Техногенное изменение моренных грунтов в пределах жилой застройки г. Москвы

Актуальность работы. Геологическая среда территории г. Москвы за длительную историю хозяйственного использования испытывала разнообразные техногенные воздействия. Даже в пределах жилой городской застройки подземное пространство города пронизано густой сетью подземных коммуникаций, вызывающих подтопление территорий, нагрев грунтов, химико-биологическое загрязнение грунтов и вод. При этом техногенная трансформация геологической среды происходит с такой скоростью, что за короткие периоды времени могут измениться многие основные показатели свойств грунтов. Особенностью инженерно-геологических изысканий на территории города является проведение работ в пределах небольшого «пятна застройки» проектируемого здания, сооружения. В таких условиях крайне затруднительно проанализировать процессы подтопления на участке, изменение свойств грунтов вследствие техногенных воздействий и дать прогноз на будущее.

В то же время, разрабатываются новые подходы к изучению и мониторингу геологической среды урбанизированных территорий. Формируются новые направления инженерной геологии, изучающие влияние различных техногенных воздействий на состав, структуру и свойства грунтов.

Анализ опыта инженерно-геологических изысканий на территории г. Москвы показал, что в настоящее время недостаточно простого соблюдения существующих норм и правил проведения изысканий. Без учета источников техногенных воздействий, которые активно влияют на геологическую среду, нельзя надежно определить показатели свойств грунтов и быть уверенным в полноте и качестве изысканий. К сожалению, до настоящего времени еще не разработано методических подходов к решению таких задач.

На территории г. Москвы наиболее широкое распространение имеет комплекс четвертичных ледниковых отложений, в котором моренные грунты являются наиболее выдержанными в плане и в разрезе. Они, в большинстве случаев, служат основаниями фундаментов зданий и сооружений на территории города. Поэтому исследование техногенных изменений таких грунтов с применением новых методов и методик изучения — одна из наиболее актуальных инженерно-геологических задач.

Цели и задачи работы. Основной целью настоящей диссертационной работы является изучение техногенного изменения моренных грунтов и разработка методики комплексного учета техногенных воздействий в пределах жилой застройки г. Москвы. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Определить наиболее характерные источники техногенных воздействий в пределах жилой застройки и выработать параметры оценки их интенсивности.

2. Разработать методику количественного учета техногенных воздействий в пределах участка, площадки изысканий.

3. Изучить химико-минеральный состав моренных отложений, строение и свойства этих грунтов в природном и техногенно-измененном состоянии.

4. Выявить основные химические соединения в составе моренных грунтов, которые наиболее подвержены техногенным воздействиям.

5. Изучить общие и частные закономерности влияния техногенных воздействий (тепловых, подтопления, изменения влажностного режима) на состояние, состав, структуру и свойства моренных отложений г, Москвы.

Объект исследования. Диссертационная работа является итогом исследований, проведенных автором в период обучения в заочной аспирантуре на кафедре инженерной и экологической геологии геологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова с 2000 по 2002 гг. Для работы по теме диссертации использован фактический материал, накопленный автором за 11 лет инженерно-геологических изысканий в ОАО «Стройпроект» на более чем 140 площадках изысканий по территории г. Москвы, а также фондовые и архивные материалы. Автором лично собрана база данных по определениям физических и физико-механических свойств 5500 образцов из четвертичных отложений г. Москвы. Объектом исследований являются четвертичные отложения ледникового генезиса, широко распространенные на территории г. Москвы.

Методика исследований и достоверность результатов. Исследования проводились с помощью современных научных методов, для обработки результатов использованы геоинформационные (ГИС) технологии. Изучение образцов грунтов выполнено с применением растровой электронной микроскопии (РЭМ), рентгеновского дифрактометрического анализа, химико-аналитических методов, автоматизированных приборов определения физико-механических свойств грунтов. Комплексное сочетание этих методов позволило получить надежные и достоверные научные результаты.

Научная новизна.

1. Проведенный комплекс исследований и выработанная методика позволяет оценивать техногенные воздействия в пределах отдельно взятой площадки изысканий, учитывать их влияние на состав, структуру, состояние и свойства грунтов, выявляя изменения, вызванные этими воздействиями.

2. Сформулировано понятие и установлены основные закономерности техногенного гипергенеза на урбанизированных территориях и проведено комплексное исследование его влияния на состав, структуру, состояние и свойства ледниковых отложений на территории г. Москвы.

