WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


 

На правах рукописи

ПАНКРАТОВА Ксения Викторовна

Инженерно-геологическАЯ ОЦЕНКА ТЕХНОГЕНЕЗА КОМПОНЕНТОВ ПОДЗЕМНОГО ПРОСТРАНСТВА ПРИ ЕГО ОСВОЕНИИ И ИСПОЛЬЗОВАНИИ

(НА ПРИМЕРЕ САНКТ-ПЕТЕРБУРГА)

Специальность 25.00.08 Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени

кандидата геолого-минералогических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2012

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный горный университет»

Научный руководитель доктор геолого-минералогических наук, профессор

Дашко Регина Эдуардовна

       Официальные оппоненты:

Кнатько Василий Михайлович - доктор технических наук, профессор, Санкт-Петербургский государственный университет, профессор кафедры грунтоведения и инженерной геологии

Плечкова Ирина Львовна - кандидат геолого-минералогических наук, главный геолог ООО «ПИ Геореконструкция»

Ведущее предприятие Петербургский государственный университет путей сообщения

Защита диссертации состоится 31 мая 2012 г. в 11 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.224.11 при Санкт-Петербургском государственном горном университете по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд. № 4312.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного университета.

Автореферат разослан 28 апреля 2012 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

диссертационного совета

канд. геол.-минерал. наук  А.В. ШИДЛОВСКАЯ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ



Актуальность работы. Современная тенденция развития мегаполисов предполагает обязательное использование подземного пространства (ПП) при возведении гражданских и промышленных сооружений, строительстве транспортных магистралей, а также объектов специального назначения. Повышение безопасности использования ПП предопределяет необходимость комплексного исследования изменения его компонентов (горных пород, подземных вод, газов, биоты, конструкционных материалов сооружений) в процессе техногенеза при различных видах техногенного воздействия, в том числе загрязнения органическими и неорганическими соединениями, влияния температуры, ультрафиолетового излучения, а также принимая во внимание технологический режим эксплуатации сооружений.

Понятие «техногенез» ввел в 1934 году академик А.Е. Ферсман, анализируя его как совокупность процессов, вызываемых технической (инженерной) деятельностью человека. Вопросы техногенного изменения инженерно-геологических условий в пределах городских агломераций освещены в работах Ф.В. Котлова, Е.М. Сергеева, В.И. Осипова, В.Т. Трофимова, В.Д. Ломтадзе, В.А. Королева, Г.Л. Коффа, Ю.Б. Осипова, Р.С. Зиангирова, Г.С. Голодковской, В.М. Кнатько, Р.Э. Дашко и др.

Участившиеся случаи перехода сооружений в аварийное и предаварийное состояние в период их строительства и эксплуатации в Санкт-Петербурге требуют анализа причин возникновения таких ситуаций, причем особое внимание должно быть обращено не только на нарушение технологии ведения строительных работ, но и на период эксплуатации зданий, во время которого происходят необратимые изменения пород в зоне влияния сооружений за счет изменения их напряженно-деформированного состояния, а также факторов, которые не учитываются в теории и практике инженерно-геологических исследований и соответственно при проектировании сооружений. По данным исследований института НИИПромстроя (г. Уфа) 63-71% случаев перехода сооружений в аварийное состояние определяется факторами, действующими в период эксплуатации объектов, поскольку отсутствует важный этап – прогнозирование изменения инженерно-геологических условий, включая преобразование гидродинамической и гидрохимической обстановки, температурного режима в зоне влияния сооружения. Негативное влияние на песчано-глинистые грунты оказывают утечки из систем водоотведения, вызывающие повышение уровня подземных вод, изменение химического состава водоносных горизонтов, загрязнение водоупоров, и, как следствие, преобразование кислотно-щелочной и окислительно-восстановительной обстановки, часто приводящее к активизации подземной микробиоты, что вызывает развитие опасных природно-техногенных процессов.

Цель работы. Повышение безопасности функционирования сооружений различного назначения в различных инженерно-геологических условиях на основе использования экспериментально полученных закономерностей преобразования песчано-глинистых отложений под воздействием техногенных факторов, позволяющих вести прогнозирование их длительной устойчивости.

Основные задачи исследований

1. Установление общих тенденций динамики техногенеза четвертичных и дочетвертичных песчано-глинистых пород в разрезе Санкт-Петербурга при наличии болотных отложений (торфов), под воздействием температуры, загрязнения органическими и неорганическими соединениями. 2. Оценка изменения состояния и физико-механических свойств песчано-глинистых отложений различного генезиса при изменении физико-химических условий и активизации микробной деятельности в подземной среде для установления эмпирических зависимостей между водопроницаемостью и сопротивлением сдвигу от величины микробной массы. 3. Прогнозирование природно-техногенных процессов, определяющих безопасность функционирования сооружений различного назначения в условиях активного техногенеза при освоении и использовании подземного пространства мегаполисов. 4. Обеспечение длительной устойчивости наземных и подземных сооружений при использовании переменных во времени параметров физико-механических свойств песчано-глинистых грунтов с учетом их техногенных преобразований под воздействием природной органической компоненты и загрязнения подземной среды.

