Влияние изменения инженерно-геологических и геоэкологических

УДК 624.131:551.252
Панкратова К.В., Черемхина А.П.
Научный руководитель: д.г.-м.н., профессор Дашко Р.Э.
Санкт-Петербургский государственный горный институт
(технический университет), кафедра гидрогеологии
и инженерной геологии, г. Санкт-Петербург.
НЕКОТОРЫЕ НЕГАТИВНЫЕ ПОСЛЕДСТВИЯ КОНТАМИНАЦИИ
ПОДЗЕМНОГО ПРОСТРАНСТВА САНКТ-ПЕТЕРБУРГА ПРИ
РЕШЕНИИ ПРОБЛЕМЫ ЕГО ОСВОЕНИЯ.
В настоящее время прогнозирование длительной устойчивости
сооружений должно проводиться на основе учета техногенных изменений
основных компонентов подземной среды. Техногенез – комплексное
воздействие,
вызванное
инженерно-хозяйственной
деятельностью
человека на компоненты подземного пространства, что приводит к
преобразованию состава, состояния и свойств грунтов, подземных вод,
возникновение и/или активизацию инженерно-геологических процессов и
явлений, влияющих на условия строительства и безопасность
функционирования сооружений различного назначения.
Территория
современного
Санкт-Петербурга
подвергалась
техногенному воздействию на протяжении более 300 лет, а на отдельных
участках этап контаминации прослеживался в течение 4 - 5 веков. Причем
длительный период развития и функционирования мегаполиса приводит к
значительному и негативному преобразованию всех компонентов его
подземного пространства. В настоящее время следует выделять
территории, где действуют промышленные предприятия и где основными
региональными загрязнителями служат системы водоотведения, а также
свалки и кладбища.
Наибольшее значение для городов имеют свалки хозяйственнобытовых отходов, представляющие собой водонасыщенную толщу
разнообразных по составу техногенных образований с большим
количеством органического материала. Основным агентом воздействия
таких свалок на подземные и поверхностные воды, а также дисперсные
отложения является фильтрат, получаемый в результате протекания
комплекса физико-химических и биохимических процессов вод,
взаимодействующих со свалочной массой. Радиус воздействия крупных
свалок хозяйственно-бытовых отходов на подземную среду составляет
десятки и сотни метров [2].
Существенное влияние на пораженность компонентов подземного
пространства оказывают кладбища. С территории кладбищ в подземное
пространство, в том числе в подземные воды и водоупоры, поступают
органические компоненты (белки), соединения азота, фосфаты,
сероводород, микроорганизмы, среди которых преобладают сапрофиты.
Глубина распространения контаминантов, в том числе микроорганизмов
может составлять 50-70 м и более, в зависимости от периода
функционирования кладбища [2].
Экспериментальные исследования, выполненные автором работы,
показали, что грунты в районе действующих кладбищ имеют высокую
микробную пораженность и коррозионную активность (таблица 1).
Таблица 1
Оценка степени агрессивности грунтов и их микробной пораженности
в районе действующих кладбищ Санкт-Петербурга
Определяемый
показатель
Количественная
характеристика
Степень агрессивности
Высокая коррозионная
активность
Удельное электрическое
Высокая коррозионная
13 -18 Ом*м
сопротивление
активность
Высокая степень микробной
Микробная масса (ММ)* 250 -326 мкг/г
пораженности
* Определение микробной массы проводилось методом Дж. Бредфорд по
величине микробного белка.
Плотность катодного тока 0,31 - 0,49 А/м2
Серия экспериментов была выполнена для решения вопроса влияния
заболачивания на подстилающие породы в условиях затененности и при
действии солнечных лучей, т.е. ультрафиолетового облучения, на образцах
нижнекембрийских синих глин. Еще ранее было показано, что существует
разница в содержании микробной массы в песчано-глинистых грунтах в
пределах территории, подвергающейся инсоляции и при ее отсутствии.
Это положение подтверждается экспериментально. Под действием
ультрафиолета (длина волны 305-315 нм) прослежено снижение величины
микробного белка почти в 4 раза - от 114 до 30 мкг/г. Однако, даже
относительно невысокое содержание биомассы (20-42 мкг/г) существенно
влияет на параметры прочности нижнекембрийских синих глин.
Кроме
ультрафиолета,
активное
влияние
на
развитие
микроорганизмов в грунтах оказывает вибрационное воздействие,
снижающее содержание микробного белка в 2 раза - от 133 до 70 мкг/г. По
данным биофизических исследований постоянное вибрационное
воздействие приводит к уменьшению количества живых клеток
микроорганизмов за счет нарушения процесса их размножения, что
приводит также к снижению содержания продуктов метаболизма.
Полученные закономерности позволяют сделать вывод, что
ультрафиолетовое излучение и вибрационное воздействие существенно
влияют на активность и численность микроорганизмов в грунтах.
Влияние органических поллютантов (белки и углеводы) и хорошо
разложившегося торфа в песках прослежено на основе проведения
экспериментальных исследований. На начальной стадии в песках
микробная масса отсутствовала, Кф варьировался в пределах 12-18 м/сут.
После длительного воздействия органических поллютантов отмечено
изменение гранулометрического состава песка до мелкозернистого.
Микробная масса возросла до 50 мкг/г, коэффициент фильтрации снизился
до 5,3 – 7,5 м/сут (таблица 2). Снижение коэффициента фильтрации
объясняется тем, что живые и мертвые клетки микроорганизмов, а также
продукты их метаболизма не только сорбируются на дисперсных частицах,
но и заполняют поровое пространство. Эти эффекты изучались и ранее
проф. Дашко Р.Э. на песках in situ вблизи аварийных систем
водоотведения. В песках, которые подвергались длительному действию
канализационных стоков, отмечалось снижение коэффициента фильтрации
и соответственно водоотдачи. Такие разности характеризовались как
плывуны вне зависимости от гранулометрического состава. На основе
массовых определений проницаемости песков, контаминированных
канализационными стоками была получена эмпирическая формула для
определения коэффициента фильтрации в зависимости от содержания в
них бактериальной массы [2].
Таблица 2
Влияние органических поллютантов на физико-механические и
водные свойства песков
Порода
Песок
чистый
Песок после
воздействия
органических
поллютантов
Микробная
Содержание
Коэффициент
Угол
масса
преобладающей фильтрации внутреннего
фракции
трения
ММ, мкг/г
%
Кф м/сут
 , град.
64,7 – 60,4
12,1
0
23
(0,5 – 0,25 мм)
17,9
33,9
49,9
52,3 – 50,5
(0,25 – 0,1 мм)
5,3
7,5
11
Снижение угла внутреннего трения (с 23ο до 11ο) объясняется
процессами механического и биохимического поглощения тонких взвесей,
приводящими к образованию коллоидно-глинистых рубашек, а также
биопленок на поверхности песка [1]. Снижение углов внутреннего трения
способствует уменьшению несущей способности песков в основании
сооружений, что доказывает изменение расчетного сопротивления
(таблица 3). Величина расчетного сопротивления определялась по формуле
[1]:
(1)
R  M γ  b  γ  M q  h ф  γ'M c  c ,
где b – ширина фундамента; h ф – глубина заложения фундамента; c –
сцепление грунтов несущего слоя; γ и γ' - плотность породы
соответственно ниже и выше подошвы фундамента; M γ , M q , M c безразмерные коэффициенты, зависящие от угла внутреннего трения (  )
пород несущего слоя, которые определяемое по таблицам либо формулам.
Расчетное сопротивление песков в основании фундаментов неглубокого
заложения уменьшится в 1,3 раза (см. таблицу 3).
Таблица 3
Величины расчетного сопротивления (R) песка в основании здания
неглубокого заложения в зависимости от изменения параметров
сопротивления сдвигу
Порода
Параметры
прочности
с, МПа
, 0
Величина расчетного
сопротивления песков в
основании,
R, МПа
0,3
Песок чистый
0,01
23
Песок после
воздействия
0,026
11
0,24
органических
поллютантов
Примечание: Определение R выполнено при следующих условиях:
глубина заложения фундамента hф=2,84 м и ширина фундамента b=2,84 м.
Оценка влияния нефтяных загрязнителей проводилась на
выветрелых ожелезненных кембрийских песчаниках (таблица 4).
Прочность данных отложений определяется цементационными связями за
счет соединений трехвалентного железа, его восстановление до
двухвалентной подвижной формы действует как фактор дополнительного
снижения прочности. Первоначальное содержание микробной массы
варьировало в пределах 13 – 20 мкг/г. Повышение микробного белка в 2-3
раза приводит к существенному снижению параметров прочности
песчаников. При этом следует отметить снижение интенсивности окраски,
что свидетельствует о начальной фазе восстановления железа.
Полученные результаты техногенных воздействий на песчаноглинистые породы, в том числе контаминация различной природы,
преобразование окислительно-восстановительной среды, вибрационные
нагрузки, ультрафиолетовое облучение и др., дают возможность сделать
выводы о том, что прогнозирование длительной устойчивости сооружений
различного назначения должно выполняться с обязательным учетом
влияния трансформации компонентов подземного пространства в
зависимости от технологических особенностей функционирования
проектируемых сооружений, состояние инженерных коммуникаций.
Таблица 4
Влияние нефтяных загрязнителей на физико-механические
свойства выветрелых ожелезненных кембрийских песчаников
Параметры
сопротивления сдвигу
Порода
Выветрелый ожелезненный
кембрийский песчаник
Выветрелый ожелезненный
кембрийский песчаник после
воздействия нефтяных
загрязнителей
Угол
Сцепление внутреннего
трения  ,
с, МПа
град
0,024 –
23 - 26
0,049
0,011 –
0,029
10 - 15
Содержание
микробной
массы
ММ, мкг/г
13 - 20
25 - 68
Особое внимание техногенезу подземной среды следует уделять при
составлении проектов реконструкции и реставрации старинных зданий и
архитектурно-исторических памятников особенно в пределах территорий,
освоение и загрязнение которых происходило на протяжении сотен лет.
Список литературы
[1] Дашко Р.Э. Механика горных пород: Учебник для вузов. – М.: Недра, 1987. – 264 с.
[2] Дашко Р.Э. Микробиота в геологической среде: ее роль и последствия //
Сергеевские чтения. Материалы годичной сессии научного совета РАН по проблемам
геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии / ГЕОС, М., 2000. С. 72-77.