CC BY
25
УДК 624.131.4
Р.Э.ДАШКО, Л.П.НОРОВА
Санкт-Петербургский горный институт
ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ И ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ФАКТОРОВ НА УСТОЙЧИВОСТЬ ГРАЖДАНСКИХ И ПРОМЫШЛЕННЫХ СООРУЖЕНИЙ
Анализируются статистические данные о причинах перехода зданий и сооружений в аварийное и предаварийное состояние. В более 60 % случаев потеря устойчивости сооружений наблюдается в результате активизации различных факторов, действующих в период эксплуатации зданий. Приведены результаты экспериментальных исследований, показывающих негативное преобразование песчано-глинистых грунтов под воздействием канализационных стоков и активизации микробной деятельности. Приведены эмпирические зависимости изменения коэффициента фильтрации песков и прочности глинистых грунтов при увеличении бактериальной массы. Проанализирована роль органических загрязнителей в изменении окислительно-восстановительных условий в подземном пространстве города. Дана рекомендация необходимости учета технологии промышленного производства в практике инженерных изысканий.
The paper is devoted to the analysis of statistical data and technical reasons of transition of buildings and structures to unserviceable or dangerous to use state; the latter in 60 per cent cases beeing due to different factors within the service life of each of them. The experiments carried out indicate negative transformation of sandy - and - clayey soil the influence of effluent sewage and microbes, empirical sand filtration coefficient - clayey soil strength relation at increase of bacterial mass is shown, the role of organic pollutants analysed and recommentation with regard to technology of industrial production given.
Участившиеся случаи перехода зданий и сооружений в аварийное и предаварийное состояние в условиях северо-западного региона, в том числе и в Санкт-Петербурге, вызывают серьезную обеспокоенность проектировщиков, строителей, работников службы эксплуатации, а также изыскателей. Реставрация зданий, либо их ремонт требуют материальных средств, часто сопоставимых с капитальными затратами.
Анализ причин возникновения аварийных ситуаций в строительстве обычно связывают с ошибками при проведении изысканий, недостаточно продуманным проектом, неправильной организацией работ по возведению фундаментов и выбором глубины их заложения [6]. Однако, не отрицая возможности влияния недостатков при изысканиях, проектировании и строительстве, необходимо обратить особое внимание на период эксплуатации зданий, во время кото-144
рого происходят необратимые изменения в основании сооружений за счет явных и скрытых источников подтопления, в том числе утечек из различных инженерных коммуникаций: водопроводных сетей, теплоцентралей и особенно систем водоотведе-ния канализационной и дренажно-ливневой. Утечки из канализационной системы кардинально преобразуют окислительно-восстановительные и биохимические условия в толще грунтов основания, причем такие изменения носят негативный характер, способствуя разрушению структурных связей цементационного характера, повышению дисперсности грунтов и их гидро-фильности, снижению прочности и величины модуля общей деформации. Подобные трансформации песчано-глинистых грунтов резко понижают их несущую способность и вызывают рост дополнительных и неравномерных осадок, во многих случаях превы-
шающих по своим значениям предельно допустимые величины для зданий с определенными конструктивными схемами.
В научно-исследовательской лаборатории геотехники НИИПромстроя (г. Уфа) был выполнен анализ причин аварийных деформаций более чем на 100 объектах не только в Башкортостане, но и других регионах по 112 критериям. При этом были установлены определенные закономерности развития аварийного состояния сооружений [4, 5].
Причинами неудовлетворительного производства изысканий, проектирования и строительства нулевого цикла объяснено 29-37 % случаев перехода зданий в аварийное состояние в зависимости от региональной принадлежности объекта исследований, в том числе за счет недостатков изысканий -6-7 %, ошибок при проектировании - 19 %, низкого качества работ при устройстве оснований и фундаментов -3-12 %.
Однако 63-71 % случаев перехода сооружений в аварийное состояние определяется факторами, действующими в период эксплуатации объектов. Негативное влияние на грунты, основания и фундаменты в этот период оказывают такие эксплуатационные факторы, как утечки из коммуникаций, вызывающие повышение уровня подземных вод, температурные и динамические воздействия, развитие других нежелательных процессов [4, 5].
В результате аналитической обработки материалов, выполненной в НИИПром-строе, выявилась определенная тенденция в варьировании сроков безаварийной эксплуатации зданий. Для первого случая (недостатки и ошибки при изысканиях, проектировании и низком качестве работ нулевого цикла) переход зданий в аварийное состояние происходит в среднем через 12 лет. Во втором случае (отрицательное воздействие эксплуатационных факторов) среднее время до возникновения аварийной ситуации составляет несколько больше 21 года.
Вместе с тем, практика эксплуатации различных типов гражданских и промышленных зданий в условиях интенсивных утечек из систем водоотведения и воздействия промышленных стоков в условиях
Северо-Западного региона показала, что развитие опасных деформаций, переводящих здания в аварийное состояние может происходить и за более короткий период-менее 5-8 лет.
Исследования, выполненные в Санкт-Петербургском горном институте, дали возможность установить определенную закономерность негативного преобразования песчано-глинистых грунтов при воздействии различных компонентов-загрязнителей [1, 2, 7]. По активности влияния на указанные грунты в первом ряду находятся хозяй-ственно-бытовые стоки систем водоотведения и свалок ТБО, что определяется особенностями их состава и свойств: а) наличием взвешенного материала биогенной и абиогенной природы; б) содержанием органических соединений (белки, липиды, углеводы и др.); в) присутствием бактерий различных физиологических групп, микроскопических грибов, микроводорослей, актиномицетов, вирусов и др. Следует отметить, что на органическую составляющую канализационных стоков (КС) приходится 58 %, а на минеральную - только 42 %.
Тонкодисперсные взвеси наиболее активно воздействуют на песчаные отложения, поскольку наблюдаются процессы их механического и биологического поглощения, приводящие к образованию коллоидно-глинистых рубашек, а также биопленок на зернах песка. Развитие таких процессов приводит к резкому снижению проницаемости и угла внутреннего трения. В свою очередь, подобное изменение фильтрационной способности песков вызывает формирование застойного гидродинамического режима водоносных горизонтов, в условиях которого при наличии большого количества питательных и энергетических субстратов обычно наблюдается активизация микробиологической деятельности. При этом живые и мертвые клетки микроорганизмов, а также продукты их метаболизма могут не только сорбироваться на дисперсных частицах, но и заполнять поровое пространство, снижая коэффициент фильтрации до значений, сопоставимых с величинами параметра глинистых грунтов (Ю'МО"4 м/сут). По результа-
там экспериментальных исследований была выведена эмпирическая формула, определяющая характер снижения коэффициента фильтрации песков в зависимости от бактериальной массы (БМ)
Я(БМ),= Ктах(БМтш)ехр[-а(-^-1)],
БМтт
где ^(БМ), коэффициент фильтрации на момент времени Г при накоплении бактериальной массы до величины БМ,; А"тах(БМтш) - коэффициент фильтрации на начальном этапе при минимальном фиксированном содержании БМтт; а - эмпирический коэффициент для средне- и мелкозернистых песков, а = 0,5.
Снижение коэффициента фильтрации и соответственно водоотдачи песков переводит их в состояние плывунов вне зависимости от гранулометрического состава. Наибольшей подвижностью, как показали наши исследования в пределах Санкт-Петербурга, обладают пески, где наряду с ростом биомассы происходит генерация и накопление малорастворимых газов (метана и азота). В этом случае пески ведут себя как газонасыщенная тяжелая жидкость.
При загрязнении канализационными стоками глинистых грунтов принципиальное значение имеет формирование восстановительной обстановки в подземной среде, в условиях которой наблюдается редукция железа, приводящая к разрушению цементационных связей за счет соединений трехвалентного железа. Появление в грунтах Бе2+ способствует диспергации агрегатов и соответственно повышению содержания глинистых частиц в грунтах. Степень их дисперсности повышается также за счет физико-химического поглощения КНд+ как одного из основных катионов канализационных стоков в восстановительных условиях. Как известно, этот ион обладает ярко выраженной диспергирующей способностью, а также способствует разрушению структуры по-
Величина бактериальной массы определялась по значению микробного белка с использованием метода Бредфорда [3].
146 -
ровои воды, повышая ишенсивносхь ее трансляционного движения. Дополнительная сорбция клеток микроорганизмов и продуктов их жизнедеятельности на глинистых и пылеватых частицах приводит к падению прочности грунтов за достаточно короткий период времени. Тенденция такого изменения прочности озерно-ледниковых отложений во времени и величины накопления бактериальной массы (БМ) может быть аппроксимирована эмпирическим уравнением экспоненциального вида:
т(0 = Лт0ехр[-а(БМ, - БМ0)] ±
± 0,004 МПа (при г = 0,95),
где то - прочность грунта на начальном этапе при фиксированном содержании БМо; т(0~ прочность на момент времени ^ при накоплении бактериальной массы до значения БМГ; а - эмпирический коэффициент, зависящий от окислительно-восстановительных условий и изменяющийся в нашем случае от 0,002 (восстановительная зона) до 0,04 (окислительная зона); А - эмпирический коэффициент, учитывающий изменение состава грунтов.
Воздействие КС переводит грунты из ненабухающих разностей в набухающие. Так, например, образцы морены (суглинок пылеватый) не набухали в дисциллирован-ной воде, а в КС величина их свободного набухания составила более 12 %. Кроме того, наблюдается значительная интенсификация рассматриваемого процесса в набухающих глинах. При этом их прочность снижается в пять и более раз. Результаты были получены при исследовании преобразования нижнекембрийских синих глин в КС.
Особое место среди загрязнителей, активно влияющих на песчано-глинистые грунты, занимают нефтепродукты, которые в основном относятся к аполярным соединениям. Следовательно, их сорбция в условиях полного водонасыщения грунтов практически исключается. Вместе с тем, при относительно небольшом водонасыщении дисперсные породы связывают так называемое «остаточное» количество аполярных нефтепродуктов в форме жидкой фазы. При содержании нефтяных углеводородов, пре-
вышающем остаточное, изоыток его вытесняется водой в зону аэрации. Установлено, что при наличии микробных сообществ поступление нефтепродуктов в количестве не более 100 мг/л приводит к активизации биохимических процессов, что вызывает деструкцию нефтепродуктов. Как известно, микробиологической деструкции подвергаются практически все виды органического вещества - от низкомолекулярных до сложных полимерных соединений, кроме Се. При биохимическом разложении органических веществ с одной стороны наблюдается процесс самоочищения подземной среды, а с другой - интенсивность деятельности микроорганизмов при полном цикле микробного разложения нефтепродуктов приводит к накоплению бактериальной массы и повышению степени газонасыщения песчано-глинистых грунтов. Появление газовой составляющей в поровой воде вызывает замедление процесса консолидации грунтов, либо прослеживается их реконсолидация, приводящая к развитию дополнительных и неравномерных осадок. Особенно активно микрорганизмы утилизируют соляровое масло, структура которого близка к структуре растительной органики.
Загрязнение нефтепродуктами подземной среды в процессе эксплуатации сооружений наблюдается повсеместно как в пределах городских агломераций, так и промышленных регионов. Сочетание загрязнения канализационными стоками и нефтепродуктами водонасыщенных песчано-глинистых грунтов в основании объектов усиливает эффект их постепенного ослабления, что сопровождается негативными последствиями для эксплуатируемых зданий и сооружений.
Следует также отметить, что загрязнение грунтов органическими компонентами, которое обычно приводит к формированию бескислородной среды и активизации микробиологической деятельности, способствует не только снижению несущей способности песчано-глинистых грунтов, но и усиливает коррозию строительных материалов подземных конструкций зданий, ускоряющей их переход в аварийное состояние. Рост
микроонои массы и скорость протекания биохимических процессов, в первую очередь газогенерации, во многом зависят от температуры. Основные физиологические группы микроорганизмов относятся к мезо-фильным сообществам, активная деятельность которых реализуется при оптимальных температурах 30-35 °С. Повышение температуры в подземном пространстве города за счет тепловыделяющих подземных коммуникаций и сооружений также способствует накоплению бактериальной массы и повышению газонасыщенности грунтов.
Соответственно, уже на стадии инженерно-геологических изысканий необходимо выполнить предварительный прогноз изменений грунтов и строительных материалов за счет комплекса основных природных и техногенных факторов, негативно воздействующих на все компоненты подземной среды. При этом особое внимание должно быть обращено на технологические аспекты эксплуатации проектируемых сооружений, а также на характер использования территории предстоящей застройки в историческом плане.
Комплексные исследования, проведенные в Санкт-Петербургском горном институте, дали возможность получить сравнительную оценку преобразования грунтов и развития негативных процессов в подземном пространстве при различном времени воздействия источников загрязнения. Величины бактериальной массы грунтов одного и того же генезиса, гранулометрического состава, а также физического состояния оказались в 1,5-3 раза выше на участках длительного загрязнения (более 200 лет) по сравнению с зонами застройки 30-х годов XX в.
Особое внимание следует уделить участкам с погребенными болотами, деятельность которых на подстилающие фунты обычно проявляется за счет привнесения болотной микрофлоры и органических веществ в молекулярной форме, а также в виде тонких взвесей. Даже при отсутствии загрязнения в толще песчано-глинистых грунтов под болотными образованиями фиксируется восстановительная среда - значения
окислй1сльно-восс1.анивИ1ельни] о пшен-циала опускаются ниже минус 120 мВ. Загрязнение подземной среды компонентами, которые служат питательным и энергетическим субстратом для микроорганизмов, обычно вызывает обогащение биоценозов, усиление их деятельности и интенсификацию биохимических, химических и физико-химических процессов в толще грунтов.
Технология промышленного производства каждого предприятия определяет уровень потребления воды в сутки и дополнительное поступление стоков в подземную среду, которое прямо пропорционально расходу воды. Предприятия целлюлозной, энергетической, металлургической, химической, нефтехимической промышленности, а также горно-обогатительных комбинатов относятся к объектам с наибольшим потреблением и соответственно сбросом промышленных вод. Предприятия текстильной и пищевой промышленности, а также производство строительных материалов, элеваторы и мукомольные заводы характеризуются значительно более низким водопотреблением.
Наиболее сложный состав промышленных стоков отмечается на предприятиях нефтехимической промышленности и горно-обогатительных фабриках. Стоки этих предприятий оказывают активное воздействие на подземные воды грунты, в том числе биохимическое, физико-химическое и химическое. Высокая степень активизации микробиологической деятельности наблюдается в подземной среде предприятий пищевой промышленности, кожевенного производства и др. где вырабатываются, либо используются органические компоненты, наиболее легко утилизируемые микроорганизмами.
На химических предприятиях преобладают кислотно-щелочные стоки, для метал-
лургических заводов характерными являются утечки серной кислоты. Кислоты и щелочи в зависимости от их концентрации оказывают значительное физико-химическое и химическое влияние на глинистые породы.
Закономерности техногенной трансформации грунтов в каждом случае должны изучаться индивидуально путем создания условий, адекватных или близких к той реальной обстановке, которая прогнозируется для эксплуатационного периода работы сооружений конкретного технологического профиля.
ЛИТЕРАТУРА
1. Дашко Р. Э. Геотехнические последствия загрязнения подземной гидросферы мегаполисов (на примере Санкт-Петербурга) /Л.П.Норова, Е.С.Руденко // Экологические проблемы гидрогеологии. Восьмые Толстихин-ские чтения: Материалы научно-методической конференции; СПГГИ. СПб, 1999. С.64-69.
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.72-78.
3. Количественный учет влияния жизнедеятельности микроорганизмов на физико-механические свойства оглееных пород: Метод, указания / В.М.Кнатько, Т.Н. Нижарадзе, Е.А.Пушнова, М.А.Трибулкина; Л.: Изд-во ЛГУ, 1988. 25 с.
4. Мулюков Э.И. Классификация причин отказов оснований и фундаментов / Основания, фундаменты и механика грунтов. 1995. N° 3. С.28-30.
5. Мулюков Э.И. Причины отказов оснований и фундаментов: классификация и ее практическое использование // Усиление оснований и фундаментов существующих зданий. Уфа, 1990. С.3-24.
6. ТСН 50-302-96. Санкт-Петербург. Устройство фундаментов гражданских зданий и сооружений в Санкт-Петербурге и на территориях, административно подчиненных Санкт-Петербургу / Б.И.Далматов, Н.Н.Морарескул. В.П.Вершинин, С.Н.Сотников и др. Администрация Санкт-Петербурга. Санкт-Петербург. 1997. 96 с.
7. Dashko R. Physical-chemical and biochemical indicators for geoecological assessment of underground space (on the example of St. Petersburg) /L.Norova, E.Rudenko / Workshop in Vilnius, Lithuania, 11-16 October, 1999. P.9-12.
148 -
ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.153