Фактический материал и личный вклад автора. Диссертация является продолжением научных исследований, которые проводились при непосредственном участии автора на кафедре гидрогеологии и инженерной геологии СПГГУ в ходе обучения в бакалавриате и магистратуре. Для получения количественных параметров динамики преобразования песчано-глинистых отложений различного генезиса и возраста под воздействием природной органической компоненты и активизации микробной деятельности автором был выполнен большой объем экспериментальных полевых и лабораторных исследований. Для установления влияния факторов техногенеза проводились различные виды работ на следующих объектах: в перегонных тоннелях Санкт-Петербургского метрополитена по трассе «Елизаровская-Ломоносовская», в автодорожном тоннеле неглубокого заложения «Санкт-Петербург-Пушкин», в котлованах Второй сцены Мариинского театра и бизнес-центра «Невская Ратуша», в зонах влияния действующих кладбищ и свалок хозяйственно-бытовых отходов, на участках заболачивания в черте города и пригородах Санкт-Петербурга. Автором были получены закономерности влияния ультрафиолетового излучения и вибрационных нагрузок на снижение величины микробной масс в песчано-глинистых грунтах за счет сокращения численности микроорганизмов и соответственно продуктов их метаболизма.

Основные методы исследований. Теоретические и научно-практические методы оценки развития техногенных преобразований песчано-глинистых грунтов различного генезиса и возраста, экспериментальные исследования с использованием оборудования на основе метода лазерной дифракции для изучения гранулометрического состава, определения характеристик прочности и деформируемости с применением комплекса оборудования, включающего стабилометры, приборы одноплоскостного сдвига; усовершенствованный биохимический метод М. Бредфорд определения микробной массы по величине микробного белка, впервые предложенный на кафедре грунтоведения и инженерной геологии СПбГУ. Микробиологические исследования с помощью посевов и выделения чистых культур, а также использования электронной и световой микроскопии для выявления численности видового и родового состава микроорганизмов, в том числе аэробных и анаэробных групп, выполнены в лабораториях биолого-почвенного факультета СПбГУ; компьютерное моделирование производилось с помощью программного комплекса FEM models на основе метода конечных элементов, разработанного ООО «ПИ Геореконструкция».

Реализация результатов исследований. Установленные закономерности трансформации состава, состояния, физико-механических свойств дисперсных грунтов и развития инженерно-геологических процессов при техногенном воздействии используются при подготовке проектов строительства новых сооружений, реконструкции и реставрации старинных зданий рядом организаций, в том числе ООО «ПИ Геореконструкция», ОАО «ЛЕННИИПРОЕКТ», материалы по биокоррозии переданы службе ТОИС ГУП «Петербургский метрополитен». Результаты работы будут использованы при совершенствовании нормативных документов по проведению инженерных изысканий и территориальных строительных норм.

Научная новизна работы

  • Экспериментально установлены закономерности изменений состава, состояния, снижения параметров сопротивления сдвигу и деформационной способности водонасыщенных песчано-глинистых грунтов различного генезиса, возраста и степени литификации под воздействием природной органической компоненты и активизации микробной деятельности.
  • Получены закономерности снижения численности микроорганизмов (по величине микробной массы) под влиянием ультрафиолетового излучения и вибрационных воздействий в водонасыщенных песчано-глинистых грунтах.
  • Разработаны схематические карты особенностей и интенсивности загрязнения верхней части разреза подземного пространства Санкт-Петербурга под воздействием контаминантов характерных для мегаполисов, история развитие которых насчитывает нескольких веков.

Защищаемые положения

  1. Интенсивность техногенеза основных компонентов подземного пространства мегаполиса определяет уровень сложности инженерно-геологических условий за счет нестабильности показателей состава, состояния и физико-механических свойств песчано-глинистых отложений в период функционирования сооружений и развития неуправляемых природно-техногенных процессов в подземной среде, взаимодействующей с сооружением.
  2. Активизация микробной деятельности в подземном пространстве мегаполисов при поступлении питательных и энергетических субстратов, отепляющем эффекте, дополнительном привносе микроорганизмов из различных природных и техногенных источников контаминации, а также за счет формирования анаэробных условий оказывают негативное воздействие на песчано-глинистые отложения, которое постепенно уменьшается по мере повышения содержания глинистой фракции в дисперсных грунтах и степени их литификации.
  3. Для повышения безопасности функционирования системы сооружение – многокомпонентная подземная среда необходимо вести проектирование на основе прогнозирования изменения состояния и физико-механических свойств песчано-глинистых отложений, преобразования состава подземных вод и активизации природно-техногенных процессов с использованием результатов экспериментальных исследований, которые не предусмотрены в системе инженерных изысканий.

