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

внешней силы F поршни, перемещаясь навстречу друг другу со скоростью V, уплотняют образец, создавая внутри его давление Р. Скорость движения поршней постоянна ѵ = const. Образец уплот­ няется вследствие фильтрации порового раствора через торцевые фильтры.

Поместим начало координат в центр образца, а ось Z направим вдоль оси цилиндра. Для описания процесса уплотнения воспользу­ емся зависимостью Дарси — Герсеванова:

Здесь Uz — скорость фильтрации в направлении оси Z, ѵг — скорость перемещения твердой фазы (скелета грунта) в направлении оси Z, е — коэффициент пористости, k — коэффициент фильтрации,

ния является лишь первым приближением в решении задачи. Соглас­

здожно определить, лишь решив дифференциальное уравнение уплот-

42

нения, для чего, в свою очередь, нужно знать коэффициент фильтра­ ции. Для точного решения можно воспользоваться методом после­ довательных приближений, однако он довольно трудоемок, а полу­ чаемый эффект не слишком значителен вследствие неоднородности осадка по простиранию и ограниченных размеров образца.

Рассчитанные по (3,21) коэффициенты фильтрации осреднены в размерах испытываемого образца и несколько завышены против коэффициентов фильтрации осадков в условиях их естественного

Рис. 13. Автоматизированная установка для компрессионных испытаний донных осадков (блок-схема):

ТД — тензодатчик, ЯЧ — ячейка, ИГП-10 — пресс, ДП — датчик перемещения, У/77" — усилитель постоянного тока, БП — блок питания, Р — регистратор.

залегания. И тем не менее, характеризуя взаимодействие порового раствора при его движении в толще осадка с твердой фазой, опре­ деленные таким методом коэффициенты фильтрации пригодны для использования в качестве оценочных при той незначительной густоте сети опробования, которой мы располагаем.

Описанная схема компрессионных испытаний образцов донных осадков была реализована на установке (рис. 13) с прибором одно­ осного сжатия типа ИГП-10. Это механический пресс с постоянной скоростью подачи штампа, оборудованный тензодатчиком нагрузок

идатчиком перемещения штампа. Скорость перемещения штампа изменяют путем замены сменных шестерен в блоке электропривода. Постоянство скорости обеспечивается синхронным электродвигате­ лем. Нагрузка на образец и перемещение штампа, а следовательно,

ивеличина сжатия образца регистрировалась самопишущим элект­ ронным потенциометром типа Н-361. Образец помещался при помо­ щи цилиндрического пробоотборника в ячейку, подобную описанной выше. В зависимости от литологических особенностей осадка дли­ тельность сжатия образца составляла от 10—15 мин до 1—1,5 ч. Таким образом, на одной установке за 8-часовую смену можно

43

исследовать от 6 до 20 образцов. Это во много раз выше производитель­ ности обычных компрессионных приборов.

Пресс ИГП-10 способен создать нагрузку до 2000 кГс и имеет в комплекте сменные тензодатчики на диапазоны 0—100, 0—250, 0—500, 0—1000 и 0—2000 кГс. Тензодатчик 0—100 кГс обеспечива­ ет наиболее точное измерение усилий в области начальных нагрузок,

6,3 5,3. 4,3 ДЗ 2,3 7,3 0,3 40 30 20 10 0t,MUH

этом выделялось достаточное количество порового раствора (1 — 15 мл). Для расчета коэффициента фильтрации определяли удельный вес порового раствора, выделенного из каждого испытываемого об­ разца; методика описана в главе IV.

Процесс испытания образца на сжатие регистрируется в виде диаграммы на бумажной ленте (рис. 14). Вдоль верхнего края диа­

зец возрастает и регистрируется в виде плавно изгибающейся линии. При достижении уровня 500 кГс пресс выключается, и нагрузка плавно уменьшается вследствие отжимания порового раствора. Сра­ зу же после испытания образца на сжатие и разгрузки ячейки по­ лученный керн измеряют штангенциркулем и определяют его вы­ соту hk, затем керн взвешивают и рассчитывают его объемный вес. После высушивания керна при температуре 105° С до постоянного веса определяют его влажность. По этим данным рассчитывают ко­ нечную пористость и коэффициент пористости eft. Диаграммы сжа­ тия образцов донных осадков обрабатываются следующим образом.

44

Выбирая фиксированные значения нагрузок F, рассчитываем соответствующие значения давлений Pt:

нимая это во внимание рассчитываем постоянные коэффициенты (С() для выбранных ступеней нагрузки F{:

Здесь А вводится для выражения коэффициента фильтрации в подходящих единицах скорости.

Далее изготавливают прозрачную палетку, расчерченную парал­ лельными горизонтальными и вертикальными линиями, проведен­ ными через произвольные равные промежутки. Накладывая ее на диаграмму, отсчитываем метки от пересечения кривой нагрузок с линией уровня 500 кГс до перпендикуляров, восстановленных из точек пересечения кривой нагрузок с линиями уровней выбранных

Коэффициент пористости е можно рассчитать, используя значе­ ния конечной пористости nit равной по определению

Полагая, что пористость при уплотнении образца в данных усло­ виях уменьшается только вследствие отжимания порового раствора, рассчитываем

В принципе можно было бы исходить в расчетах из начальных значений ен и hH, однако точность их определения гораздо ни­ же, чем точность определения ек и /ік . Это обусловлено тем, что

45

зачастую образцы осадков имеют весьма малую прочность и вы­ сокую влажность.

Пластическая прочность образцов осадков условно ненарушенной структуры определялась конусным методом. Образец помещался в режущее кольцо диаметром 40 мм. Использовался конус Васильева с углом 30°. На его боковой поверхности есть деления, соответ­ ствующие глубине погружения в миллиметрах. Отмечалась глубина погружения конуса в образец за 5 сек, и пластическая прочность рассчитывалась по формуле

где Р — вес конуса, h — глубина погружения, а — постоянный коэффициент, зависящий от угла конуса. Для тридцатиградусного конуса а = 1,108.

Теплопроводность. Для определения теплопроводности донных осадков использовались запарафинированные монолиты с условно ненарушенной структурой; измерения выполнены методом мгно­ венного линейного источника с использованием термопары константан — медь. Нагреватель и термопара вводились в образец путем прокалывания парафиновой стенки, которая обеспечивала изоля­ цию образца от внешней среды в процессе измерений.

Теплопроводность Т рассчитывалась по выражению для распре­ деления температуры при распространении теплового импульса от линейного мгновенного источника [152]

46

Подставляем сюда значения k, рС:

где / — сила тока, питающего нагреватель, V — напряжение, / — время действия источника тепла, / — длина нагревателя.

Таким образом, получаем формулу для расчета теплопровод­ ности

В процессе измерений определялись максимальная температура Т'макс и время Тмакс (табл. 3) на установке, схема которой изобра­ жена на рис. 15.

Выводы. Полученные нами результаты определения некоторых водно-физических свойств глубоководных донных отложений Чер­ ного моря приведены в табл. 4 и 5 и в виде графиков на рис. 16—20.

Рассматривая изменения водно-физических свойств осадков в зависимости от глубины по разрезам колонок, можно отметить сле­ дующие особенности.

Все изученные станции можно разделить на две группы. Для первой характерно сравнительно плавное изменение водно-физиче­ ских свойств с глубиной по колонкам (1918, 1923, 1926 и др.),

47