Оценка и обеспечение геоэкологической устойчивости массивов твердых коммунальных отходов для строительно-хозяйственного освоения Савельев Алексей Александрович

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1. Анализ методов оценки состояния массивов коммунальных отходов и направлений хозяйственного освоения территорий их расположения 12

1.1. Генезис формирования массивов ТКО 13

1.2. Существующие методы исследования и оценки состояния техногенных массивов и их недостатки 21

1.3. Существующие методы управления территориями, нарушенными размещением твердых коммунальных отходов 27

ГЛАВА 2. Теоретические положения и методическое обеспечение, положенные в основу исследования 32

2.1. Объекты и методы исследования. 32

2.2. Подходы к оценке состояния массивов ТКО и аппарат обработки экспериментальных данных 36

2.3. Методы исследования объектов 44

ГЛАВА 3. Оценка состояния массивов коммунальных отходов как геоэкологической системы (птс) и потенциального основания 51

3.1. Предварительная оценка ОРО 52

3.2. Пофрагментная оценка массива 55

3.3 Критериальная оценка состояния фрагмента 62

ГЛАВА 4. Повышение устойчивости свалочных грунтов как потенциальных оснований для строительства 68

4.1. Изучение прочностных свойств свалочных грунтов в условиях трансформации их состава и структуры 69

4.2. Изучение влияния укрепляющих добавок на прочностные свойства свалочных грунтов . 71

ГЛАВА 5. Разработка и внедрение технологии укрепления свалочных грунтов 78

5.1. Технология укрепления поверхности массивов свалочных грунтов 78

5.2. Требования, предъявляемые к основаниям для различных объектов и направлений работ 81

5.3 Практическая реализация положений работы в условиях реконструкции полигона ТКО г.о. Новокуйбышевск 83

5.4. Технико-экономическая оценка технологии 87

Заключение 92

Список сокращений 94

Библиографический список

• Существующие методы исследования и оценки состояния техногенных массивов и их недостатки
• Подходы к оценке состояния массивов ТКО и аппарат обработки экспериментальных данных
• Критериальная оценка состояния фрагмента
• Изучение влияния укрепляющих добавок на прочностные свойства свалочных грунтов

Введение к работе

Актуальность темы исследования

Полигонное размещение твердых коммунальных отходов привело к формированию в ареалах крупных городов природно-техногенных систем. Занятые массивами твердых коммунальных отходов обширные территории нуждаются в восстановлении и освоении. Перспективным направлением подобного освоения выступает вовлечение нарушенных природно-техногенных систем в хозяйственное использование.

Дефицит свободных территорий в границах объектов размещения отходов, наличие геоэкологических обременений диктуют необходимость вовлечения в хозяйственный оборот участков, техногенно-сформированных геологическими элементами – свалочными грунтами. Строительство сооружений непосредственно на поверхности участков складирования отходов сопряжено с возможностью развития опасных техногенных процессов, нарушения сплошности свалочных тел, фильтрато- и газопроявлений. В этой связи, оценка территорий, сформированных твердыми коммунальными отходами, с целью разработки методов обеспечения геоэкологической устойчивости вновь возводимых конструкций и сооружений, должна предусматривать учет геоэкологических и геомеханических свойств свалочных грунтов.

Как правило, восстановление территорий, занятых объектами размещения отходов,
ограничивается изоляцией поверхности массивов коммунальных отходов, что снижает их
негативное воздействие на геосреду, но не позволяет вернуть территорию в хозяйственное
использование. В настоящее время оценка территорий, нарушенных размещением отходов,
сводится к выполнению комплекса инженерных изысканий, позволяющих оценить виды и
уровень негативного влияния массива отходов на компоненты геосреды. При этом
существующие методы оценки природно-техногенных систем, представленных

коммунальными отходами, не учитывают геомеханические и геоэкологические свойства свалочного грунта на выделенной стадии жизненного цикла объекта. Данное обстоятельство сдерживает возможность строительно-хозяйственного освоения территорий и затрудняет внедрение методов обеспечения геоэкологической устойчивости полигонов, как сооружений жилищно-коммунального хозяйства.

Таким образом, актуальной задачей является разработка методики оценки состояния природно-техногенных систем, сформированных массивами твердых коммунальных отходов, и методов обеспечения их геоэкологической устойчивости при строительно-хозяйственном освоении.

Тема диссертационной работы соответствует паспорту специальности 25.00.36 Геоэкология (строительство и ЖКХ), пункт 5.14.

Степень разработанности темы исследования. Большой вклад в развитие методов оценки и восстановления нарушенных территорий, техногенных ландшафтов, а так же методов обращения с ТКО внесли отечественные и зарубежные ученые: Д.Е. Быков, Я.И. Вайсман, М.В. Графкина, И.М. Евграфова, В.Н. Коротаев, А.Д. Потапов, Л.Б. Сватовская, М.Ю. Слесарев, К.Л. Чертес, Е.В. Щербина, В.Г. Офрихтер, К.Ф.Форстер, Д.А.Дж. Вейз.

Оценка состояния природно-техногенных систем, сформированных размещением твердых коммунальных отходов, связана с производством трудоемких и длительных инженерных изысканий. Сокращение затрат на выполнение проектно-изыскательских работ возможно путем использования современных методов оценки состояния свалочных массивов, таких как анализ многомерных данных и матрично-цифровое моделирование. Подобные методы, применительно к оценке объектов размещения отходов, изучены

недостаточно. Также не достаточно изучены прочностные свойства свалочных грунтов различного возраста пребывания в массиве, отсутствуют подходы к оценке и обеспечению устойчивости свалочного грунта как элемента природно-техногенной системы.

Существующие методы обеспечения устойчивости строительных конструкций и сооружений при строительно-хозяйственном освоении территорий, сформированных свалочными грунтами, связаны, в основном, с проведением высокозатратных мероприятий: экскавация навалов отходов, планировочные работы, уплотнение, устройство дренажа, геоармирование поверхности и откосов массивов. Данные мероприятия технически реализуемы для территорий площадью не более 2-3 га и мощностью размещенных отходов до 50 000 м³. На практике площади территорий массивов, сформированных свалочными грунтами, достигают десятков гектар при мощности до 1,5 млн. м³, что значительно ограничивает возможность их строительно-хозяйственного освоения.

Перспективным направлением обеспечения устойчивости строительных конструкций и сооружений выступает цементация свалочного грунта в границах территорий последующего освоения. Однако, условия и технологические особенности производства цементационных работ без экскавации массивов, требования, предъявляемые к добавкам и диапазоны их соотношений со свалочным грунтом не изучены.

Целью настоящей работы является оценка и обеспечение геоэкологической устойчивости природно-техногенных систем, сформированных размещением твердых коммунальных отходов, применительно к возможности их строительно-хозяйственного освоения.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- анализ существующих подходов к оценке состояния массивов твердых
коммунальных отходов и методов повышения геоэкологической устойчивости
сформированных ими природно-техногенных систем, для последующего строительно-
хозяйственного освоения;

- разработка методов оценки природно-техногенных систем, сформированных
размещением твердых коммунальных отходов, как потенциально пригодных к строительно-
хозяйственному освоению;

- разработка способов обеспечения устойчивости строительных конструкций при
строительно-хозяйственном освоении природно-техногенных систем, сформированных
массивами твердых коммунальных отходов;

- исследование зависимостей изменения геомеханических свойств свалочных грунтов
в условиях естественной консолидации и при внесении вяжущих агентов.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Предложена методика геоэкологической оценки природно-техногенных систем, сформированных твердыми коммунальными отходами, как потенциально пригодных для строительно-хозяйственного освоения территорий.

2. Впервые применен при геоэкологической оценке природно-техногенных систем, сформированных твердыми коммунальными отходами, математический метод анализа многомерных данных, позволяющий учесть взаимное влияние геоэкологических и геомеханических параметров на состояние массива твердых коммунальных отходов, определить структуру, идентифицировать наличие и параметры однородных фрагментов, пригодных для освоения.

3. Получены зависимости изменения геомеханических свойств свалочных грунтов в условиях естественной консолидации и при внесении вяжущих агентов и обоснована возможность строительно-хозяйственного освоения восстанавливаемых территорий.

4. Разработан способ обеспечения устойчивости строительных конструкций при строительно-хозяйственном освоении природно-техногенных систем, сформированных массивами твердых коммунальных отходов.

Объект исследования. Оценка и обеспечение геоэкологической устойчивости массивов твердых коммунальных отходов для строительно-хозяйственного освоения.

Предмет исследования. Оценка геоэкологической устойчивости массивов твердых коммунальных отходов и обоснование возможности их строительно-хозяйственного освоения.

Теоретическая значимость работы.

1. Результаты исследования геоэкологических и геомеханических свойств природно-техногенных систем, сформированных твердыми коммунальными отходами, позволили обосновать возможность их строительно-хозяйственного освоения.

2. Предложенная методика оценки природно-техногенных систем, сформированных твердыми коммунальными отходами, позволила обосновать возможность вовлечения в строительно-хозяйственное освоение более 150 га территорий, занятых крупными объектами размещения коммунальных отходов.

3. Использование математического метода анализа многомерных данных выявило в
составе свалочных массивов фрагменты различной геомеханической структуры и
химических свойств в зависимости от условий размещения отходов и времени их
пребывания в геосреде. Установлено, что геоэкологические и геомеханические свойства
отдельных фрагментов позволяют использовать их в качестве оснований для осуществления
строительной деятельности.

4. В условиях отсутствия свободных территорий в границах объектов размещения
отходов, метод цементации свалочных грунтов, позволит обеспечить устойчивость
строительных конструкций при строительстве непосредственно на поверхности участков
складирования отходов.

Практическая значимость работы.

Исследования геомеханических свойств свалочных грунтов и разработанный метод их повышения легли в основу технологической части проекта реконструкции полигона твердых коммунальных отходов г.о. Новокуйбышевск, применительно к подготовке участка размещения отходов к строительству сооружений обработки утильных фракций.

Разработанная методика геоэкологической оценки природно-техногенных систем, сформированных размещением твердых коммунальных отходов, положена в основу разработки проектов рекультивации полигона твердых коммунальных отходов г.о. Тольятти, свалки г.о. Жигулевск и реконструкции полигона г.о. Новокуйбышевска в комплекс обработки, утилизации и захоронения отходов.

Полученный расчетный экономический эффект от реализации технологии цементации свалочного грунта при организации основания для строительства вспомогательных сооружений комплекса обработки, утилизации и захоронения отходов реконструируемого полигона г.о. Новокуйбышевск составил 4,681 млн. руб.

Методология и методы исследования - общепринятые для технических наук эмпирические, абстрактно-логические, монографические методы, системный подход и математическое моделирование. Аналитическое обобщение известных научных и

практических результатов, методы планирования эксперимента, лабораторные и опытно-промышленные исследования. Теоретические положения проверялись экспериментальными исследованиями.

Положения, выносимые на защиту.

3. Методика геоэкологической оценки природно-техногенных систем, сформированных твердыми коммунальными отходами, позволяющая обосновать возможность строительно-хозяйственного освоения нарушенных территорий.

4. Примененный при геоэкологической оценке природно-техногенных систем, сформированных твердыми коммунальными отходами, математический метод анализа многомерных данных, позволяющий учесть взаимное влияние геоэкологических и геомеханических параметров на состояние массива твердых коммунальных отходов, определить структуру, идентифицировать наличие и параметры однородных фрагментов, пригодных для освоения.

5. Выявленные зависимости изменения геомеханических свойств свалочных грунтов в условиях естественной консолидации и при внесении вяжущих агентов.

6. Способ обеспечения устойчивости строительных конструкций при строительно-хозяйственном освоении природно-техногенных систем, сформированных массивами твердых коммунальных отходов.

Личный вклад соискателя состоит в разработке теоретических положений, представленных в настоящей диссертационной работе, в том числе анализе и обобщении научно-технической и нормативной литературы; участии автора в разработке и внедрении методики геоэкологической оценки природно-техногенных систем, сформированных твердыми коммунальными отходами, позволяющей обосновать возможность строительно-хозяйственного освоения нарушенных территорий; применении математического метода анализа многомерных как инструмента оценки массива твердых коммунальных отходов; в подготовке и проведении экспериментов, направленных на изучение геомеханических свойств свалочных грунтов в условиях естественной консолидации и при внесении вяжущих; разработке способа обеспечения устойчивости строительных конструкций при освоении природно-техногенных систем, сформированных массивами коммунальных отходов; подготовке публикаций по материалам диссертационной работы.

Степень достоверности полученных результатов. Исследования проведены в объеме, допускающем погрешность результатов не более 5% при доверительной вероятности 0,95. Изучение зависимостей изменения геомеханических свойств свалочных грунтов проводили с использованием как лабораторного, так и промышленного оборудования. Все анализы проведены в аккредитованных лабораториях.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и
обсуждены на X Международной научно-практической конференции «Ашировские чтения»,
Самара, 2014; XV International Scientific Conference «High-Tech in Chemical Engineering –
2014», Zvenigorod, 2014; V Международном экологическом конгрессе (VII Международной
научно-технической конференции) «Экология и безопасность жизнедеятельности

промышленно-транспортных комплексов ELPIT 2015» Самара, Тольятти, 2015; Tenth Winter Symposium on Chemometrics, Самара, 2016; 73-й Международной научно-технической конференции «Традиции и инновации в строительстве и архитектуре», Самара, 2016.

Публикации по результатам исследований. По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка сокращений, библиографического списка из 183 наименований, изложена на 124 листах, содержит 17 рисунков и 13 таблиц.

Существующие методы исследования и оценки состояния техногенных массивов и их недостатки

Развитие поселений привело к формированию массивов отходов человеческой жизнедеятельности. При этом состав и структура массивов менялись по мере развития численности городов, роста их благосостояния и повышения степени благоустройства, а так же изменений в территориальном и градостроительном планировании.

Первые отвалы бытовых отходов известны со времен древнего Рима. Так в каменоломнях поблизости от Аппиевой дороги более 2-х тысяч лет назад организовали вывоз нечистот преимущественно из элитной части города [104]. 4

О составе и свойствах отходов сведений не имелось, но можно предположить, что в основном они были представлены органической составляющей с повышенной влажностью [120].

В средневековой Европе первые массивы отходов образовывались в непосредственной близости от жилья. Учитывая отсутствие товарного производства и канализации, в структуру отбросов входили в основном помои, пищевые и растительные остатки [133]. Хаотичное загрязнение территории жилой застройки и, как следствие, возникновение эпидемий привело к необходимости вывоза отходов за пределы поселений.

Промышленная революция 19 века и развитие производств, способствовали появлению первых централизованных систем водоснабжения, водоотведения, отопления, дорожного строительства. Соответственно, увеличивались и объемы бытовых, а затем и промышленных отходов [151, 168, 10, 11, 23]. При этом изменялись их морфологический состав в сторону увеличения числа фракций, а также механическая структура отходов и их химические свойства.

Крупные свалки Санкт-Петербурга и Москвы, еще в середине XIX века содержали в своем составе текстиль, костные остатки, кирпичный бой и ряд других, практически не разлагаемых включений органоминеральной природы [101, 145]. А уже в начале XX века в старых отвалах на территории современного полигона «Саларьево» были обнаружены минерализованные фрагменты грунтоподобного материала влажностью не более 30%, зольностью в диапазоне 60-80% и плотностью до 1 кг/см3. Консолидация фрагментов свалочных напластований более чем столетней давности произошла под воздействием естественных факторов геосреды: выветривания, инсоляции, медленного биохимического разложения органики как в аэробных, так и в анаэробных условиях, дренирования, самоуплотнения [14, 92]. Следует отметить, что вплоть до первой четверти 20 века развитие свалок происходило по экстенсивному пути, т.е. за счет постоянного, неорганизованного и несанкционированного расширения земельного отвода [27]. Низкий уровень жизни населения в этот период, вплоть до конца 50-х годов прошлого века, не способствовал росту объемов отходов и повышению разнообразия их свойств и фракционного состава. Значимым компонентом свалочной массы в этот период выступала печная зола, наличие которой приводило к увеличению минеральной составляющей, повышению плотности отходов (до 1,2 т/м3). Создавая в свалочном грунте скелетообразный каркас, зола способствовала некоторому увеличению его прочностных характеристик, выступая, в отдельных случаях, и в качестве «цементирующей основы» ТКО [138].

Появление систем централизованного сбора и вывоза отходов из крупных городов (середина XX века) потребовало поиска все новых и новых мест захоронения. Постепенно произошло изменение воззрений на захоронение отходов с формированием концепции их интенсивного (высотного) размещения на свалках [96, 121]. Известно, что еще в 90-х гг XIX века в США, начали применять послойную пересыпку и финальную изоляцию свалок. В Европе, в этот же период, из-за отсутствия земельных ресурсов, свободных для захоронения, предложили картовую систему складирования мусора [33].

В середине 30-хх гг. XX века в Европе, а затем и в СССР, появилась концепция организованной свалки с многоярусным размещением ТКО, санитарной засыпкой слоев, фиксированным позиционированием участков складирования, разделенных на рабочие карты, а так же постоянной механизированной планировкой и укаткой поверхности отходов [62, 54]. В этот же период сформировалось понятие полигонного захоронения отходов. В начале 80-х годов отделом санитарной очистки городов и утилизации отходов Академии коммунального хозяйства разработана инструкция по проектированию, эксплуатации и рекультивации полигонов для твердых бытовых отходов. Именно в этот период появилось понятие «высоконагружаемый полигон», что было вызвано дефицитом площадей и необходимостью захоронения все более и более увеличивающихся объемов ТКО на минимизированном по площади земельном участке. Именно этот период характеризуется резким изменением физических и химических свойств свалочных массивов. Плотность отходов увеличивается с 0,2 до 0,8 кг/см3 за 6 счет искусственной укатки и самоуплотнения свалочной массы значительной мощности, с достижением высоты полигонов до 40 м и более. С другой стороны, на полигонах ухудшаются геоэкологические характеристики отходов. Анаэробное разложение приводит к усилению процессов газо- и фильтратообразования. Влажность увеличивается в 1,5-2 раза и составляет, нередко, до 75% [1, 48]. После 10-15 лет эксплуатации полигона, концентрация метана в газовой вытяжке достигает 50%масс и более. В конце 70 начале 80-х годов в соответствии с проектно-нормативными требованиями природоохранного законодательства, полигоны ТКО оборудуют системами частичной переработки жидких и газообразных флюидов: дренажем фильтрата с его выводом в пруды-испарители и последующей рециркуляцией; системами пассивной и активной дегазации [15, 77, 93]. Расширяются требования к послойной пересыпке и частичной изоляции отходов. При этом, совместно с природными грунтами для пересыпки ТКО начинают использовать плотные малотоксичные промышленных отходы минерального происхождения: горелые земли, кирпичный бой, формовочные смеси, обезвоженные канализационные осадки и др. Изоляция, постоянное отведение фильтрата, появление новых экранирующих материалов приводят к дальнейшему повышению зольности, плотности и, в отдельных случаях, прочности свалочной массы. Инженерно-экологические изыскания на старых ОРО выявили в свалочной толще фрагменты долговременного пребывания в геосреде. Их влажность составила менее 20%, зольность - 80-95%, плотность, в отдельных случаях, более 1,2 кг/см3. Отдельные образцы свалочного грунта, возрастом 50 лет и более, были извлечены из массива в виде монолитов. Лабораторные исследования монолитов показали, что их отдельные геомеханические характеристик, такие как модуль деформации, сцепление, угол внутреннего трения составляют, соответственно 0,8 – 4,0 МПа, 10,0-16,0 кПа и 11 – 22 град. Вышеуказанные параметры позволяют, с некоторой натяжкой, утверждать, что свалочные грунты длительного пребывания в геосреде приобрели подобие слабым природным грунтам органоминерального происхождения по показателям 7 прочности, связности, влажности и однородности [8, 139]. Подобные значения в соответствии с [114] позволяют рассматривать данные фрагменты свалочных конгломератов в качестве потенциальных оснований для строительства сооружений пониженной ответственности.

Подходы к оценке состояния массивов ТКО и аппарат обработки экспериментальных данных

График нагрузок применяется для исследования роли переменных. На нем каждая исходная переменная отображается точкой в координатах (pi, pj), например (p1, p2). Анализируя его аналогично графику счетов, можно понять, какие переменные связаны, а какие независимы.

В основе пошаговых вычислений главных компонент лежит NIPALS-алгоритм, который на каждом шагу вычисляет одну компоненту [161]. Сначала исходная матрица X преобразуется (например, центрируется) и превращается в матрицу E0, при a=0. Далее применяют алгоритм, основанный на выборе начальных векторов и проверке сходимости.

Декомпозиция матрицы X является последовательным, итеративным процессом, который можно оборвать на любом шаге a=A. Получившаяся матрица - Х =ТРt отличается от матрицы X. Разница между ними Е = Х - Х называется матрицей остатков.

Перед выполнением декомпозиции, матрица X должна быть преобразована с помощью центрирования и/или нормирования [150]. Целью такой предварительной подготовки является преобразование исходных данных в форму, наиболее удобную для анализа. Центрирование – это вычитание из исходной матрицы X матрицы M, т.е. X =X–M. Обычно центрирование проводится по столбцам: для каждого вектора xj вычисляются среднее значение. 3

Число главных компонент, A, выбирается с использованием различных критериев. Одним из них является величина объясненной дисперсии, которая вычисляется по матрице остатков E. / J Объясненная = 100 дисперсия ;=1 /=1 I xSv-. (2.3) ;=1 /=1 у где e2ij - квадрат расстояния между исходным вектором xi и его проекцией на пространство PC. Величина объясненной дисперсии обычно изображается на графике в зависимости от числа главных компонент; тогда ее резкое изменение указывает на нужное значение числа главных компонент A.

Практическое применение МГК при выделении неоднородных фрагментов в свалочном теле представлено в разделе 3.1 главы 3.

Результаты построенной МГК-модели предлагается представлять в виде цифровых матриц состояния массива ТКО, позволяющих наглядно выделить неоднородные фрагменты, а так же обозначить значения наиболее значимых показателей состояния свалочного грунта. В настоящей работе такими показателями являются: модуль деформации – оценивает несущие свойства свалочных грунтов, их способность сопротивляться статическим и динамическим нагрузкам; содержание беззольного вещества - оценивает безопасность осуществления работ и указывает на степень трансформации свалочного грунта. Определение вышеуказанных показателей производили известными методами анализа образцов с различных глубин массива.

Окончательная оценка пригодности свалочного грунта наиболее стабильного фрагмента к использованию в качестве основания для строительства сооружений комплекса рециклирования, проводится с использованием геомеханического индекса и индекса органического вещества (см. материалы раздела 3.3 главы 3). 2.3. Методы исследования объектов

Все методы исследования в настоящей работе дифференцированы на лабораторные и полевые.

В полевых условиях изучали геомеханические и геоэкологические свойства свалочных грунтов непосредственно в крупнотоннажных массивах отходов г.о. Жигулевска, г.о. Тольятти и г.о. Новокуйбышевск. Изучались прочностные свойства свалочных грунтов как потенциальных оснований для строительства вспомогательных сооружений полигона. Так же в полевых условиях исследовали технологии укрепления поверхности свалочных тел с использованием укрепляющих добавок.

Согласно [28, 114] основными параметрами механических свойств грунтов, определяющими несущую способность оснований и их деформации, были выбраны такие показатели как угол внутреннего трения , удельное сцепление с и модуль деформации Е. Достоверными методами определения деформационных характеристик грунтов выступили как лабораторные компрессионные испытания, так и полевые испытания статическими нагрузками с помощью плоских горизонтальных штампов [34, 36, 39].

Полевые испытания проводились в буровых скважинах диаметром 325 мм. Местоположение скважин выбиралось таким образом, чтобы максимально охватить площадь объектов исследования с учетом фактических толщин массивов, возраста пребывания грунта и обнаруженных на стадиях изысканий выделенных фрагментов однородного состава и структуры.

Возраст испытуемого пласта свалочного грунта определялся путем анализа материалов рабочих проектов полигонов, исполнительных съемок формирования массивов на определенные даты, журналов учета принимаемых отходов, фондовых данных собственников объектов, а также опроса работников, включая и персонал, работавший на объектах в период с конца 60-х гг. до настоящего времени.

Критериальная оценка состояния фрагмента

Существует большое разнообразие критериев оценки состояния свалочных грунтов различного возраста и степени разложения: по микробиологическим показателям, составу газовой вытяжки, зольности, плотности, пористости, 3 влажности [45, 46, 47, 53]. Все они, оценивают свалочный грунт с позиций негативного влияния на компоненты геосреды.

Строительно-хозяйственное освоение территорий, нарушенных массивами ТКО диктует необходимость разработки обобщенных критериев, оценивающих как геомеханические так и геоэкологические свойства свалочных грунтов. В качестве обобщенных критериев оценки свалочных грунтов, как потенциальных оснований для строительства в настоящей работе предложены геомеханический индекс Iгм и индекс органического вещества Iорг.

Геомеханический индекс определяет достаточность прочностных свойств свалочного грунта и необходимость применения технологий его упрочнения с приближением свойств к природным грунтам, и рассчитывается по формуле: Xпр.гр. где Xсв.гр. – показатель прочностных свойств свалочного грунта; Xпр.гр. – значение аналогичного показателя, предъявляемого к природным грунтам при строительстве сооружений комплекса рециклирования отходов. Согласно [114] основными параметрами геомеханических свойств грунтов, определяющими несущую способность оснований и их деформации, были выбраны такие показатели как угол внутреннего трения , удельное сцепление с и модуль деформации Е.

Присутствие органического вещества в свалочных грунтах отрицательно влияет на их прочностные свойства как оснований. При этом общее содержание органики является косвенным показателем стабильности. В исходных ТКО содержание органики задается большим количеством фракций и органических соединений в этих фракциях. Так, в старых массивах (30 лет и более), за счет анаэробного разложения органического вещества произошло исчерпание доступных для анаэробной микрофлоры соединений белковой, липидной и, частично, углеводной природы. Органика, в таких образцах задается остаточными соединениями лигнина, а также сложными органическими 4 соединениями, не окисляемыми микробиологическим путем. Именно легкоразлагаемая органика приводит к постоянной трансформации искусственного свалочного основания, за счет сжимаемости под нагрузкой с образованием пор и капилляров.

Индекс органического вещества определяет наиболее общие геоэкологические свойства свалочного грунта по соотношению содержания легкоразлагаемой органики Сбио к общему содержанию органических веществ Собщ, и определяется по формуле:

Индекс органического вещества является косвенным показателем как экологической безопасности свалочного грунта, так и изменчивости его прочностных свойств во времени [111].

Определить соотношение легко- и трудноразлагаемой органики прямыми методами: весовым методом с озолением или анализом термической стабильности не всегда показательно, если органика представлена широким набором соединений с различной способностью к биохимической или химической деструкции.

Для упрощения оценки индекса органического вещества предлагается оценивать соотношение органики различной степени доступности к разложению путем определения значений БПК5 (Сбио) и ХПК (Собщ) водной вытяжки свалочного грунта.

Диапазон значений Iорг лежит в пределах от 0 до 1. Чем ближе значения Iорг к 0, тем выше его стабильность. Наоборот, приближение значений к 1, указывают на доминирование легкоразлагаемой органики в свалочных грунтах под действием биотических и абиотических факторов среды в процессе пребывания в массиве.

Изучение влияния укрепляющих добавок на прочностные свойства свалочных грунтов

Примером практической реализации положений и результатов исследований настоящей работы выступила реконструкция полигона ТКО г.о. Новокуйбышевск в комплекс обработки, утилизации и захоронения твердых коммунальных и промышленных отходов.

Полигон эксплуатируется с 1962 года в выемке отработанного карьера кирпичных глин и предназначен для приема твердых коммунальных и твердых малотоксичных промотходов градопромышленной агломерации г.о. Новокуйбышевска.

Полигон оборудован грунто-пленочным экраном в основании, системой дренажа, сбора и рециркуляции фильтрата, системой отведения поверхностных стоков, прудами-испарителями.

Общая площадь земельного участка полигона составляет 23,7 га, площадь участка размещения отходов составляет 22,9 га (96% общей территории земельного отвода). Остальная площадь представлена сооружениями хоззоны и линейными сооружениями отведения жидких флюидов.

На территории полигона предполагается строительство современной мусоросортировочной станции, участка производства вторичного строительного щебня. При этом потребная площадь под размещение сооружений, в соответствии с предварительным расчетом, составила 6,5 га. 4

В отсутствие свободных земельных площадей на ненарушенном грунте, принято решение о размещении части сооружений непосредственно на поверхности свалочных грунтов.

Учитывая, что расчетные нагрузки от сооружений составляют не более 0,1 МПа, были сформулированы требования, предъявляемые к консолидированным свалочным грунтам, как искусственным инженерно-геологическим элементам (см. таблицу 5.2). Одновременно, сделаны предложения о возможности искусственного укрепления свалочного грунта для придания ему более высоких прочностных и деформационных характеристик.

В виду отсутствия сведений о состоянии, структуре и свойствах свалочных грунтов, при выполнении инженерных изысканий, были проведены работы, в соответствии с алгоритмом, представленным в блок-схеме настоящей работы (см. рис. 2.1 Главы 2) и в частности:

1. Проведено обоснование возможности реконструкции полигона в комплекс рециклирования, с учетом наличия/отсутствия геоэкологических обремений;

2. Выполнен анализ фондовых материалов, а также детальный опрос персонала о периодах и условиях эксплуатации объекта, для ориентировочного позиционирования участков по времени их формирования;

3. С использованием пошагового бурения с отбором и лабораторным изучением образцов, методов полевого испытания свалочных грунтов штампами, метода математической обработки данных и последующей матрично-цифровой интерпретации, были выделены и оконтурены 2 фрагмента свалочного грунта с дифференцированными параметрами: влажностью, плотностью, зольностью, модулем деформации, газопродуктивностью и рядом других параметров (см. раздел 3.2 главы 3).

4. Состояние стабильного участка оценено с использованием геомеханического критерия и индекса содержания органического вещества, составляющих Iгм = 0,8 и Iорг = 0,2. 5

Проектные решения по созданию комплекса рециклирования отходов предполагают строительство новых сооружений на поверхности стабильного фрагмента. При этом вновь строящиеся сооружения классифицированы на три конструктивно-технологические группы (см. раздел 5.2).

Перечень и состав проектируемых групп сооружений представлен в таблице 5.3. Таблица 5.3. Состав сооружений проектируемых технологических зон комплекса рециклирования отходов г.о. Новокуйбышевск. Перечень новых проектируемых (реконструируемых)сооружений Позицияна генплане Конструктивно-технологическая группа Мусоросортировочная станция 1 I

Склад для временного хранения ртутьсодержащих ламп и аккумуляторов 2 I Площадка производства вторичного строительного щебня 3 II Участок хранения минерального грунта 4 III Участок временного хранения вторичного сырья 5 III Участок захоронения ТКО и ПО IV и V классов опасности (реконструкция) 6 Пруд-накопитель поверхностного стока 7 Пруд-накопитель фильтрата 8 Площадки пожарных резервуаров 9.1/2 Гараж для техники 10 Открытая стоянка для техники 11 Планировка территории под размещение проектируемых сооружений заключалась в снятии верхнего слоя свалочного грунта не эксплуатируемого фрагмента массива ТКО на глубину 2 - 2,5 м и его перемещение на участок захоронения. Возраст, укрепляемого по разработанной технологии, свалочного грунта составил 20±5 лет.

Все вновь строящиеся сооружения были размещены на 3-х подготовленных участках. Для каждого участка рассчитывались нагрузки на грунтовое основание и подбиралась оптимальная доза цементирующей добавки, позволяющая довести механические свойства свалочного грунта до установленных расчетным способом значений. 6