Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 . Состояние проблемы изучения формирования состава,фильтрационных, физико-механических свойств торфов и обоснование задач сследовании
1.1. Изученность состава и физико-механических свойств торфов
1.1.1. Геологические исследования торфяных массивов
1.1.2. Исследование процессов болотообразования
1.1.3. Изученность фильтрационных свойств торфов
1.1.4. Изученность физико-механических свойств торфов
1.1.5. Классификации торфов
1.2. Объекты, объемы и методы исследований
Глава 2. Особенности условий формирования и развития торфяных массивов томской области
2.1. Эволюция климата и болотообразовательный процесс
2.1.1. Особенности современного климата
2.1.2. Характеристика палеоклимата и его влияние на болотообразовательный процесс
2.2. Гидрологические условия
2.3. Геоморфологические условия
2.4. Геолого-литологическая характеристика четвертичных отложений
2.5. Тектоническое строение территории
2.6. Гидрогеологические условия
Глава 3 . Районирование территории томской области по степени современного заболачивания
3.1. Общие принципы и признаки районирования
3.2. Районирование территории Томской области по степени современного заболачивания и характеристика болотных округов
Глава 4. Состав торфов томской области
4.1. Ботанический состав
4.2. Степень разложения
4.2.1 Характеристика степени разложения торфов Томской области
4.2.2. Влияние процесса разложения торфов на выбор методик лабораторных исследований их деформационных и фильтрационных свойств
4.3 Зольность
4.4. Кислотность и агрессивные свойства торфов 133
Глава 5. Фильтрационные свойства торфов томской области
5.1. Факторы влияющие на фильтрационные свойства торфов
5.2. Характеристика фильтрационных свойств торфов Томской области
Глава 6. Физико-механические свойства торфов томской области
6.1. Физические свойства
6.2. Прочностные и деформационные свойства
6.2.1. Прочностные свойства
6.2.2. Деформационные свойства
Глава 7. STRONG Взаимосвязь и обусловленность состава, состояния и физико-механических свойств торфов томской области
STRONG 7.1. Взаимосвязи состава и физико-механических свойств
7.1. Инженерно-геологическая классификация торфов Томской области
7.2. Рекомендации по использованию результатов исследований
7.3 Заключение
7.4 Список
7.5 Литературы
7.6 Приложение
- Исследование процессов болотообразования
- Гидрологические условия
- Влияние процесса разложения торфов на выбор методик лабораторных исследований их деформационных и фильтрационных свойств
- Рекомендации по использованию результатов исследований
Введение к работе
Актуальность темы. В последние годы резко возрастает интерес к исследованиям свойств слабых грунтов Западной Сибири. Интенсивное освоение нефтяных и газовых месторождений Западно-Сибирской нефтегазоносной провинции весьма отчетливо высветило проблему оптимального обустройства нефтегазопромыслов, населенных пунктов, промышленных площадок, прокладки лесовозных и промысловых дорог, нефте- и газопроводов на обширных заболоченных территориях. Геологические условия территории Томской области таковы, что очень сложно исключить применение торфяных грунтов в основаниях дорог и других сооружений.
Строительство на торфяных грунтах имеет ряд особенностей в области изысканий и затруднено на всех этапах, вплоть до эксплуатации сооружений. Эстакады, выторфовывание обеспечивают устойчивость и надежность конструкций, но технологически усложняют строительство дорог и значительно увеличивают их стоимость, поэтому большое экономическое значение имеет полное или частичное использование торфов в качестве основания, что в свою очередь связано с научным решением ряда хозяйственных проблем. В связи с этим, возрастает необходимость оценки физико-механических свойств торфов с целью выполнения расчетов и прогнозирования при проектировании дорог, а также обоснования возможности проходимости техники. К сожалению, опубликованных результатов исследований физико-механических свойств торфов Томской области практически нет, мало аналогичных работ и для Западной Сибири. Возможно, они не публикуются по коммерческим или другим причинам. Недостаточная изученность физико-механических свойств торфов приводит к многочисленным материальным потерям при изысканиях и строительстве промысловых дорог в заболоченных районах. Увеличение объема информации о свойствах торфов и возможность прогнозировать их изменения под нагрузками позволят предотвратить потери, рационально выбрать конструктивно-технологические решения и снизить стоимость строительно-монтажных работ. Это обусловливает актуальность проблемы оценки физико-механических свойств торфяных грунтов.
Точность расчетов насыпей на торфяных грунтах зависит от качества данных инженерно-геологических исследований, особенно от результатов изучения компрессионных свойств. Методы, предлагаемые нормативными документами, не позволяют получить полноценную информацию о компрессионных свойствах торфов, так как основаны на длительных испытаниях и не учитывают изменения их состава, происходящие во время опытов, поэтому необходимо разработать методику определения физико-механических свойств торфяных грунтов, исключающую влияние данного фактора при получении информации. Приведенный в работе опыт региональной оценки физико-механических свойств торфов Томской области и особенно выявленные корреляционные взаимосвязи их с составом имеют как
теоретическую, так и практическую ценность и актуальность.
Цель работы - исследование условий формирования состава и физико-механических свойств торфов Томской области для разработки рекомендаций по проведению инженерно-геологических изысканий при проектировании и строительстве промысловых дорог на заболоченных территориях.
Основные задачи
Изучение влияния на формирование торфяных отложений климатических, географических и геологических условий Томской области и систематизация материалов по районированию ее территории по степени заболачивания для выявления особенностей площадного распространения торфов определенного состава.
Наблюдения за изменением степени разложения торфов при их длительном хранении и анализ литературного материала по изучению этого вопроса для выбора методики лабораторных исследований их свойств.
Проведение экспериментальных исследований состава, физико-механических и фильтрационных свойств наиболее представительных видов торфа для выявления их корреляционных взаимосвязей.
Разработка инженерно-геологической классификации торфов, Томской области и рекомендаций по использованию результатов исследований при проведении инженерно-геологических изысканий при проектировании и строительстве промысловых дорог на заболоченных территориях.
Фактический материал и методика исследований. Теоретической основой решения поставленных задач послужили результаты исследований В.Д. Казарновского, И.Е. Евгеньева, В.И. Дрозда, A.M. Силкина, Н.Н. Морарескула, В.Н. Бронина, П.А. Коновалова, Г.В. Сорокиной, Н.Ф. Бондаренко, Н.П. Коваленко, В.Н. Зайца, К. Blume, В.Н. Яромко, М. Saarilahti [48-55, 45, 134, 135, 30-31, 168, 169, 93, 171-173, 26, 27, 72, 208, 209, 211], а также сотрудников Тверского политехнического университета Л.С. Амаряна, А.С. Королева, Е.А. Стрекалкина, С.С. Корчунова, И.Ф. Ларгина, В.И. Косова, Е.Т. Базина [2-9, 95, 98, 96,77,114,15-18].
В основу диссертационной работы положен фактический материал госбюджетных тем, полученный автором с 1997 по 2002 гг. в лаборатории технологических исследований Сибирского научно-исследовательского института торфа (ЛТИ СибНИИТ), а также с 2002 по 2004 гг. на кафедре гидрогеологии, инженерной геологии и гидрогеоэкологии Томского политехнического университета (ГИГЭ ТПУ). Объектами исследования являются наиболее представительные виды торфа Томской области, отобранные на 19 торфяных массивах, находящихся как в естественном, так и в осушенном состоянии, а также на разрабатываемых месторождениях.
Для решения поставленных задач применялись полевые и лабораторные
методы исследований, включавшие определение ботанического состава, степени разложения, зольности, физических, прочностных, деформационных и фильтрационных свойств торфов. Было отобрано и изучено 115 монолитов торфа и более 3200 проб с ненарушенной и нарушенной структурой, определены ботанический состав и степень разложения (D
Научная новизна работы
Выявлены особенности условий формирования торфяных массивов Томской области, с учетом которых проведена систематизация материалов по районированию территории по степени заболачивания на основе схемы Ю.А. Львова, которая была уточнена относительно границ болотных округов и дополнена характеристикой фильтрационных и физико-механических свойств торфов.
Обоснована целесообразность ускоренных методов лабораторных исследований механических свойств торфов в связи с тем, что на основе полученных нами данных и результатов опытов Н.А. Кота и Т.А. Рахубо установлено увеличение интенсивности микробиологических процессов, приводящей к изменению их степени разложения в условиях отличных от естественного залегания.
Получены качественные и количественные характеристики состава, фильтрационных и физико-механических свойств 25 видов торфа. Несмотря на
меньшую степень разложения (на 5-20 %), наиболее распространенные виды торфа Томской области имеют практически одинаковые коэффициенты пористости с торфами Европейской части России. Выявлены взаимосвязи деформационных свойств торфов с ботаническим составом. При одинаковой пористости наиболее подвержены деформациям сжатия торфа моховой группы и менее - древесной.
4. Инженерно-геологическое классифицирование торфов по фильтрационным и физико-механическим свойствам проведено на базе новой генетической "Классификации торфов и торфяных залежей Западной Сибири". Инженерно-геологическая классификация торфов составлена с учетом их привязки к болотным округам Томской области.
Основные защищаемые положения
На основе анализа качественных и количественных оценок состава и свойств торфов установлены зависимости физико-механических свойств от содержания остатков растений-торфообразователей разных ботанических групп.
Выполнена типизация торфов Томской области по степени сжимаемости. За критерии типизации приняты коэффициент компрессии и модуль осадки, дифференциация по этим показателям проведена с учетом ботанического состава.
Разработана обобщенная региональная инженерно-геологическая классификация торфов на основе районирования территории Томской области с учетом геолого-геоморфологического фактора.
Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на трех Международных научных симпозиумах студентов, аспирантов и молодых учёных им. академика М.А. Усова (Томск, 2001, 2002, 2003), на научно-практическом семинаре "80 лет профессору Г.А. Сулакшиной "(Томск, 2003) и опубликованы в 10 статьях и тезисах.
Практическая значимость работы заключается в том, что полученные нами данные и выявленные взаимосвязи физико-механических свойств и состава торфов объясняют причинно-следственную связь между ними, решают проблему прогнозирования механических свойств и повышают точность расчета осадок сооружений. Учет этих связей при выполнении изыскательских работ позволяет установить изменение свойств торфов и оптимизировать систему опробования болотных массивов, что способствует повышению эффективности изысканий. Приведенные в работе графики, номограмма и обобщенные компрессионные кривые, построенные для наиболее распространенных в Томской области пластообразующих видов торфа, позволяют определить модули осадки и модули деформации для расчета осадок сооружений под нагрузками до 0Д0 МПа для торфов с коэффициентами пористости от 6 до 30. Разработанные нами классификации предназначены для определения нормативных показателей фильтрационных и физико-механических свойств торфов при проектирования промысловых, лесовозных дорог и других
сооружений. Предложенная методика, учитывающая особенности разложения торфяных грунтов в условиях отличных от их естественного залегания, позволяет получить достоверную информацию о модулях деформации торфов и их коэффициентах фильтрации и степени их водонасыщения.
Материалы диссертационной работы использованы в 8 отчетах ГНУ СибНИИТ (г. Томск, ул. Гагарина 3), выполненных в соответствии с планами НИР за 1997-2002 годы по госбюджетным темам: "Разработка новых технологических приемов, способов и устройств добычи торфа в зонах с устойчивым промерзанием торфяной залежи" и "НИР по изучению физических свойств торфяных залежей в условиях техногенного воздействия для разработки научно-обоснованных технологий подготовки и использования в сельскохозяйственном производстве торфяных месторождений Западной Сибири", в рамках которых начинались исследования. Материалы диссертационной работы использованы в учебном процессе кафедры гидрогеологии, инженерной геологии и гидрогеоэкологии ТПУ. Они стали основой выпускных квалификационных работ студентов специальности "Поиски и разведка подземных вод и инженерно-геологические изыскания" и включены в учебное пособие по дисциплине "Инженерная геодинамика". Разработанные рекомендации по проведению инженерно-геологических изысканий при проектировании промысловых дорог и других линейных сооружений на заболоченных территориях, были использованы ООО "Томские минеральные ресурсы" при проведении инженерно-геологических изысканий под проектирование нефтепровода УПН "Средне-Нюрольское" - Р61 "Ключевское", изысканий под коридор коммуникаций: куст 1 - УПН и куст 4 - куст 3 месторождения "Средне-Нюрольское", о чем автору выданы соответствующие справки.
Структура и объем. Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, заключения и содержит 230 страниц машинописного текста, 58 рисунков, 31 таблицу и приложение. Список литературы включает 239 наименований.
Автор глубоко признателен своему научному руководителю доктору геолого-минералогических наук, профессору С.Л. Шварцеву за постоянное внимание и высокую требовательность к работе. Особую благодарность автор выражает научному консультанту по методическим и теоретическим вопросам кандидату геолого-минералогических наук ТