ЭКРАНИРОВАНИЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГРУНТОВ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ

Электрические свойства грунтов. Способность грунтов проводить и поглощать электрический ток широко используется на практике при геофизических исследованиях, при осушении и электрическом оттаивании грунтов. Электрические свойства грунтов используются при расчете заземляющих устройств электростанций, ЛЭП, для расчета защитных устройств в целях борьбы с коррозией трубопроводов и т. д. Наиболее важными электрическими свойствами являются электропроводимость и диэлектрическая проницаемость грунтов [5.12-5.13].

Электропроводимость грунтов - способность грунтов проводить электрический ток. Это свойство характеризуется величиной удельной электропроводимости или удельного электрического сопротивления.

Удельное электрическое сопротивление измеряется в ом*м и ом*см, удельная электропроводность - в Ом'^м'1 и Ом'1 «см'1. Удельное электрическое сопротивление численно равно полному сопротивлению в омах 1 м грунта с основанием 1 м и длиной 1 м, измеренному перпендикулярно плоскости куба.

Электропроводимость и электрическое сопротивление грунтов являются сложными и достаточно изменчивыми характеристиками. Их величина зависит от большого комплекса факторов, наиболее важными из которых являются минералогический состав грунтов, их дисперсность, структурно-текстурные особенности, влажность, химический состав и концентрация порового раствора, температура и давление. Вследствие этого электропроводимость и удельное электрическое сопротивление грунтов в зависимости от их состояния могут изменяться в очень широких пределах.

Электропроводимость минеральных и органогенных частиц, слагающих грунты, разнообразна по своей природе и величине. Среди них по характеру электропроводимости выделяются проводники, полупроводники и диэлектрики, взаимное соотношение которых во многом определяет электрические свойства грунтов. Идеальными проводниками являются самородные металлы, содержание которых в горных породах ничтожно. Преобладающее же большинство минералов, слагающих скелет грунтов, представляют собой полупроводники и диэлектрики. Они обладают как электронной, так и ионной электропроводностью. У минералов - диэлектриков, составляющих основную массу породообразующих минералов, преобладает ионная электропроводность, роль которой увеличивается с повышением температуры среды. Особенно сильно возрастает ионная электропроводимость у легко гидролизующихся глинистых минералов, у которых наряду с типичной ионной электропроводимостью наблюдается мольная. Роль последней электропроводимости особенно велика у глинистых растворов. При прочих равных условиях электропроводимость грунтов находится в прямой зависимости от количества хорошо проводящих минералов.

Электропроводимость грунтов в значительной степени зависит от их влажности, состава и концентрации порового раствора. Электропроводимость сухих грунтов во много раз меньше, чем влажных, что объясняется резкой разницей удельного электрического сопротивления воздуха и воды. Поэтому трещиноватые и кавернозные сухие скальные грунты имеют очень высокое удельное электрическое сопротивление. Электропроводимость сухих несвязных грунтов также высокая и определяется в основном сопротивлением контактов твердой фазы между отдельными зернами. Наличие воды в грунтах резко повышает их электропроводимость. Можно считать, что удельное сопротивление влажных грунтов является в основном функцией электропроводимости по- ровых вод, поскольку минеральный скелет обладает, как показано выше, высоким электрическим сопротивлением.

Природные воды, находящиеся в порах грунтов, представляют собой природный электролит различного состава. Для него характерна ионная электропроводность. Удельное сопротивление природных вод в зависимости от их химического состава и концентрации изменяется в широких пределах (от 10" до 10 ом*м и более) и уменьшается с увеличением концентрации природных вод. Все это обусловливает увеличение электропроводимости влажных грунтов при возрастании концентрации поровых вод.

Наибольшие изменения электропроводимости с повышением влажности грунтов наблюдаются в пористых осадочных породах. Например, при увлажнении сухого песчаника на 2-3 % его удельное электрическое сопротивление уменьшается на несколько порядков. У магматических и метаморфических пород, характеризующихся незначительной пористостью (в них преобладают закрытые поры), эта зависимость выражена слабее.

Удельное электрическое сопротивление дисперсных грунтов в естественных условиях благодаря наличию в их порах воды во много раз меньше сопротивления основных породообразующих минералов. В тонкодисперсных грунтах при гигроскопическом их увлажнении электропроводность близка к нулю. По мере дальнейшего увеличения влажности происходит достаточно резкое ее увеличение. С увеличением влажности до 60-80 % от величины полной влагоемкости электропроводимость возрастает до максимума. При дальнейшем увеличении влажности в слабозасоленных грунтах электропроводимость может уменьшиться вследствие разбавления содержащегося в порах раствора электролита.

В глинистых породах наблюдается явление поверхностной проводимости, которое имеет место при концентрации раствора электролита до 0,1 и. Явление поверхностной проводимости в глинистых грунтах указывает на существование электропроводимости их гидратного слоя, относительная величина которого обратно пропорциональна степени засоления грунта и прямо пропорциональна его дисперсности. Удельная электропроводимость в порах таких грунтов складывается из удельной электропроводимости свободного порового раствора и из поверхностной проводимости избыточных ионов межфазового слоя.

Величина поверхностной проводимости глинистых грунтов также зависит от их влажности. Р. И. Злочевская (1969) показала, что по мере возрастания влажности глинистых грунтов их поверхностная проводимость возрастает, достигает максимума в области влажностей, несколько больших нижнего предела пластичности, а затем падает при более высоких влажностях.

Электропроводимость грунтов зависит также от структурнотекстурных особенностей грунтов: от формы упаковки грунтовых частиц и общей пористости.

Большая часть грунтов, особенно их слоистые осадочные и метаморфические разности, характеризуется электрической анизотропией: электропроводимость слоистых (и сланцеватых) грунтов вдоль напластования всегда выше, чем перпендикулярно напластованию. Это свойство грунтов характеризуется коэффициентом анизотропии.

Электропроводимость грунтов в значительной степени зависит от температуры. С возрастанием температуры удельное электрическое сопротивление грунтов падает и, следовательно, возрастает их электропроводимость. В частности, электросопротивление осадочных пород при возрастании температуры на 40-50 °С уменьшается в 2 раза и более. С понижением температуры грунта и образованием льда в его порах электрическое сопротивление резко возрастает.

Диэлектрическая проницаемость грунтов. Основной характеристикой диэлектрических особенностей грунтов является их диэлектрическая проницаемость. При изучении грунтов по их диэлектрическим свойствам обычно пользуются безразмерной относительной диэлектрической проницаемостью, которая показывает, во сколько раз электрическая сила, действующая на любой заряд в данной среде, меньше, чем в вакууме.

Диэлектрическая проницаемость наряду с электропроводимостью и магнитной восприимчивостью является свойством грунтов, определяющим характер распространения в них переменных ЭМП. Она обусловлена свойством молекул, атомов и ионов, слагающих различные компоненты грунтов, поляризоваться в ЭП.

Диэлектрическая проницаемость грунтов определяется химикоминералогическим составом твердой, жидкой и газообразной составляющих, их соотношением в единице объема, структурными особенностями грунтов, частотой поляризующего поля, температурой и давлением.

Относительная диэлектрическая проницаемость основных породообразующих минералов колеблется от 3-4 до 10-12 (например, у кварца 4,3-5,6, у полевых шпатов 4,5-7,2, слюд 5,4-11,5, кальцита 7,5-

8,7, гипса 4,2 и др.), и лишь у некоторых минералов она существенно возрастает (например, у рутила - 86). Диэлектрическая проницаемость чистого воздуха близка к 1; ее величина для воды при температуре 0 °С равна 88, при повышении температуры до 100 °С она уменьшается до 55. Диэлектрическая постоянная льда при температуре - 2 °С равна 79, при температуре - 18°С она снижается до 3. Такое разнообразие величины диэлектрической проницаемости твердой, жидкой и газообразной составляющих грунта свидетельствует, что в естественных условиях в зависимости от состава и состояния пород она будет изменяться в более узких пределах по сравнению с удельным электрическим сопротивлением грунтов. Действительно, величина диэлектрической проницаемости грунтов составляет 4-40, причем у большинства из них она ниже 20.

Наименьшие значения диэлектрической проницаемости характерны для сухих пористых пород, причем с увеличением пористости грунтов они уменьшаются. Поскольку диэлектрическая постоянная у воды выше, чем у породообразующих минералов и газов, то увеличение влажности грунтов приводит к увеличению их диэлектрической проницаемости. Диэлектрическая проницаемость зависит от температуры грунтов: с повышением температуры она уменьшается у воды и влажных пород и возрастает у сухих. Диэлектрическая проницаемость мерзлых дисперсных грунтов также зависит от температуры: при понижении последней происходит значительное ее уменьшение.

Диэлектрическая проницаемость грунтов в переменных полях зависит от частоты поляризующего тока. С увеличением частоты тока диэлектрическая проницаемость уменьшается. Наиболее сильно она снижается у влажных грунтов, для воздушно-сухих пород характер этой зависимости менее интенсивен. Например, образец песчаника, насыщенный водой до влажности 12%, снижает диэлектрическую про-

2 7

ницаемость в 100 раз при увеличении частоты тока от 10 до 10 Гц. В то же время диэлектрическая проницаемость воздушно-сухого образца этого же песчаника остается практически постоянной на всех частотах.

Магнитные свойства грунтов. Все грунты в большей или меньшей степени обладают магнитными свойствами. Это обусловлено тем, что основная часть породообразующих минералов относится к группе парамагнетиков. Кроме того, в грунтах практически всегда содержится некоторое количество ферромагнитных соединений (например, магнетит, пирротин, ильменит, гематит и др.).

В качестве параметров, характеризующих магнитные свойства грунтов, обычно используются величины магнитной восприимчивости, остаточной намагниченности, коэрцитивной силы и др.

Намагниченностью называется результирующий магнитный момент единицы объема грунта, вызванный однородным МП. Эта ве- личина представляет собой вектор. Ее размерность Тл/см .

Для одних веществ (ферромагнетиков) намагниченность является сложной функцией внешнего МП, для других (диа- и парамагнетиков) - в определенных интервалах полей и температур эта функция может быть линейной.

Магнитная восприимчивость является коэффициентом пропорциональности между намагниченностью и внешним МП, создавшим ее, и численно равна отношению намагниченности к напряженности МП.

Магнитная восприимчивость является одной из важнейших характеристик магнитных свойств. По ее величине все вещества формально делятся на два класса: класс диамагнетиков и класс парамагнетиков. Некоторые материалы характеризуются положительной магнитной восприимчивостью и высокими ее значениями (Ю-5-10 ). Они могут приобретать очень сильную намагниченность. Такие материалы называются ферромагнитными. Приуроченность минералов к тому или иному классу определяется структурой электронных оболочек атомов, входящих в состав минерала, и структурой его кристаллической решетки.

К диамагнитным минералам относятся многие самородные металлы (медь, цинк, серебро, золото и др.), сера, графит, а также такие важнейшие породообразующие минералы, как кварц, кальцит, гипс, ангидрит, галит и др.

Среди горных пород к чистым диамагнетикам могут быть отнесены каменные соли, мел и известняк.

Большая часть минералов и горных пород относится к группе сильных парамагнетиков (например, пирит, рутил, эпидот, шпинель, турмалин, авгит, роговая обманка, сидерит, доломит, биотит и др.).

К собственно ферромагнитным минералам относится самородное железо, магнитная восприимчивость которого достигает тысяч единиц. Большинство минералов железа является ферромагнетиками (магнетит, титано-магнетиты, пирротин и др.). Магнитная восприимчивость магнетита достигает 20, у остальных минералов - не более 0,4.

Магнитные свойства грунтов определяются их химикоминералогическим составом и структурой - соотношением в грунтах диа-, пара- и ферромагнитных минералов и их взаимосвязью. Однако ведущая роль в создании определенных магнитных свойств грунтов принадлежит ферромагнетикам, поскольку их магнитная восприимчивость обычно на много порядков превышает магнитную восприимчивость основных породообразующих диа- и парамагнитных минералов. Даже незначительное содержание в грунтах ферромагнитных минералов (десятые и сотые доли процента) оказывается достаточным для проявления в них типичных ферромагнитных свойств.

Наибольшей магнитной восприимчивостью обладают породы магматического происхождения, для которых в целом характерно уменьшение к от ультраосновных пород к кислым в соответствии с изменением их минералогического состава.

Магнитная восприимчивость метаморфических пород несколько меньше по сравнению с магматическими. Незначительная магнитная восприимчивость характерна для глинистых сланцев, филлитов, кристаллических сланцев, кварцитов, гнейсов, мраморов и других пород. Высокие значения этого параметра свойственны железистым кварцитам, роговикам, серпентинитам, скарнам и магнетитовым сланцам.

Осадочные породы обычно практически немагнитны или очень слабомагнитны, что, отчасти, обусловлено небольшим содержанием в них ферромагнитных соединений. Наименьшей магнитной восприимчивостью обладают известняки, доломиты, ангидриты, гипсы, соли и другие хемогенные породы, состоящие в основном из диамагнитных минералов. Слабо магнитные и магнитные разновидности установлены среди песков, песчаников и глин, причем обычно (но не всегда) при переходе от песчано-пылеватых пород к глинистым их магнитная восприимчивость возрастает.

Магнитные свойства имеют значение при формировании различных типов грунтов, особенно тонкодисперсных глинистых разновидностей.

В процессе осаждения глинистых суспензий и последующей сушки осадка в МП установлено, что характер образующейся трещиноватости зависит как от напряженности внешнего МП, так и от минералогии глин. Наиболее интенсивная трещиноватость во всех случаях возникала на монтмориллонитовых глинах; на образцах гидрослюдистых глин она возникает только при большой напряженности МП ( 12-104 А/м), а образцы каолинита всегда оставались монолитными. В нулевом (скомпенсированном) поле трещиноватость или вообще не возникает или, если и возникает, то имеет радиальное направление.

Повышенная прочность осадков, сформировавшихся в нулевом поле, обусловлена, по мнению Ю. Б. Осипова (1968), двумя причинами: во-первых, изотропным строением осадков и, во-вторых, наличием в них более высокодисперсных агрегатов вследствие распада грунтовых агрегатов в этих условиях, что способствует увеличению поверхностей энергии и, как следствие этого, приводит к возрастанию механической прочности грунтов.

Особенно сильно сказывается действие МП на формирование мезоструктуры глинистых пород. Увеличение напряженности МП вызывает возрастание агрегированности частиц и повышение ориентации как самих частиц, так и их агрегатов. При этом установлено, что частицы гидрослюдистой и каолинитовой глин реагируют даже на геомагнитное поле, причем качество ориентации частиц при переходе от нулевого к ГМП увеличивается скачком.

Таким образом, магнитные свойства глинистых грунтов оказывают влияние на формирование мезоструктуры не только в сильных полях, но и в геомагнитном поле. Изменение мезоструктуры грунтов вызывает соответствующее изменение их физических и механических свойств. В связи с этим изучение магнитных свойств грунтов и их влияние на формирование прочности грунтов имеет большое научное и практическое значение.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >