Файл: Бабинец А.Е. Гидрогеологические и геохимические особенности глубоководных отложений Черного моря.pdf

осадки подвергаются довольно значительным механическим воздей­ ствиям. Однако визуально изменение структуры не отмечалось.

При определении объемного веса использовались грунтовые коль­ ца из нержавеющей стали диаметром 30, 40, 50 и высотой 15 мм. Взвешивание производилось с точностью до 10 мг, объемы колец измерены с точностью 0,003 см3. Общая точность определения объем­ ного веса влажного осадка, полученная на серии контрольных из­ мерений, составляет 2%. Объемный вес рассчитывался по формуле

где g — вес осадка в объеме кольца, г; V — объем кольца, смэ. Диаметр колец не оказывал заметного влияния на точность опре­

делений.

Навески образцов помещались в алюминиевые бюксы, взвешивания производились на технических весах. Весовую влажность рассчи­ тывали по формуле

где gx — вес бюкса, г; g2 — вес бюкса с влажным образцом, г; g3 — вес бюкса с высушенным образцом, г.

Весовую влажность определяли по свежим образцам.

Для оценки количества прочно связанной воды определялась гигроскопическая лабораторная влажность (w) по А. К. Ларионову. Керны образцов после отпрессовывания из них порового раствора высушивали до постоянного веса при температуре 110° С, а затем помещали в эксикатор над насыщенным раствором шестиводного кристаллогидрата азотнокислого магния, который обеспечивал по­ стоянную влажность воздуха 56% при температуре 18,5° С. В та­ ких условиях образцы приобретают гигроскопическую влажность,

Коэффициент пористости рассчитывали по формулам (3,1), (3,2), (3,3), (3,4), (3,5). При этом использовались значения влажности W, объемного веса осадка А и удельного веса отжатого из образца порового раствора у.

Коэффициент фильтрации. На начальном этапе изучения глубо­ ководных осадков Черного моря мы пытались определить коэффи­ циент фильтрации при помощи стандартных фильтрационных при­ боров типа Ф-1М. Однако оказалось, что вследствие разницы давле­ ния фильтрующейся жидкости образец уплотняется, а сравнительно малый коэффициент фильтрации обусловливает очень низкую про­ изводительность измерений. Поэтому после нескольких опытов при­ шлось отказаться от стандартной методики определения коэффи­ циента фильтрации.

37

Стремясь приблизить условия измерения коэффициента фильтра­ ции к условиям, в которых находится осадок в его естественном за­ легании, мы воспользовались методом П. О. Бойченко [531 — по результатам компрессионных испытаний образцов. Сущность его со­ стоит в следующем. Производятся компрессионные испытания об-

0.5

1,0

Р,Р Рг

Рис. 10. Компрессионная кривая (а) и кривая консолидации (б).

разца на приборе одноосного сжатия. По их результатам строятся компрессионная кривая и кривая консолидации (рис. 10). На оси ординат графика консолидации откладывается степень осадки

пористости может быть определен через степень осадки следующим образом:

Здесь г1 и е2 — начальный и конечный коэффициенты пористости,

Средний коэффициент фильтрации k для заданной степени осадки Q рассчитывают по формуле

разца в начале опыта, у — удельный вес поровой воды, Р = Р 2 + + Рг — увеличение давления на образец, Рг — среднее приращение давления на скелет грунта при данном е, со — коэффициент, зави­ сящий от Q и от величины ß. Значения со табулированы П. О. Бой­ ченко [53].

38

Величина ß представляет собой отношение начального коэффи­ циента сжимаемости а н к конечному коэффициенту сжимаемости оск, Для всех степеней уплотнения, кроме первой,

Для первой ступени при Рг — О

где Рс — коэффициент логарифмического уравнения компрессион­ ной кривой

г^А-ВЩРг-Р,). (3,16)

построения касательной в точке, соответствующей заданному зна­ чению 8 или Q, и определения тангенса угла между касательной и осью времени:

приращения

de Де

Выражение для fe(3,13) соответствует случаю двухсторонней фильтрации.

Компрессионные испытания образцов осадков производились на приборе одноосного сжатия типа К-1. Было установлено, что вслед­ ствие весьма малой структурной прочности осадков и зазора между боковыми поверхностями штампа и кольца штамп перекашивается и возникает трение его о кольцо, из-за чего нагрузка на поверхности образца распределяется неравномерно. Кроме того, при повышении нагрузки масса образца выдавливалась в зазор. Таким образом, результаты испытаний оказались непригодными для дальнейшей обработки, и пришлось отказаться от использования приборов ти­ па К-1. Большие размеры одометра и колец прибора, требующие значительного количества породы, также были одной из причин, ограничивших его использование.

В связи с этим нами была разработана малогабаритная установка для компрессионных испытаний осадков и получения поровых рас­ творов. Используя опыт по отжиманию поровых растворов морских осадков [27—31], мы сконструировали специальную ячейку для проведения компрессионных испытаний (рис. 11). Применение ци­ линдра и поршней из разнородных металлов (латунь и нержавеющая сталь), а также прокладок из фторопласта позволило уменьшить тре­ ние скольжения при хорошем уплотнении зазора между поршнем и цилиндром. Обычные бумажные фильтры были усилены металли-

39

ческой сеткой и капроновой ячеистой тканью. В качестве силового устройства применялся малый четырехтонный гидравлический пресс со сконструированными нами электроприводом и автоматическим регулятором давления (рис. 12). Осадка измерялась с помощью индикатора часового типа.

Образец в ячейку загружался цилиндрическим пробоотборником (режущим цилиндром) и выталкивателем, что давало возможность исследовать осадок с условно ненарушенной структурой. Нами использовалась методика тарировок и компрессионных испытаний, рекомендованная Р. С. Зиангировыми Т. А. Грязновым. Результаты испытаний образцов донных осадков, выполненных на описанной установке, были пригодны для обработки по методу П. О. Бойченко.

Преимуществом нашей установки является возможность отжи­ мания порового раствора из образца осадка вплоть до давлений око­ ло 600 кГ/см2. Получаемое количество порового раствора достаточно для дальнейших анализов.

Однако уплотнение образца гидравлическим прессом не дает возможности достаточно точно измерять давление на образец на начальных ступенях нагружения из-за потерь на трение плунжера пресса об уплотнительную манжету. При повышении давления на образец это сказывается меньше.

Основным недостатком метода определения коэффициента фильт­ рации по данным компрессионных испытаний является очень низ­ кая производительность компрессионных испытаний по стандарт­ ной методике. Необходимо выдерживать образец под каждой сту­ пенью нагрузки до стабилизации осадки, на что требуется иногда несколько суток. Обработка результатов также довольно кропотли­ ва, поскольку необходимо вводить различные тарировочные по­ правки и выполнять вручную графические построения.

Низкая производительность является существенным препятстви­ ем при массовых измерениях. Особенно это касается исследований свежих образцов осадков в экспедиционных условиях. Данные, получаемые при изучении осадка сразу же после извлечения керна из грунтовой трубки, наиболее ценны, поскольку при консервации и перевозке структура и свойства осадка изменяются вследствие вибрации, меняющейся температуры и других факторов. Это побуж­ дало нас к поискам новой методики измерения коэффициента фильт­ рации морских осадков.

Поскольку глубоководный морской осадок является полностью водонасыщенной пористой средой, его можно отождествить с грун­ товой массой по H. М. Герсеванову.

Исходя из основных принципов фильтрационной теории уплот­ нения грунтов [85, 237], мы выбрали следующую схему экспери­ мента.

Образец осадка помещается в цилиндрическую ячейку, модели­ рующую условия пласта бесконечного простирания. На торцах ее расположены поршни с плоскими фильтрами, через которые поровый раствор отводится в пробоотборник. Под действием прилагаемой

41