3. Разработан и опробован на практике эффективный метод изучения техногенных полей влажности, позволяющий прогнозировать техногенные изменения влажности грунтовых толщ в пределах площадки изысканий с учетом сезонов года.

4. При исследовании влияния тепловых техногенных воздействий на свойства грунтов применен новый подход, заключающийся в сочетании моделирования теплового режима грунтов, натурных замеров температуры в скважинах и исследованиях структуры грунтов, их физических, физико-химических и физико-механических свойств.

Защищаемые положения. Результаты исследований сформулированы в виде следующих защищаемых положений:

1. Разработана комплексная методика оценки техногенных воздействий (тепловых, гидродинамических, химических и физико-химических) на состав, структуру, состояние и свойства грунтов в пределах отдельных участков изысканий, позволяющая с помощью ГИС-технологий производить подсчет и оценку количественных параметров техногенных нагрузок с последующим установлением зависимостей между ними и показателями свойств грунтов;

2. Установлены закономерности влияния техногенного гипергенеза на свойства грунтов, заключающиеся в том, что высокая техногенная нагрузка на городские территории активизирует гипергенные процессы и поддерживает высокую скорость их протекания, приводя к радикальным изменениям в составе, структуре и свойствах грунтов. Данный факт объясняется преобразованием химико-минерального состава грунтов и формированием новых или разрушением старых структурных связей между минеральными частицами. Эти изменения необходимо учитывать при инженерно-геологических изысканиях и прогнозах;

3. Установлена закономерность формирования техногенных полей влажности грунтовых толщ, заключающаяся в том, что техногенное нарушение поверхности участка изменяет природный характер и интенсивность влаго-теплообмена между грунтовой толщей и атмосферой. Это приводит к увеличению амплитуды и мощности слоя сезонных колебаний влажности, активизации процессов выветривания и последующему изменению свойств грунтов;

4. Установлено, что вокруг подземных тепловых коммуникаций (теплотрасс) образуется область, в которой происходит необратимое ухудшение показателей физико-механических свойств грунтов, обусловленное резкими сезонными и внесезонными колебаниями влажности и температуры грунтов и изменением их структуры. Размеры этой области и степень изменения свойств грунтов прямо пропорциональны мощности теплотрассы.

Практическое значение работы. Результаты исследований внедрены в практику инженерно-геологических изысканий, проводимых автором в ОАО «Стройпроект». Отчеты об изысканиях содержат данные о техногенных изменениях свойств грунтов и рекомендации по уменьшению техногенных нагрузок на грунты. Эти материалы прошли экспертизу в Геонадзоре г. Москвы и используются для проектирования и строительства на территории города. Разработанная методика позволяет на этапе составления программы изысканий прогнозировать места распространения грунтов с техногенными изменениями свойств. В дальнейшем она дает возможность обоснованно выделять слои или инженерно-геологические элементы техногенных грунтов, измененных в условиях естественного залегания, как того требует п. 9 СП 11−105−97, ч. III.

Апробация работы. Основные положения и выводы работы были изложены в 11 публикациях (одна из которых находится в печати) в сборниках трудов научных конференций и в периодических изданиях. Результаты исследований докладывались на международной научной конференции МГУ «Петрогенетические, историко-геологические и пространственные вопросы в инженерной геологии» (2002 г.), годичных сессиях Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии (3-е и 4-е Сергеевские чтения, 2001, 2002 гг.), молодежной научной конференции «2-е Яншинские чтениясовременные вопросы геологии» (2002 г.), международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2002».

Выводы к главе 6.

Результаты исследований техногенных тепловых воздействий свидетельствуют о значительном влиянии тепловых сетей на структуру и свойства грунтов, что позволяет сделать следующие выводы:

1. Грунтовые толщи в пределах урбанизированных территорий характеризуются сложным температурным режимом, который зависит от различных техногенных факторов.

2. Вокруг теплотрасс образуются области грунтов с измененным температурным режимом. Размеры областей зависят от величины тепловых потерь теплотрасс и их конструктивных особенностей.

3. При постоянном повторении циклов сильного замачивания и высушивания в них происходят существенные необратимые изменения в структуре и свойствах. Это выражается в увеличении вклада в общую пористость наименее устойчивых крупных межмикроагрегатных пор и ухудшении физико-механических свойств грунтов.

