CC BY
55
род и объемом свободного пустотного пространства высоки (табл. 2, рис. 7), так как первичного цемента очень мало, а поровое пространство в значительной степени формируется при подновлении растворением остаточных седиментогенных пор. Устанавливается высокая положительная корреляция коллекторских свойств песчаников как с размером, так и с объемом свободных пор, менее значима положительная корреляция с объемом пор, заполненных битумом.
Таким образом, влияние вещественных и структурных характеристик пород в значительной мере отражается на проницаемости и на пористости изученных песчаных пород. Анализ взаимозависимостей проницаемости с параметрами гранулометрического и вещественного состава по пласту Ю^ в
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Черников О.А. Комплекс методов количественного изучения песчано-алевритовых пород в связи с оценкой их коллекторских свойств // Литологические исследования пород-коллекторов в связи с разведкой и разработкой нефтяных месторождений. -М.: Наука, 1970. - С. 26-48.
целом показывает, что коллекторы относительно однородны по составу, строению и степени вторичных преобразований. Несмотря на то, что в ряде случаев разброс индивидуальных точек значителен, статистические связи между основными параметрами гранулометрического и вещественного состава с фильтрационно-емкостными параметрами в целом довольно высоки. Физические параметры пород-коллекторов и теснота корреляционных связей определяются гранулометрическим и минералогическим составом терригенной части, степенью отсор-тированности обломочного материала, количеством и типом цемента, степенью уплотненности пород, типом межзерновых контактов, а также структурой, размером и объемом порового пространства.
2. Тектоническая карта фундамента Западно-Сибирской плиты масштаба 1:2500000 / Под ред. В.С. Суркова. — Новосибирск: СНИИГГиМС, 1981.
УДК 624.131
ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДИКИ ИЗУЧЕНИЯ ДЕФОРМАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ТОРФА С УЧЕТОМ ИЗМЕНЕНИЯ СТЕПЕНИ ЕГО РАЗЛОЖЕНИЯ
Т.Я. Емельянова, В.В. Крамаренко
Томский политехнический университет E-mail: [email protected]
Приведены сравнительные результаты изучения процесса разложения торфа в естественных условиях и при его хранении. Изучено влияние микрофлоры на скорость разложения торфов различных видов. Обосновывается выбор методик компрессионных и фильтрационных опытов в зависимости от изменения степени разложения торфа в процессе его хранения.
Скорость разложения торфа в естественных условиях зависит от микробиологических процессов, происходящих в залежи, видового состава расте-ний-торфообразователей и внешних условий - температуры, обводненности массива и целого ряда других факторов. В неосушенной залежи распад органических остатков происходит медленно. Знание того, как протекают процессы разложения торфа, имеет большое значение при выборе методик проведения лабораторных исследований и хранения образцов. Согласно рекомендациям, изложенным в работе [1], срок хранения образцов торфа не должен превышать 3-х мес., и компрессионные испытания образца должны проводится вслед за отбором проб, пока не претерпели изменения их естественные свойства - структура, пористость, влажность.
При визуальном сравнении образцов торфа на месте отбора из болотных массивов с образцами,
хранившимися в течение года в помещении, нами было выявлено, что в последних произошли существенные внешние изменения. Хранившийся в помещении торф приобрел более темную окраску, стал менее упругим, при растирании оставлял следы на руках. По-видимому, изменился состав торфа из-за распада органических остатков. В Сибирском научно-исследовательском институте торфа СО РАСХН по заказу лаборатории технологических исследований была определена степень разложения образцов, отобранных в сентябре 1995 г. на торфоместорожде-нии "Согра" Колпашевского района Томской области и хранившихся год в помещении при комнатной температуре от 18 до 28 °С. Результаты исследований показали, что степень разложения древесно-осокового торфа увеличилась от 20...25 до 35 %.