Практическая значимость работы





    • Произведена экспериментальная оценка влияния изменения физико-химических и биохимических условий в подземном пространстве Санкт-Петербурга на песчано-глинистые грунты для повышения степени достоверности инженерно-геологической информации о негативном преобразовании песчано-глинистых отложений (их состава, состояния и физико-механических свойств), которые используются для анализа перехода ряда сооружений в предаварийное либо аварийное состояние.
    • Усовершенствованы и опробованы методики испытания песчано-глинистых грунтов при их загрязнении органическими контаминантами биогенного и абиогенного генезиса, температурном воздействии с целью повышения достоверности получения характеристик прочности и деформационной способности.
    • Предложены рекомендации для расчета длительной устойчивости наземных и подземных сооружений с учетом преобразования физико-механических свойств песчано-глинистых грунтов при техногенезе в период их эксплуатации.

Достоверность научных положений и выводов, сформулированных в диссертационной работе, базируется на большом объеме выполненных теоретических, научно-практических и экспериментальных исследований по трансформации состава, состояния и физико-механических свойств песчано-глинистых отложений различного генезиса и возраста при воздействии техногенных факторов (органических контаминантов биогенного и абиогенного генезиса, температурного и вибрационного влияния), повышающих либо снижающих численность микробной массы. Результаты микробиологических исследований по определению физиологических групп, родового и видового состава микроорганизмов и их численности в разрезах загрязненных грунтов Санкт-Петербурга позволили оценить их агрессивность по отношению к конструкционным материалам. В основу диссертации положены результаты, полученные в ходе проведения научно-исследовательских работ, при непосредственном участии автора: «Инженерно-геологическое и гидрогеологическое обеспечение высотного строительства и освоения подземного пространства в мегаполисах» (2009 г.), «Состояние и стратегия развития научной школы «Инженерная геология» по приоритетным направлениям НИУ» (2010 г.), «Преобразование компонентов подземного пространства для прогнозирования устойчивого развития мегаполисов» (2010-2011 гг.), «Разработка инновационных технологий по приоритетному направлению научной школы «Инженерная геология» (2011 г.), а также при поддержке персональных грантов Санкт-Петербурга для студентов, аспирантов, молодых ученых, молодых кандидатов наук в 2009 и 2010 годах.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях: «Полезные ископаемые России и их освоение» (СПГГУ, Санкт-Петербург, 2009, 2010, 2011 гг.), «Сергеевские чтения Х» (Научный совет РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии, Москва, 2008 г.), «Инженерные изыскания в строительстве» (ОАО «ПНИИИС», Москва, 2010, 2011 гг.), международном форуме молодых ученых «Проблемы недропользования» (СПГГУ, Санкт-Петербург, 2011 г.), международных конференциях молодых ученых в Краковской горно-металлургической академии (Краков, Польша, 2009 и 2011 гг.) и Фрайбергской горной академии (Фрайберг, Германия, 2011 г.).

Публикации.

Основные результаты диссертации содержатся в 11 опубликованных работах, в том числе 4 статьи в журналах, входящих в перечень, рекомендованный ВАК Минобрнауки России.

Структура работы.

Диссертация изложена на 234 страницах, состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 154 наименований, содержит 67 рисунков, 57 таблиц.

Автор выражает глубокую и искреннюю признательность за постоянную помощь и поддержку на всех этапах подготовки диссертационной работы научному руководителю д.г.-м.н. проф. Р.Э. Дашко. Автор благодарит заведующего кафедрой ГиИГ д.г.-м.н. проф. В.В. Антонова, д.г.-м.н. проф. И.П. Иванова, к.г.-м.н. доц. Н.С. Петрова, к.г-м.н., доц. А.В. Шидловскую, к.г-м.н., доц. Т.Н. Николаеву, к.г-м.н., доц. Г.Б. Поспехова, к.г-м.н., доц. Л.П. Норову, к.г.-м.н. асс. О.Ю. Александрову и остальных сотрудников кафедры за обсуждение материалов диссертации. Отдельную благодарность автор выражает к.г.-м.н, асс. А.М. Жуковой, студ. А.А. Коробко, А.Н. Мудла, Ю.Г. Шкаруппа за содействие в проведении полевых и лабораторных работ. Автор выражает благодарность д.б.н., заведующему лабораторией микологии и альгологии СПбГУ Д.Ю. Власову за помощь в проведении микробиологических исследований.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ИХ ОБОСНОВАНИЕ

  1. Интенсивность техногенеза основных компонентов подземного пространства мегаполиса определяет уровень сложности инженерно-геологических условий за счет нестабильности показателей состава, состояния и физико-механических свойств песчано-глинистых отложений в период функционирования сооружений и развития неуправляемых природно-техногенных процессов в подземной среде, взаимодействующей с сооружением.

Подземное пространство в пределах мегаполисов следует рассматривать как динамическую систему взаимозависимых компонентов – «горные породы (грунты) – подземные воды – микробиота – газы – подземные конструкции».

В разрезе подземного пространства Санкт-Петербурга прослеживается осадочная толща четвертичного возраста от раннечетвертичных до современных отложений. Вне погребенных долин, развитых по направлению тектонических разломов, ее мощность снижается до 30 м и менее, в наиболее глубокой долине – 120 м. Дочетвертичные осадочные породы – глины и песчаники - представлены отложениями нижнекембрийского возраста и котлинского горизонта верхнего венда (рис.1).

В разрезе четвертичных отложений преобладают водонасыщенные глинистые грунты различного генезиса и возраста, имеющие, в основном, малую степень литификации (озерно-морские, озерно-ледниковые); средняя степень литификации отмечается для морен различного возраста (лужская позднечетвертичная, московская среднечетвертичная и днепровская раннечетвертичная) (рис.2). Пески встречены в разрезе четвертичных пород техногенного, озерно-морского и озерно-ледникового генезиса, а также в межморенных отложениях и в форме отдельных линз в моренах.

Уровень техногенных изменений, прежде всего, определяется влиянием болот и заболоченных грунтов, которые в процессе строительства снимались либо засыпались. Загрязненные техногенные образования представлены либо насыпными грунтами (18-19 вв. – сер. 20 в.) или намывными отложениями (вторая половина 20 в.). Кроме того источником загрязнения в разрезе служат ликвидированные водотоки, составляющие 3,7% территории города.

Наличие болот, а также заторфованных грунтов в верхней части разреза оказывает существенное влияние на состояние и физико-механические свойства подстилающих песчано-глинистых отложений четвертичного и дочетвертичного возраста за счет их обогащения органическими соединениями биогенного и абиогенного генезиса (рис.3).

В пределах низкой террасы распространены озерно-морские литориновые отложения, обогащенные органикой, а также микробиотой, активность деятельности которой усиливается при наличии в верхней части разреза торфов и контаминации стоками.

Нижнекембрийские синие глины распространены в южной части города, верхнекотлинские глины верхнего венда имеют региональное развитие. Коренные глины необходимо рассматривать как литифицированную трещиновато-блочную среду, имеющую зональное строение, при этом интенсивность поступления поллютантов в толщу этих глин меняется по глубине в зависимости от степени их дезинтеграции.

В пределах города выделяются следующие водоносные горизонты: грунтовые воды, 1ый межморенный водоносный горизонт, 2ой межморенный водоносный горизонт, ломоносовский водоносный горизонт, а также вендский водоносный комплекс.

Загрязнение грунтовых вод за счет утечек из канализационной системы отмечено на большей части исторического центра города, где фиксируются отрицательные значения окислительно-восстановительного потенциала (до -198 mv в районе Александро-Невской Лавры), что определяется развитием анаэробных условий. В грунтовых водах отмечено высокое содержание кальция (до 150 мг/дм3) и магния (до 116 мг/дм3), связанное с выщелачиванием этих элементов из подземных конструкций. Повышенное содержание хлоридов (до 240 мг/дм3), а также иона аммония свидетельствует о загрязнении грунтовых вод канализационными стоками. Наличие сульфатов (до 176 мг/дм3) определяется их поступлением с территорий захороненных свалок, а также с канализационными стоками. Повсеместно в грунтовых водах отмечается присутствие органических соединений, определяемых по величине ХПК и перманганатной окисляемости. Содержание нефтяных углеводородов не превышает 0,1 мг/дм3.

В водах верхнего межморенного водоносного горизонта в пределах Полюстровского месторождения по последним проведенным исследованиям зафиксировано повышенное содержание аммония, хлоридов и сульфатов, а также тяжелых металлов и нефтепродуктов за счет их поступления из грунтовых вод.

К числу защищенных водоносных горизонтов от загрязнения относятся нижний межморенный водоносный горизонт и вендский водоносный комплекс. Ломоносовский водоносный горизонт, развитый на юге города, является плохо защищенным в локальных зонах отсутствия водоупорной толщи нижнекембрийских глин.

В торфах и заторфованных грунтах, характерных для разреза Санкт-Петербурга, присутствует микробиота, которая поступает в подстилающие породы. Наибольшая активность микроорганизмов прослеживается в торфах со средней степенью разложения. С увеличением степени разложения органического вещества, интенсивность микробной деятельности, количество микроорганизмов и разнообразие физиологических групп уменьшается. В верхней части торфов доминируют нитрифицирующие бактерии, в средней части преобладают денитрифицирующие, ниже по разрезу в анаэробных условиях присутствуют сульфатредуцирующие, аммонифицирующие и метанобразующие, а также анаэробные целлюлозоразлагающие бактерии.