4. Вокруг теплотрасс происходят значительные сезонные изменения свойств грунтов и на городских территориях могут реализовываться две основные схемы теплового техногенного воздействия на моренные грунты. В открытой системе, то есть при возможности свободного испарения поровой влаги и инфильтрации, происходят сезонные изменения влажности и прочности грунтов. В закрытой системе, при отсутствии свободного испарения поровой влаги из нагреваемых грунтов (например при наличии асфальтовых покрытий, насыпей и т. д.) происходит постоянное повышение влажности, снижение прочности и величины сцепления грунтов.

На основании изложенного можно сформулировать четвертое защищаемое положение:

Установлено, что вокруг подземных тепловых коммуникаций (теплотрасс) образуется область, в которой происходит необратимое ухудшение показателей физико-механических свойств грунтов, обусловленное резкими сезонными и внесезонными колебаниями влажности и температуры грунтов и изменением их структуры. Размеры этой области и степень изменения свойств грунтов прямо пропорциональны мощности теплотрассы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

На основании проделанной работы можно сделать следующие выводы:

1. Выявлены основные источники техногенных воздействий в пределах жилой городской застройки и разработана комплексная методика оценки техногенных воздействий (таких как тепловые, гидродинамические, химические и физико-химические воздействия) на состав, структуру и свойства грунтов с помощью ГИС-технологий.

Предлагается использовать следующие основные параметры техногенной нагрузки для районов жилой городской застройки: а) нагрузку от водонесущих коммуникаций на участок (Еком, л/м) — б) тепловую нагрузку на участок (QT, ккал/м2-час) — в) доля техногенного нарушения поверхности участка (STOb, %) — г) экранирование грунтовой толщи на участке (S3Kp, %).

Для анализа природных и техногенных полей влажности предлагается использовать графики изменения степени влажности грунтов относительно среднего значения (Sr.- Sr).

Предложенная методика базируется на использовании ГИС-технологий и опробована при инженерно-геологических изысканиях на ряде объектов г. Москвы, она основана на современных научных представлениях и обеспечивает точность, достоверность и надежность получаемых результатов оценки техногенных воздействий.

2. Установлены закономерности изменений в химико-минеральном составе грунтов в процессе техногенного гипергенеза. Техногенный гипергенез, как результат комплекса природных и техногенных воздействий, обладает большим потенциалом влияния на химико-минеральный состав ледниковых моренных отложений.

В ледниковых отложениях, на основании изучения химико-минерального состава, выделены три основные группы соединений по характеру их устойчивости к различным природным и техногенным воздействиям: а. устойчивые (SiC>2, ТЮ2, А120з) — б. неустойчивые (БегОз, FeO, CaO, СО2, МпО) — в. второстепенные (К2О, MgO, Na20, Р2О5).

Эти химические соединения входят в состав породообразующих минералов и являются индикаторами процессов техногенного гипергенеза.

Изменения химико-минерального состава моренных грунтов при техногенном гипергенезе происходят за короткий период времени, соизмеримый со сроком службы сооружения. Это проявляется, главным образом, в выщелачивании карбонатов и в перераспределении оксидов железа в грунтах, что приводит к перестройке структуры грунтов, разрушению существующих структурных связей между минеральными частицами или к формированию новых, вследствие чего меняются и свойства грунтов.

3. Количественный учет и оценка влияния городских сооружений и коммуникаций на процессы подтопления и формирование полей влажности показали, что: а. состояние поверхности участка в значительной степени определяет формирование полей влажности посредством изменения характера влагообмена и теплообмена между атмосферой и грунтовой толщей, что приводит к сезонным изменениям свойств грунтов. б. на участках с техногенными изменениями наблюдается большая амплитуда сезонных и внесезонных колебаний влажности, в связи с чем увеличивается мощность слоя, в котором происходят активные процессы выветривания грунтов и ухудшения их свойств. в. на урбанизированных территориях в грунтовых толщах формируются техногенные поля влажности, значительно отличающиеся от природных и зависящие от характера и интенсивности техногенных воздействий.

Использование комплексной методики оценки техногенных воздействий и установленные с ее помощью закономерности позволяют проводить прогнозную оценку формирования техногенных полей влажности при строительном освоении территории.

4. Результаты исследований техногенных тепловых воздействий позволили сделать вывод о том, что грунтовые толщи в пределах урбанизированных территорий характеризуются сложным температурным режимом, который зависит от различных техногенных факторов. Основными источниками тепловых техногенных воздействий в районах жилой городской застройки являются теплотрассы. Вокруг теплотрасс образуются области грунтов с измененным температурным режимом, а размеры областей зависят от величины тепловых потерь теплотрасс. На городских территориях могут реализовываться несколько схем теплового техногенного воздействия на глинистые грунты: