среднее
124,92
121,11
130,97
1,33
1,33
1,34
1,33
Масса m2
при
водопогл.,
г.
5 суток
174,05
187,77
183,53
50 суток
172,68
166,94
181,35
Плотность
при
водопогл.,
ρ, г/см3
Водопоглащение
Wп, %
1,83
1,85
1,85
1,84
36,20
35,00
35,00
35,40
1,86
1,86
1,87
1,86
38,20
37,84
38,50
38,18
Таким образом, способ насыщения образцов не играет особой роли
на результат водопоглощения. Более существенную роль играет фактор
времени. Водопоглощение до 5 суток соответствует влажности 35-36%, а
более 50 суток – 38%.
Для определения водонасыщения применяли вакуумную камеру
конструкции ООО «НПП «ГЕОТЕК» (рис. 3).
Рис. 3. Водонасыщение образцов мела в вакуумной камере
конструкции ООО «НПП «ГЕОТЕК»
Исследование водонасыщения проводили по двум способам.
Способ 1: Вначале определялось водопоглощение образцов по
описанным выше способам. Взвешенные после водопоглощения образцы
помещали в вакуумную камеру. В камере создавался вакуум 70-90 кПа,
который контролируется по индикатору вакуума на камере. По истечении
нескольких часов кран, расположенный на крышке камеры, открывался, и
образцы насыщались при атмосферном давлении. Затем процедура
повторялась.
Процедура водонасыщения в вакуумной камере продолжалась не
менее 2 суток. После этого образцы извлекали из воды, определялась их
масса, и вычислялось водонасыщение. Сопоставление результатов
водопоглощения и водонасыщения представлено в таблице 5.
Способ 2. Высушенные и взвешенные образцы сразу помещались в
вакуумную камеру, и проводилась процедура их водонасыщения
описанная выше. Результаты представлены в таблице 6.
Из результатов исследования водонасыщения видно, что полученные
результаты по двум способам существенно не отличаются.
Таким образом, средние значения исследуемых характеристик
составили:
1. водопоглощение – 35,47%;
2. плотность после водопоглощения – 1,89 г/см3;
3. водонасыщение – 36,21 %;
4. плотность после водонасыщения – 1,90 г/см3;
Таблица 5.
Водонасыщение образцов мела после водопоглощения
Лабор.
№ обр.
1
2
3
4
5
6
9
11
18
12
13
14
Среднее
Масса
m1
после
водопогл, г.
156,02
155,56
150,73
152,07
147,42
145,30
153,94
152,21
152,89
147,24
144,02
148,75
Плотность Водопоглопосле
щение,
водопогл, ρ
%
г/см3
1,92
1,93
1,91
1,93
1,89
1,89
1,90
1,86
1,85
1,93
1,87
1,85
1,89
35,07
34,30
35,60
35,30
35,19
35,06
36,01
36,90
36,40
34,51
34,57
36,78
35,47
Масса
после
водонас.,
г.
156,38
155,97
151,10
152,54
147,96
145,67
154,36
152,71
153,76
147,49
145,18
149,79
ПлотВодонасыность
щение,
после
%
водонас.,
ρ г/см3
1,93
35,38
1,94
34,60
1,91
35,91
1,94
35,72
1,90
35,70
1,90
35,41
1,91
36,40
1,87
37,32
1,86
37,18
1,93
34,63
1,88
34,99
1,86
37,66
1,90
35,91
Таблица 6.
Водонасыщение воздушно-сухих образцов мела в вакуумной камере
Лабор.
№ образца
Масса m1
сухого, г.
Плотность
ρd, сухого,
г/см3
Масса m2 при
водонасыщ.,
г.
7
8
15
16
17
24
Среднее
102,78
102,96
108,70
111,70
111,76
110,53
1,41
1,41
1,36
1,38
1,38
1,40
1,39
139,79
139,75
149,57
152,42
153,59
150,19
Плотность
при
водонасыщ.,
ρ, г/см3
1,91
1,92
1,88
1,89
1,90
1,91
1,90
Водонасыщение
Wп, %
36,00
35,70
37,60
36,45
37,43
35,88
36,51
5. коэффициент водонасыщения (отношение водопоглощения к
водонасыщению) – 0,98 д.е.;
6. полная влагоемкость весовая - 36,21%;
7. полная влагоемкость объемная – 0,50 (это примерно
соответствует пористости образцов мела).
По основным физическим характеристикам исследуемого мелового
грунта (таблица 1), можно определить его полную влагоемкость расчетным
методом:
Wп 
n в
d
(3)
Полная влагоемкость расчетным методом составила 36,00%, что
очень близко к опытному определению влагоемкости.
Таким образом, плотный меловой грунт в воздушно-сухом состоянии
с естественной ненарушенной структурой в процессе водопоглощения
жадно впитывает воду и уже в течение первых 10-20 минут достигает
влажности примерно 35%. При дальнейшем водопоглощении его
влажность увеличивается незначительно. Лишь при длительном
водопоглощении (более 50 суток) влажность может составить более 38%.
Применение последующего искусственного водонасыщение в
вакуумной камере приводит к дополнительному увеличению влажности,
но уже незначительно.
Результаты водонасыщения хорошо соотносятся с результатами
определения эффективной пористости мела. Эффективная пористость была
определена с помощью порозиметра TPI-219 в специализированной
лаборатории «Повышение нефтеотдачи пластов» Санкт-Петербургского
горного института. Среднее значение эффективной пористости составило
36,75%.
Но в порах мелового грунта все же остается еще защемленный
воздух, который играет отрицательную роль при проведении механических
испытаний грунта в приборах трехосного сжатия, где полное 100%-ное
водонасыщение образцов грунта необходимо для достоверного измерения
их объема при дренированных испытаниях и значения порового давления
при недренированных испытаниях. Поэтому, после искусственного
водонасыщения образцов в вакуумной камере, в приборах трехосного
сжатия оснащенных панелью управления давлением можно перейти к
следующему этапу водонасыщения с использованием метода обратного
давления.
Водонасыщение методом обратного давления предполагает
увеличение обратного давления внутри образца для растворения газа в
поровой жидкости [5]. Данный метод водонасыщения будет использован
при последующих испытаниях образцов мелового грунта в стабилометре
(камера типа А + панель управления давлением) в лаборатории механики
грунтов кафедры инженерной геологии и гидрогеологии НИУ «БелГУ».
Литература:
1. Ржевский В.В., Новик Г.Я. Основы физики горных пород. М.: Недра, 1973, 286 с.
2. Ломтадзе В.Д. Словарь по инженерной геологии. СПб.: Санкт-Петербургский горный
институт, 1999, 360 с.
3. Лабораторные работы по грунтоведению: Учеб. пособие / В.А. Королев и др.; под
ред. В.Т. Трофимова и В.А. Королева. – М.: Высш. шк., 2008, 519 с.
4. ГОСТ 5180-84. Грунты. Методы лабораторного определения физических
характеристик.
5. Болдырев Г.Г. Методы определения механических свойств грунтов. Состояние
вопроса. – Пенза: ПГУАС, 2008, 696 с.