Все это побудило авторов провести анализ имеющихся результатов по изучению процесса разложения
торфа в различных обстановках, что важно для выбора методик лабораторных анализов, так как многие его свойства тесно связаны со степенью разложения.
С целью изучения микрофлоры, как фактора разложения торфа при хранении в навалах и при заводнении выработанных торфяников, Н.А. Котом и ТА. Рахубо проведен ряд опытов [2-4], результаты которых обобщены нами в таблице. Исследования группового состава микроорганизмов и их численности при длительном хранении сырого торфа (тростникового и осокового) [2] показали, что вследствие более оптимальных условий аэрации количество микроорганизмов в навале высотой 1,5 м значительно выше, чем в 10-ти см приповерхностном слое залежи (влажность и температура менялись незначительно). Особенно активно микрофлора развивается в первые месяцы хранения в верхнем полуметровом слое навала при изменении условий аэрации. При плотном сложении внутри торфа бактериальные процессы развиты слабо из-за низких содержаний О2 и высоких СО2 [2].
Для анализа микрофлоры Н.А. Кот и ТА. Рахубо использовали "методику разведения почвенных суспензий в элективных средах. Учитывали: аммонифицирующие бактерии-аэробы - на мясо-пептонном агаре, споровые бактерии из пастеризированной почвенной суспензии - на смеси равных объемов мясо-пептонного и сусло-агара, бактерии, усваивающие минеральные формы азота при органическом источнике углерода, актиномицеты - на крахмалоаммиачном агаре, нитрифицирующие бактерии - на голодном агаре с аммонийно-магниевыми солями, олигонитрофилы - на среде Эшби, плесневые грибы - на подкисленном сусло-агаре, денитрифицирующие бактерии - на жидкой среде Гильтая" [2. С. 34].
Результаты опытов показали, что за год хранения торфа в навале количество микроорганизмов некоторых групп увеличивается в 3...5 раз, а для отдельных из них - на порядок по сравнению с торфом в естественном состоянии (таблица). Преобладают аммонифицирующие бактерии, которые начинают процесс разложения органического азота, олигонитрофильные микроорганизмы и микробы, усваивающие минеральный азот при органическом источнике углерода. Количество бактерий этих трех групп в навале значительно увеличено. Неспорообразующие аммонифицирующие бактерии участвуют в разрушении доступных форм органического вещества в торфах, а спорообразующие вступают в процесс на более поздних стадиях. В верхних слоях навала их количество достигает 250 тыс. на 1 г торфа, что свидетельствует об интенсивном распаде здесь органического вещества.
Что касается нитрификаторов, деятельность которых связана с окислением аммиачных форм азота в нитритные и нитратные, то их количество обусловлено интенсивностью аммонификации -чем больше нитрификаторов, тем меньше аммони-фикаторов. Нитрификация в сильноразложившем-ся торфе протекает медленнее (тростниковый
торф), чем в среднеразложившемся и более богатом минеральным питанием (осоковый торф). Бактерий денитрификаторов, вызывающих разрушение азотнокислых солей с выделением газообразного азота, также значительно больше в навале [2].
Результаты анализа торфа, хранившегося один год в водонасыщенном состоянии в помещении, показали следующее [3]. Фускум и комплексный верховой торф значительно богаче микроорганизмами, чем ангустифолиум и особенно магеллани-кум. В последнем аммонификаторов в 3.5 раз меньше, чем в ангустифолиум-торфе и в 12.15, чем в фускум и комплексном верховом. Бактерий маслянокислого брожения, образующих газы, в комплексном и фускум-торфе в сотни раз больше, чем в магелланикум и ангустифолиум-торфе. Однако в них обнаружены газообразующие микроорганизмы, развивающиеся за счет разрушения белков и углеводов. Верховые затопленные торфа значительно беднее микрорганизмами, чем затопленные низинные. Так, в осоково-гипновом торфе аммонификаторов и олигонитрофилов в 7.9 раз больше, нежели в верховых торфах. В тростниковом торфе с глубины 0,5 м количество этих бактерий близко к содержанию их в верховых видах ан-густифолиум и фускум-торфа (таблица).
При хранении образцов низинного осокового торфа в помещениях в водонасыщенном состоянии значительно увеличилось количество бактерий аммонификаторов, олигонитрофилов и усваивающих минеральный азот микоорганизмов. Споровых бактерий стало примерно в 5.9 раз больше, чем при хранении в навалах, число маслянокислых бактерий в обводненном торфе возросло более чем в 16 раз по сравнению с торфом в залежи и более чем в 5 раз по сравнению с торфом после года хранения в навалах.
Таким образом, имеет место быстрое разложение торфа при его хранении в навалах и в лабораторных условиях. Необходимо отметить, что изменение состава торфа может быть связано не только с увеличением степени его разложения, но и с исчезновением быстроразлагающихся растений-тор-фообразователей и поэтому возможны даже изменения видового состава торфа.
Одной из причин роста количества микроорганизмов, разлагающих органику, является механическое разрушение растительных остатков торфа. При фрезеровании торфа и при отборе его образцов на срезах волокон появляются дополнительные площади для развития микроорганизмов.
Эти процессы нельзя не учитывать при хранении и водонасыщении образцов, а также при проведении долговременных опытов. У всех видов торфа скорость разложения в лабораторных условиях разная, но, тем не менее, обычно не удается сохранить количественный и качественный состав микрофлоры, близкий к ее составу в торфах естественном залегании. Особенно характерно это для торфов слабой и средней степени разложения, способ-
ных к дальнейшему быстрому распаду. Максимальный рост количества микроорганизмов в торфах наблюдается в первые месяцы их хранения, с увеличением степени разложения он уменьшается. Как в естественном, так и в нарушенном состоянии наиболее подвержен разложению верхний (10 см) слой торфа, после 20.30 см глубины наблюдается некоторая относительная стабилизация количества микроорганизмов. В верховом затопленном торфе быстрее развиваются те микроорганизмы, которые разлагают белки и углеводы с выделением разнообразных продуктов метаболизма, вызывающих газообразование (метан, углекислый газ, сероводород) и всплывание торфа при обводнении. Из этого следует, что наиболее достоверны исследования деформационных и фильтрационных свойств торфов, проведенные в первые месяцы после отбора их проб. При длительном хранении торфа перед опытом следует убедится, что степень разложения
образца не отличается от исходной, в обратном случае необходимо снять верхний разложившийся слой торфа. Наименее устойчивыми к разложению являются осоковые, пушицевые и шейхцериевые виды малоразложившегося торфа, которые необходимо исследовать в первую очередь.
В торфе в нарушенном и в обводненном состоянии быстро развиваются маслянокислые бактерии, особенно в сфагновых его видах. При фильтрации в лабораторных условиях с предварительным водонасыщением образцов бактерии вызывают газообразование, и как следствие, кольматацию пор с занижением коэффициентов фильтрации в начале опыта. В таких случаях при замерах необходимо убедится, что расход фильтрата не увеличивается во времени, в противном случае коэффициент фильтрации следует рассчитывать по максимальному его расходу. Проводить долговременные фильтрационные опыты также нецелесообразно.
Таблица. Количество микроорганизмов в торфе — в залежах, в навале и при хранении водонасыщенных образцов торфа в помещении [2, 3]
Условия хранения (залегания) Глубина отбора проб, см Вид и степень разложения торфа, Ddpl % X Количество микроорганизмов тыс. на 1 г. абсолютно сухого вещества
ы б о т а ы то та к и ф X о 5 5 А Споровые бактерии Микроорганизмы, использующие минеральные формы азота ы л и ф о X 2 л О Грибы Нитрификаторы ы Ср от атк и ф ср ти X е |=:1 Маслянокислые бактерии
Бактерии Актиномицеты
В помещении, в обводненном состоянии 0...15 Магеллан и кум, 10 3,6 40,2 16,4 108,9 3,0 44,8 15,6 Н/д Н/д 2,4
15...30 Ангустифолиум, 10.15 3,4 200,0 8,2 387,4 10,0 243,9 1,6 Н/д Н/д 2,4
30.50 Ангустифолиум, 35.40 3,5 122,0 4,4 366,2 5,9 127,9 0,4 Н/д Н/д 6,7
0.15 Комплексный верховой, 15 3,5 620,8 85,0 698,1 34,9 909,4 9,1 Н/д Н/д 608,7
15.30 Фускум, 15 3,8 550,4 30,2 712,4 21,9 797,4 7,6 Н/д Н/д 320,5
0.15 Осоково-гипновый, 25 6,1 1853,4 403,4 2745,7 301,7 3943,9 2,8 Н/д Н/д 474,0
15.30 Осоковый с гипновыми мхами, 40 5,9 1876,1 393,6 2676,7 34,2 2076,9 2,0 Н/д Н/д 470,0
30.50 Тростниковый, 40 6,4 252,2 17,4 660,9 17,4 412,9 0,9 Н/д Н/д 60,9
В залежи 0.10 Тростниковый, 40 Н/д 585,0 40,0 797,0 220,0 991,0 0,6 0,5 221,0 8,0
30.50 94,7 6,4 83,9 10,5 158,0 0,3 0,6 19,1 5,1
В навале 0.10 Н/д 1965,0 180,0 2797,0 682,0 4971,0 20,0 1,0 405,0 405,0
30.50 1148,0 89,0 1070,0 320,0 2010,0 11,4 3,0 183,0 140,0
В залежи 0.10 Осоковый, 25.40 Н/д 123,0 0,4 294,0 50,0 208,0 0,2 4,3 7,0 1,7
30.50 167,0 6,4 264,0 42,8 812,0 0,6 2,2 22,7 30,0
В навале 0.10 Н/д 1345,0 4,6 203,0 116,0 2870,0 7,3 22,7 69,6 29,7
30.50 303,0 66,4 1021,0 623,0 2410,0 3,5 10,4 70,3 85,5
Примечание: Н/д — нет данных
Кроме того, газообразование также препятствует водонасыщению и, следовательно, влияет на показатели полной влагоемкости. Во избежание этого взвешивать образцы лучше всего после фильтрации, а водонасыщение проводить не более 1-2 сут.
Процессы разложения торфа происходят также при компрессионных испытаниях, длящихся 1-2 года. В работе П.А. Коновалова [5] особое внимание уделяется этим процессам и их влиянию на самоуплотнение заторфованных грунтов. Автор отмечает, что скорость разложения торфа особенно высока в течение первых трех-шести месяцев, причем в аэробных условиях (как в заторфованных песчаных, так и в глинистых грунтах), была выше на 10.20 %, чем в анаэробных. За 2 года в заторфованных глинистых и песчаных грунтах при аэробных условиях подверглось распаду соответственно 56 и 70 % органических веществ, а в анаэробных только 45 и 56 %. В дальнейшем скорость распада органических веществ снижается из-за образующихся органических кислот, значительно замедляющих этот процесс. П.А. Коновалов рекомендует учитывать добавочную пористость, образующуюся при разложении торфов, для прогноза осадки грунтов в результате их гумификации. М.П. Петровым и П.А. Костычевым [5] установлено, что оптимальная температура для активной жизнедеятельности большинства бактерий составляет 32.36 °С при влажности 60.80 % от полной вла-гоемкости. Однако, даже при температуре от -2 до -5 °С процесс разложения торфа продолжается.
