Инженерно-геологическая оценка техногенеза компонентов подземного пространства при его освоении и использовании

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, P.C. 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 во-доупоров, 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 исследованийУстановление 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.

— 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.

— Прогнозирование природно-техногенных процессов, определяющих безопасность функционирования сооружений различного назначения в условиях активного техногенеза при освоении и использовании подземного пространства мегаполисов.

— 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 ста-билометры, приборы одноплоскостного сдвигаусовершенствованный биохимический метод М. Бредфорд определения микробной массы по величине микробного бежа, 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 СПбГУкомпьютерное 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 работыЭкспериментально 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 литифика-ции.

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 пес-чано-глинистых отложений (их состава, состояния и физико-механических свойств), которые используются для анализа перехода ряда сооружений в пре-даварийное 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 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 X» (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 153 наименований, содержит 67 рисунков, 57 таблиц.

Результаты работы будут использованы при совершенствовании нормативных документов по проведению инженерных изысканий и территориальных строительных норм.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. 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 соединениями биогенного и абиогенного генезиса, а также принимая во внимание особенности технологического режима эксплуатации сооружений.

2. При инженерной (хозяйственной) деятельности человека в результате поступления в подземную среду из различных источников контаминации жидкой фазы происходит изменение состава, состояния, физико-механических и водных свойств пород, преобразование кислотно-щелочных и окислительно-восстановительных условий, активизация микробной деятельности и развитие инженерно-геологических процессов, что не учитывается при обосновании длительной устойчивости сооружений различного назначения.

3. Все многообразие техногенного влияния на горные породы можно разделить на шесть основных групп, специфика и интенсивность воздействия которых будет зависеть от особенностей технологического режима эксплуатации инженерного сооружения: 1) изменение напряженного состояния толщи пород в процессе строительства и эксплуатации наземных и подземных сооружений- 2) трансформация гидродинамического и/или гидрохимического режимов водоносных горизонтов и комплексов под воздействием понижения или подъема уровня подземных вод и загрязнение их контаминантами природного и техногенного происхождения- 3) изменение окислительно-восстановительных и кислотно-щелочных условий при загрязнении различными контаминантами- 4) изменение термодинамических условий толщи пород за счет влияния тепловыделяющих сооружений либо нарушения природного теплового баланса вследствие влияния искусственных покрытий территории и действия скрытых факторов подтопления- 5) активизация микробиологической деятельности за счет поступления питательных и энергетических субстратов, дополнительного увлажнения и отепляющего эффекта и др., которая сопровождается изменением песчано-глинистых отложений, а также повышением агрессивности среды по отношению к конструкционным материалам- 6) радиационное воздействие за счет эксгаляции радона из пород фундамента, которая усиливается вдоль тектонических разломов и в погребенных долинах, а также от техногенных источников (свалки радиационных отходов, предприятия медицинского, военного профиля).

4. Коренные глины рассматриваются как трещиновато-блочная среда, в которых отмечаются зоны повышенной трещиноватости вблизи тектонических разломов, что создает условия для поступления загрязнителей на значительные глубины.

Уровень техногенных изменений четвертичных отложений, прежде всего, определяется влиянием болот и заболоченных грунтов, которые в процессе строительства снимались либо засыпались, а также наличием в разрезе загрязненных техногенных образований, представленных насыпными грунтами (1819 вв. — сер. 20 в.) или намывными образованиями (вторая половина 20 в.). Кроме того источником загрязнения четвертичных отложений 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. В пределах низкой литориновой террасы распространены озерно-морские лито-риновые отложения, обогащенные абиотической и биотической органикой, влияние которой на подстилающие грунты усиливается при наличии в верхней части разреза торфов и источников контаминации подземной среды.

5. На территории Санкт-Петербурга размещаются линейные, площадные и точечные источники контаминации. В ряду активных линейных загрязнителей подземных вод и пород особое место занимает канализационная сеть города, из которой в подземную среду поступают органические и неорганические соединения и микробиота. Площадным источником загрязнения являются свалки хозяйственно — бытовых отходов, фильтрат которых загрязняет подземные воды и водоупоры при нисходящем движении фронта контаминации. Активными поллютантами подземных вод и пород на территории города являются нефтяные углеводороды, которые в условиях нисходящей фильтрации могут мигрировать на большие глубины на участках гидрогеологических окон и по зонам трещиноватости региональных водоупоров. Ликвидированные и действующие кладбища являются источником поступления органических компонентов (белков, жирных кислот), соединений азота, фосфатов, серы, микроорганизмов, среди которых преобладают сапрофита.

6. Выполненные экспериментальные исследования позволили установить следующие закономерности изменения состава, физико-механических свойств песков при влиянии органических соединений биогенного и абиогенного генезиса. При воздействии на пески разного гранулометрического состава органики абиогенного генезиса даже при невысоком ее содержании менее 3% отмечается снижение плотности, коэффициента фильтрации в 4−5 раз и угла внутреннего трения в 2−3 раза по сравнению с песками без органической составляющей.

При загрязнении песков природной и техногенной органикой и дополнительном развитии микробиоты за счет повышения коллоидных фракций и образования биопленок на минеральных зернах угол внутреннего трения продолжает снижаться в 3−5 раз, а водопроницаемость — в 5−7 раз по сравнению с чистыми песками. Поступление питательных субстратов способствует возрастанию микробной массы, которая фиксировалась по интегральному показателю микробного бежа.

Переход песка от светло-коричневого за счет присутствия гидрооксидов железа до серого происходит при переходе соединений железа в восстановленную форму. 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.

7. Воздействие торфов и заторфованных грунтов оказывает негативное влияние на параметры прочности глин и сопровождается ростом микробной массы. Угол внутреннего трения уменьшается в 1,25−1,5 раза, а сцепление — в 1,2 раза. Коллоидные фракции и микробиота создают вокруг частиц биопленки, приводит к снижению угла внутреннего трения и вызывает пластическое деформирование глин. В результате длительного пребывания образцов глин в восстановительной обстановке отмечено образование черно-бурых пятен Ре8*пН20 (гидротроилит), как результат взаимодействия биохимического сероводорода с двухвалентным железом.

8. Дополнительное поступление воды, питательных и энергетических субстратов, повышение температуры до оптимальных значений (для мезофиль-ных форм Т=25−30°С) отражается на росте микробной массы в песчано-глинистых грунтах, накопление которой негативно влияет на параметры физико-механических и водных свойств песчано-глинистых отложений.

Были исследованы два фактора, снижающие численность микробной составляющей в грунтах: ультрафиолетовое излучение и вибрационное воздействие. 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. При вибрационном воздействии с частотой колебаний 1500 Гц содержание микробной массы за аналогииный период уменьшилось почти в 2 раза (от 133 до 70 мкг/г) за счет разрушения клеток и снижения активности их размножения.

9. При строительстве зданий и сооружений различного назначения основная задача связана с обеспечением условий их нормального безаварийного функционирования на заданный период эксплуатации. Необходимость обеспечения их длительной устойчивости — одно из основных требований, предъявляемых к сооружениям.

В настоящее время при выполнении инженерно-геологических изысканий отсутствует оценка изменения состояния толщи песчано-глинистых пород, взаимодействующей с сооружениями, и прогноз преобразования компонентов подземной среды при эксплуатации проектируемых объектов с учетом технологических особенностей его функционирования. При использовании в расчетах завышенных показателей механических свойств песчано-глинистых грунтов, а также отсутствие прогноза их снижения, часто принимаются некорректные решения, что зачастую приводит к переходу сооружений в предаварийное и аварийное состояние.

На стадии изысканий необходимо выявление источников контаминации, состава жидкой и твердой составляющей, длительности их воздействия на грунты и подземные воды и выявление тенденций их влияния на песчано-глинистые грунты и развитие негативных инженерно-геологических процессов, определяющих длительную устойчивость проектируемых сооружения.

10. Проведение испытаний грунтов следует вести по схеме неконсолиди-рованно-недренированного сдвига (НН) в условиях трехосного сжатия при сохранение естественной влажности и плотности. Испытания песков при одно-плоскостном сдвиге следует вести с минимальными нормальных давлениях с целью сохранения коллоидных и биопленок на минеральных зернах.

11. Составлены схематические карты распространения и зон влияния различных загрязнителей, характерных для мегаполисов: свалки хозяйственно-бытовых и радиационных отходов, ликвидированные и действующие кладбища, нефтепродукты. На их основе была составлена обобщающая карта интенсивности распространения загрязнения для территории Санкт-Петербурга.

12. По результатам проведенных исследований был предложен коэффициент снижения показателей сопротивления сдвигу в зависимости от содержания микробной массы для песчано-глинистых грунтов. Наиболее чувствительными оказываются пески средней крупности, практически не содержащие пы-леватую 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 5−6°. По мере повышения содержания глинистой фракции такое влияние снижается для величин сопротивления сдвигу грунтов.