Вторым важным источником поступления микроорганизмов в подземное пространство являются утечки из систем водоотведения, жидкая фаза из свалок бытовых отходов, а также ликвидированные и действующие кладбища. Один миллилитр сточных вод содержит 107-108 клеток микроорганизмов.

Природным источником поступления микробиоты в подземное пространство города служат газогенерирующие межледниковые микулинские отложения, содержащие до 20-22% битумного органического вещества, развитые в юго-восточной и северной частях города. Микробиологические исследования этих пород выявили наличие большого количества анаэробных форм микроорганизмов, которые участвуют в генерации малорастворимых (СН4, N2) и растворимых (CO2, H2S) газов. Кроме того, источником биохимического газообразования (СН4, H2S)  являются болота и литориновые отложения, техногенного – ликвидированные свалки, кладбища и водные объекты.

Еще до строительства сооружения существует необходимость изучения состояния компонентов подземного пространства с позиции их контаминации, на которое накладывается влияние сооружения с учетом технологии эксплуатации - давления, температуры, утечек различного органического и неорганического состава.

При неуправляемом техногенезе с поступлением контаминантов различного химического состава, содержащих органические компоненты биогенного и абиогенного генезиса, в толщу пород, происходит изменение окислительно-восстановительных и кислотно-щелочных условий.

  1. Активизация микробной деятельности в подземном пространстве мегаполисов при поступлении питательных и энергетических субстратов, отепляющем эффекте, дополнительном привносе микроорганизмов из различных природных и техногенных источников контаминации, а также формировании анаэробных условий оказывают негативное воздействие на песчано-глинистые отложения, которое постепенно уменьшается по мере повышения содержания глинистой фракции в грунтах и степени их литификации.

В связи с особенностями характеристик компонентов подземного пространства Санкт-Петербурга был проведен комплекс экспериментальных исследований, позволяющий установить закономерности изменения состава, состояния, физико-механических свойств песчано-глинистых отложений различного генезиса и возраста под влиянием органических соединений, отепляющего эффекта и при воздействии поступления питательных и энергетических субстратов в подземную среду, в которой присутствует микробиота.

Содержание органического вещества абиогенного генезиса менее 3% в песках разного гранулометрического состава отражается на значениях плотности, коэффициента фильтрации, характеристик прочности и деформируемости. Под влиянием увеличения содержания органических соединений абиогенного генезиса отмечено снижение плотности, рост общего значения пористости, с одной стороны, и уменьшение абсолютного размера пор, с другой, что отражается на фильтрационной способности песков, снижающейся в 2-5 раз. На зернах песка образуются тонкие пленки из коллоидной фракции органической компоненты, что приводит к появлению связности и снижению углов внутреннего трения.

По экспериментальным данным особенно активное изменение водопроницаемости и показателей сопротивления сдвигу песков отмечается при действии органической составляющей (торфа) и подачи многокомпонентного питательного субстрата (KNO3, KH2PO4, NaHPO4*12H2O, MgSO4), способствующих развитию микроорганизмов (табл. 1).Снижение коэффициента фильтрации и угла внутреннего трения песка средней крупности связано с повышением содержания коллоидных фракций и образованием биопленок на минеральных зернах, которые существенно уменьшают трение. В процессе длительного воздействия органики биогенного генезиса изменяется гранулометрический состав песков за счет роста содержания более мелкой фракции. Так, в исходном песке преобладающая фракция 0,5-0,25 мм составляла 65%, на момент завершения опыта содержание мелкой фракции 0,25-0,1 мм возросло до 57%, а среднезернистой снизилось до 43%.

В лабораторных условиях при воздействии на чистые пески торфа за один год отмечен рост микробной массы от 0 до 89 мкг/г (см. табл.1, рис. 4). Микробиологические исследования выявили развитие трех видов микромицетов – Penicillium oxysporum, Aspergillus niger, Penicillium brevicompactum (600 КОЕ на 1 грамм песка), которые принадлежат к аэробным формам микроорганизмов. Привнос нефтяных углеводородов способствовал формированию анаэробной среды, что фиксировалось по косвенным признакам: переходу цвета песка от светло-коричневого до серого. В восстановительной среде отмечалось снижение численности микромицетов и уменьшение их активности, что вызвало двукратное снижение величины микробной массы по сравнению с результатами опыта без добавок нефтепродуктов. В процессе опыта наблюдалось изменение кислотно- щелочных условий (рН снизилось от 7,5 до 5,5 за счет образования органических кислот), подтверждающееся формированием кристаллов оксалатов при продуцировании микромицетами щавелевой кислоты; кроме того, в первый месяц проведения исследований отмечалось выделение газа, состав которого не определялся.

При воздействии органики биогенного и абиогенного генезиса на выветрелые ожелезненные нижнекембрийские песчаники в бескислородной среде происходит восстановление железа до Fe2+, что вызывает полную деградацию цементационных связей за счет гидрооксида железа и одновременно диспергацию глинистых агрегатов. Через 6 месяцев было получено снижение угла внутреннего трения (с 270 до 100), сцепления (от 0,049 до 0,011 МПа), что сопровождалось ростом микробной массы в 5 раз.

Воздействие торфов на нижнекембрийские синие глины вызывает интенсивный рост микробной массы и снижение параметров их прочности: угла внутреннего трения в 1,25-1,5 раза, сцепления – на 20% (табл. 2). При воздействии природной органики на нижнекембрийские синие глины было установлено увеличение микробной массы в 3,5 раза за 6 месяцев. В течение опыта поддерживались анаэробные условия, о чем свидетельствует появление пятен гидротроилита за счет сульфатредукции железа и образования сероводорода. При поступлении нефтепродуктов (соляровое масло) микробная масса за 6 месяцев возросла с 25 мкг/г до 103 мкг/г (см. табл. 2). Еще ранее было установлено, что в глинах доминируют анаэробные бактерии, соответственно в восстановительных условиях при поступлении солярового масла численность микроорганизмов возрастает даже в литифицированных глинах.

Экспериментальными исследованиями установлено, что по мере повышения содержания глинистых фракций в грунтах при прочих равных условиях (поступление питательных субстратов с постоянным составом) возрастает величина микробной массы за счет повышения сорбционной способности песчано-глинистых пород (рис.5). Для развития микробиоты в песчано-глинистых отложениях имеет значение тип питательного субстрата. Как показали результаты экспериментальных исследований, при полном водонасыщении микробная масса увеличивается, максимальный рост биоты зафиксирован при поступлении питательного субстрата с 1% солярового масла.

На активность деятельности микроорганизмов существенное влияние оказывает температура. Все исследуемые физиологические группы микроорганизмов принадлежат к мезофилам, т.е. для них существует температурный оптимум в условиях которого отмечается рост их численности. При повышении температуры от 15-170С до 30-350С, что характерно для пород в основании ТЭЦ, в образцах на гидрослюдистых глин микробная масса увеличилась на 40%.

При воздействии на образцы супесчаного состава ультрафиолетовых волн длиной 305-315 нм за месяц микробная масса снизилась в 4 раза по сравнению с исходной (113,8 мкг/г), при условии поглощения излучения нуклеиновыми кислотами клеток, которые погибают в результате мутации [М.В. Волькенштейн, 2008 г.]. При вибрационном воздействии с частотой колебаний 1500 Гц содержание микробной массы за аналогичный период уменьшилось почти в 2 раза (от 133 до 70 мкг/г) за счет разрушения клеток и снижения активности их размножения.

На основе проведенных исследований введен коэффициент снижения сопротивления сдвигу для песков и глинистых пород в зависимости от содержания микробной массы (табл.3, рис.6). Наиболее чувствительными оказываются пески средней крупности, практически не содержащие пылеватую фракцию, которые переходят в состояние плывунов при величине микробной массы более 60 мкг/г. Все разности водонасыщенных глинистых грунтов малой и средней степени литификации в анаэробных условиях и при содержании микробной массы более 100 мкг/г следует рассматривать как пластичные среды с углами внутреннего трения менее 5-60. По мере повышения содержания глинистой фракции такое влияние снижается для величин сопротивления сдвигу грунтов.

  1. Для повышения безопасности функционирования системы сооружение многокомпонентная подземная среда необходимо вести проектирование на основе прогнозирования изменения состояния и физико-механических свойств песчано-глинистых отложений, преобразования состава подземных вод и активизации природно-техногенных процессов с использованием результатов экспериментальных исследований, которые не предусмотрены в системе инженерных изысканий.

Необходимость обеспечения длительной устойчивости – одно из основных требований, предъявляемых к зданиям и сооружениям различного назначения. По данным проф. В.М. Улицкого в Санкт-Петербурге большая часть деформаций (61%) обусловлена техногенными факторами, проявляющимися при эксплуатации сооружений различного назначения. В действующих нормативных документах отсутствуют требования к обязательному выполнению прогноза по изменению химического состава подземных вод, окислительно-восстановительных и кислотно-щелочных условий, температурного режима, активизации микробной деятельности, которые сказываются на ухудшении состояния и свойств пород в основании сооружений в процессе их строительства и эксплуатации.

Для сравнительной оценки степени загрязнения верхней части разреза четвертичных отложений в пределах территории Санкт-Петербурга построена схематическая карта интенсивности загрязнения в зависимости от концентрации источников контаминации, которая дает возможность установить тенденции изменения состояния и свойств песчано-глинистых грунтов и воспользоваться коэффициентами снижения прочности песчано-глинистых грунтов в зависимости от содержания в них микробной массы (рис. 7).

В качестве примера можно привести анализ перехода жилого здания на Двинской ул. в аварийное состояние в результате негативного преобразования песчано-супесчаных пород, которые служили несущим горизонтом для ленточных фундаментов шириной b=2,8-3,2 м, заглубленных на 2,5 м, при постоянном воздействии утечек из канализационной системы. Определение расчетного сопротивления (R) на стадии проектирования было выполнено при следующих показателях сопротивления сдвигу: с=0,015 МПа (1,5 тс/м2) и =200, =1,95-2,0 т/м3 и составило 0,27 МПа (2,7 тс/м2), при этом выполнялось условие рс<R, где рс – давление под подошвой от сооружения, равное 0,15 МПа.

Длительность воздействия канализационных стоков и подтопление фундаментов привело к преобразованию песчано-супесчаных отложений, изменились показатели сопротивления сдвигу: =60, с=0,017 МПа (1,7 тс/м2), взвешивающее воздействие подтопления привело к снижению до 1,42 т/м3. При этих параметрах R составило 0,11 МПа (11 тс/м2) и оказалось ниже, чем давление от сооружения.

При проектировании сооружений в зонах интенсивного загрязнения необходимо использование в расчетах характеристик сопротивления сдвигу, полученных в условиях трехосного сжатия по схеме НН (неконсолидированно-недренированный сдвиг) с возможностью бокового расширения образцов, что отражает поведение пород в основании сооружения. Данная схема испытаний позволяет получить минимальные углы внутреннего трения при сохранении плотности и влажности грунтов.

Кроме того, необходимо выполнение прогноза изменения не только физико-механических свойств, но и активизации природно-техногенных процессов: перехода песков в плывуны, возможность выпора грунтов из-под сооружения, биокоррозии строительных материалов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Диссертация представляет собой законченную научно-квалификационную работу, в которой содержится решение актуальной научной задачи по инженерно-геологической оценке техногенеза компонентов подземного пространства при его освоении и использовании (на примере Санкт-Петербурга).

1. Подземное пространство Санкт-Петербурга рассматривается как компонентная среда, включающая горные породы (грунты), подземные воды, газы, микробиоту и подземные конструкции. В разрезе четвертичных отложений особое внимание уделено присутствию в верхней части разреза торфов и заторфованных грунтов. Загрязненные техногенные отложения, захороненные свалки, ликвидированные и действующие кладбища служат источником поступления органических соединений абиогенного и биогенного генезиса. Отмечается высокий уровень загрязнения грунтовых вод за счет утечек из канализационной сети и других источников контаминации. Коренные глины необходимо рассматривать как трещиновато-блочную среду, что предопределяет возможность их загрязнения на значительную глубину при утечках из различных источников.

2. Выполненные экспериментальные исследования влияния органических соединений биогенного и абиогенного генезиса позволили установить тенденцию изменения гранулометрического состава, коэффициента снижения показателей сопротивления сдвигу песков и глин различного генезиса и степени литификации. С ростом содержания глинистой фракции в грунтах влияние накопления микробной массы уменьшается. На основе проведенных лабораторных исследований установлено снижение содержания микробиоты при воздействии ультрафиолета и вибрационных нагрузок. Выявлены закономерности роста микробной массы в глинистых грунтах при повышении их температуры.

3. В условиях активного техногенеза безопасность функционирования сооружений и обеспечение их длительной устойчивости определяется учетом возможности перехода песков в плывунное состояние и трансформации глинистых грунтов в квазипластичное состояние при активизации микробной деятельности, загрязнении органическими соединениями биогенного и абиогенного генезиса, а также влиянии заболачивания и газогенерации природного и техногенного характера.

  1. Для обеспечения длительной устойчивости наземных и подземных сооружений различного назначения предложено использовать схематическую карту загрязнения и зон его влияния, в основу которой положена концентрация источников контаминации на рассматриваемой территории, а также коэффициент снижения сопротивления сдвигу в зависимости от величины микробной массы в песчано-глинистых грунтах. Рассмотрен пример перехода сооружения в аварийное состояние за счет загрязнения грунтов зоны основания канализационными стоками.

Наиболее значимые работы по теме диссертации

1. Панкратова К.В. Влияние изменения инженерно-геологических и геоэкологических условий в период строительства и эксплуатации сооружений проектируемого Алексеевского цементного завода на их устойчивость (Республика Мордовия) // Записки Горного института. Т.186. СПб, СПГГУ, 2010, с.34-38.

2. Дашко Р.Э. Техногенная трансформация основных компонентов подземного пространства мегаполисов и ее учет в геомеханических расчетах (на примере Санкт-Петербурга) / Р.Э. Дашко, А.В. Шидловская, К.В. Панкратова, А.М. Жукова // Записки Горного института. Т.190. СПб, СПГГУ, 2011, с.65-70.

3. Панкратова К.В. Повышение достоверности инженерно-геологической информации на основе исследований влияния некоторых факторов техногенного воздействия на песчано-глинистые отложения // Записки Горного института. Т.195. СПб, СПГГУ, 2012, с.49-53.

4. Дашко Р.Э. Исследование инженерно-геологических факторов для оценки динамики разрушения тоннеля на участке автодороги Санкт-Петербург – Киев / Р.Э. Дашко, К.В. Панкратова, А.А. Коробко // Записки Горного института. Т.195. СПб, СПГГУ, 2012, с.24-28.

5. Панкратова К.В. Результаты экспериментальных исследований влияния некоторых техногенных факторов на дисперсные грунты, как источники дополнительной инженерно-экологической информации на предпроектной стадии изысканий / К.В. Панкратова, А.М. Жукова // Материалы годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии «Сергеевские чтения XIV». М.: РУДН, 2012, с.69-73

Рис. 1. Положение кровли коренных пород осадочного чехла на территории Санкт-Петербурга (переработанные и дополненные данные Геологического атласа Санкт-Петербурга, 2009 г.)

Рис. 2. Схема распространения четвертичных отложений на территории Санкт-Петербурга

(по данным ФГУП «Севзапгеология»)

Условные обозначения:

- болота и заболоченные участки;

- «снятые» болота.

Рис. 3. Схематическая карта «снятых болот» на территории Санкт-Петербурга (конец XX века)

(по данным ФГУП «Севзапгеология»)

Таблица 1. Динамика изменения водопроницаемости, угла внутреннего трения и величины микробной массы водонасыщенного песка во времени под воздействием торфа

Порода

Продолжительность воздействия, мес.

Коэффициент фильтрации, м/сут

Микробная масса, мкг/г

Угол внутреннего трения, град

Песок

средней

крупности

0

12,1-17,9

0

23-25

3

5,3-7,5

10,6-14,3

33-49

20-23

11-14

19-22

6

3,8-5,7

7,9-12,5

52-63

28-30

9-11

15-20

9

2,4-3,6

5,8-9,7

70-79

33-35

7-9

11-16

12

1,7-3,3

4,9-7,2

83-89

40-47

5-8

8-13

В числителе – при воздействии торфа; в знаменателе – при воздействии торфа с дополнительным поступлением солярового масла.

Таблица 2. Динамика изменения некоторых показателей механических свойств и микробной пораженности нижнекембрийских синих глин при воздействии органических соединений естественного генезиса и солярового масла

Порода

Микробная масса,

мкг/г

Параметры сопротивления сдвигу

Угол внутреннего трения, град.

Сцепление, МПа

Нижнекембрийские глины

25,3-33,9

15-18

0,05-0,09

Нижнекембрийские глины

после воздействия торфа

68,7-83,3

13-15

0,040-0,045

Нижнекембрийские глины

после воздействия торфа

с питательным раствором с 1% солярки

90,8-102,9

5-8

0,035-0,041

Примечание: продолжительность опыта 6 мес.

Рис. 5. Зависимость роста микробной массы от типа питательного субстрата в различных типах песчано-глинистых грунтов

1 – грунты в состоянии неполного водонасыщения; 2 – водонасыщенные грунты; привнос питательного субстрата 3) торф; 4) глюкоза; 5) с 1% солярового масла



Таблица 3. Влияние содержания микробной

массы на снижение сопротивления сдвигу глинистых грунтов

IL

Коэффициент снижения сопротивления сдвигу при различном содержании ММ мкг/г

0

50-100

100-200

>200

Супеси

<0,50

1,0

2,0-2,5

2,2-3,0

3,0-3,5

0,50-0,75

1,8-2,0

1,7-2,0

2,0-2,5

>0,75

1,5-1,8

1,5-1,8

1,8-2,0

Суглинки

<0,50

1,0

1,6-2,0

2,0-2,2

2,2-2,4

0,50-0,75

1,4-1,8

1,8-2,0

2,0-2,2

>0,75

1,4-1,5

1,5-2,0

2,0-2,2

Глины

<0,50

1,0

1,4-1,6

1,6-1,8

1,8-2,2

0,50-0,75

1,3-1,5

1,5-1,6

1,6-2,0

>0,75

1,3-1,5

1,5-1,6

1,6-1,9

Примечание: Сопротивление сдвигу получено по результатам трехосных испытаний по схеме НН

Рис. 6. Зависимость коэффициента снижения сопротивления сдвигу для

песков и глинистых пород в зависимости от содержания микробной массы

Рис.7. Схематическая карта загрязнения территории Санкт-Петербурга и зон его влияния

1 – загрязнение не выявлено

2 – слабая степень загрязнения (влияние одного загрязнителя)

3 – средняя степень загрязнения (влияние двух загрязнителей)

4 – высокая степень загрязнения (влияние трех и более загрязнителей)

 





© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.