Следовательно, если компрессионные испытания длятся 1-2 года при комнатной температуре то, образец торфа в итоге будет иметь другие степень разложения и физико-механические свойства, чем во время его отбора. По-видимому, процессы разложения органического вещества в значительной мере обусловливают длительность опыта. Учет этих процессов необходим при выборе методов проведения опытов, и поэтому оценка сжимаемости торфяных грунтов возможна только по результатам ускоренных испытаний. Существует несколько методов проведения этих компрессионных испытаний. Некоторые из них включают элементы длительных опытов, используемые для корректировки осадки торфа в ускоренный период опыта. Эти методы, на наш взгляд, не дают необходимой точности, так как осадка в длительный период опыта связана отчасти с разложением органической части торфа.
Таким образом, наиболее приемлемы ускоренные компрессионные испытания с применением экстраполяции консолидационных кривых. В работе [1] рекомендуется для сокращения времени испытания закончить опыт, когда экспериментальные точки консолидационной кривой, построенной в полулогарифмическом масштабе, укладываются на прямую. Далее указанную прямую экстраполируют до тех пор, пока интенсивность деформации будет не менее 0,02 мм/сут. Осадку, соответствующую моменту достижения этой интенсивности, принимают за конечную. Время (¡) достижения интенсивности осадки 0,02 мм/сут может быть рассчитано по формуле [1]:
/=0,43тД/0,02, где 0,43 - коэффициент перехода от десятичного логарифма к натуральному, тр - консолидацион-ный параметр, Н0 - начальная высота образца, мм, 0,02 мм/сут - заданная интенсивность осадки. Этот метод наиболее достоверен, так как консолидаци-онные кривые получены ускоренным способом и построены по опытным данным, поэтому именно он выбран нами для проведения анализа [6].
В естественных условиях разложение торфа происходит несравнимо медленнее. По нашим данным, температура торфа осушенной залежи в приповерхностном слое, где в основном и происходят процессы его разложения, летом редко превышает 5.10 °С, значительная обводненность и длительное промерзание залежей также отрицательно сказываются на росте количества микроорганизмов. Микрофлора активно развивается до глубины первых десятков см, а далее - торфяные воды, а следовательно, и торф почти стерильны [7]. Прирост торфа в Томской области составляет в среднем до 0,8 мм/год (в южной тайге) [8]. Верхний слой торфа постепенно перемещается из зоны активного разложения, перек-рываясь новыми образованиями, что замедляет процесс разложения органических остатков.
В итоге следует отметить, что учет скорости разложения торфа необходим при выборе методик изучения его механических свойств. На наш взгляд, для изучения деформационных свойств торфа оптимальнее применять ускоренные испытания с применением экстраполяции консолидационной кривой до заданной интенсивности осадки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пособие по проектированию земляного полотна автомобильных дорог на слабых грунтах (к СНиП 2.05.02-85). — М.: Стройиздат, 1989. —192 с.
2. Кот Н.А., Рахубо ТА. Микрофлора биологически активного торфа // Торфяная промышленность. — 1990. —№ 7. —С. 33—37.
3. Кот Н.А., Рахубо ТА. Микрофлора затопленного верхового торфа // Торфяная промышленность. —1981. — № 6. — C. 24—25.
4. Кот Н.А., Рахубо ТА. Микрофлора торфяных отвалов // Торфяная промышленность. — 1986. — № 3. — С. 15—17.
5. Коновалов П. А. Устройство фундаментов на заторфованных грунтах. — М.: Стройиздат, 1980. —160 с.
6. Емельянова ТЯ., Крамаренко В.В. Характеристика и прогнозирование деформационных свойств торфяных грунтов (на примере Томской области) // Геоэкология. —2004. —№ 3. —С. 251—256.
7. Шварцев С.Л. Гидрогеохимия зоны гипергенеза. — М.: Недра, 1998. —366 с.
8. Львов Ю.А. Болотные ресурсы // Природные ресурсы Томской области / Под ред. И.М. Гаджиева, А.А. Земцова. — Новосибирск: Наука, 1991. — 176 с.
