Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Техногенное изменение моренных грунтов в пределах жилой застройки г. Москвы

ВАК РФ 25.00.08, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Содержание диссертации, кандидата геолого-минералогических наук, Кошелев, Алексей Геннадиевич

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Современные представления о техногенных воздействиях на геологическую среду городских территорий.

1.1. Изученность состава, строения и свойств четвертичных ледниковых (моренных) отложений Московского региона.

1.1.1. История изучения четвертичных ледниковых (моренных) отложений Московского региона.

1.1.2. Изученность химико-минерального состава четвертичных ледниковых (моренных) отложений Московского региона.

1.2. Характер и особенности техногенных воздействий на территории крупных городов.

1.2.1. Особенности инженерно-геологического изучения ПТС крупных городов

1.2.2. Типизация техногенных воздействий.

1.2.3. Методы оценки и учета техногенных воздействий на городских территориях.

1.3. Физические техногенные воздействия.

1.3.1. Тепловые техногенные воздействия.

1.3.2. Гидродинамические техногенные воздействия.

1.4. Химические и физико-химические техногенные воздействия.

Выводы к главе 1 и постановка задач исследований.

Глава 2. Распространение и особенности строения ледниковых отложений г. Москвы.

2.1. Теплостанская возвышенность.

2.1.1. Моренно-эрозионная равнина и ее склон.

2.1.2. Флювиогляциальная равнина

2.2. Долины рек Москвы и Яузы.

2.2.1 Надпойменные террасы р. Яузы.

2.2.2. Третья надпойменная (Ходынская) терраса р. Москвы.

2.3. Смоленско-Московская возвышенность. Моренно-эрозионная равнина

2.4. Состав, структура и свойства моренных отложений.

2.4.1. Химико-минеральный состав.

2.4.2. Структурно-текстурные особенности.

2.4.3. Физические и физико-механические свойства.

Выводы к главе

Глава 3. Методика изучения техногенных изменений состава, структуры и свойств грунтов.

3.1. Методика количественной оценки техногенных воздействий.

3.1.1. Применение ГИС при исследованиях техногенных воздействий

3.1.2. Выбор координатно-привязанной пространственной информации для ГИС-проекта.

3.1.3. Способы разработки ГИС-проекта.

3.1.4. Определение параметров техногенной нагрузки.

3.1.5. Структура ГИС-проекта

3.1.6. Использование материалов.

3.2. Методы изучения изменения состава и структуры грунтов при техногенных воздействиях.

3.2.1. Методы изучения химико-минерального состава грунтов и обработки данных

3.2.2. Методы изучения структуры грунтов.

3.3. Методы изучения влияния гидродинамических техногенных воздействий.

3.3.1. Методы изучения процессов подтопления.

3.3.2 Методы анализа полей влажности.

3.4. Методы изучения техногенных тепловых воздействий

3.4.1. Изучение температурного режима грунтов.

3.4.2. Характеристика источников техногенных тепловых воздействий

3.4.3. Моделирование температурного режима и процессов теплопереноса в грунтах.

Выводы к главе

Глава 4. Влияние техногенного гипергенеза на химико-минеральный состав моренных отложений.

4.1. Закономерности поведения химических соединений в моренных грунтах при техногенном гипергенезе

4.2. Закономерности изменения химико-минерального состава грунтов при техногенном гипергенезе.

4.3. Влияние изменения химико-минерального состава на структуру и свойства грунтов.

Выводы к главе

Глава 5. Формирование техногенных полей влажности грунтовых толщ и изменение свойств глинистых грунтов.

5.1. Влияние сооружений и коммуникаций на процессы подтопления.

5.2. Взаимосвязь между состоянием поверхности участка и влажностным режимом грунтовой толщи.

5.2.1. Поля влажности грунтовых толщ в природных условиях.

5.2.2. Поля влажности грунтовых толщ на участках без почвенно-растительного покрова.

5.2.3. Поля влажности грунтовых толщ при экранировании поверхности участка.

5.3. Влияние состояния поверхности участка на процессы выветривания и ухудшение свойств грунтов.

5.4. Особенности формирования техногенных полей влажности вокруг подземных коммуникаций.

Выводы к главе 5.

Глава 6. Закономерности изменения структуры и свойств глинистых грунтов при техногенных тепловых воздействиях.

6.1. Изучение температурных аномалий грунтов.

6.2. Оценка влияния теплотрасс на температурный режим грунтов.

6.3. Влияние техногенных тепловых воздействий на структуру глинистых грунтов.

6.4. Влияние техногенных тепловых воздействий на свойства глинистых грунтов.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "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 чтения; современные вопросы геологии» (2002 г.), международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2002».

Заключение Диссертация по теме "Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение", Кошелев, Алексей Геннадиевич

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.

188

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:

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Кошелев, Алексей Геннадиевич, Москва

1. Агафонов В.К. Настоящее и прошлое земли. С.-Петербург.: Издание П. Луковни-кова, 1915.-533 с.

2. Алексеев А.О. и др. Формы железа в почвах сопряженных ландшафтов центрального Предкавказья // Литол. и полез, ископаемые. 1996. - № 1. - С. 12-22.

3. Алексеев М.Н. и др. Геологическая история города Москвы // Б юл. МОИП, отд. геол. 1998. - № 73. Вып. 1. - С. 3-11

4. Ананьев В.П. Техногенное воздействие на лессовые грунты // Мат. годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии. Сергеевские чтения. Вып. 3. М.: Изд-во ГЕОС, 2001. - С. 199-201.

5. Андреичева Л.Н. Основные морены Европейского Северо-востока России и их ли-тостратиграфическое значение. СПб.: Наука, 1992. - 123 с.

6. Андруз Дж., Бримблекумб П., Дикелз Т., Лисс П. Введение в химию окружающей среды. М.: Мир, 1999. - 271 с.

7. Анпилов В.Е. Влияние антропогенного фактора на обводнение грунтов в пределах промплощадок с «горячим» производством // Инженерная геология. 1981. - № 2. -С. 114-118.

8. Антонов С.И., Рычагов Г.И., Судакова Н.Г. К вопросу стратиграфии среднего плейстоцена Подмосковья // Вестн. Моск. Ун-та. Сер. 5. М.: 1995. №5. - С. 24-31.

9. Антыпко А.И. Основы дистанционного теплового мониторинга геологической среды городских агломераций. М.: Недра, 1992. - 150 с.

10. Балтрунас В.А. Многочленность строения особенность плейстоценовых морен Латвии // Лггасфера. - 1996. - № 5. - С. 58-63.

11. Бартош Т.Д. Геология и ресурсы пресноводных известковых отложений голоцена. Средняя полоса европейской части СССР. Рига: Изд-во «Зинатне», 1976. - 258 с.

12. Богословский В.А., Жигалин А.Д., Хмелевской В.К. Экологическая геофизика. -М.: Изд-во МГУ, 2000. 256 с.

13. Болотина И.Н., Болатбекова К.С. Микроорганизмы в процессах оглеения глинистых грунтов // Инженерная геология. 1985. - № 3. - С. 32-37.

14. Бондаренко A.M., Мамаева С.А. Опыт комплексного изучения подтопляемости г. Павлодара грунтовыми водами // Инженерная геология. 1987. - № 5. - С. 78-83.

15. Буров М.В. Проблемы взаимодействия современных зданий с исторической застройкой центра г. Москвы // Мат. молодежной конференции «2-е Яншинские чтения; современные вопросы геологии». М.: Научный мир, 2002. - С. 362-365.

16. Ведерников В.В. О прогнозе влажностного режима грунтов оснований при освоении территорий // Инженерная геология. 1990. - № 5. - С. 56-65.

17. Воробьева Л.А. Химический анализ почв. М.: Изд-во МГУ, 1998. - 272 с.19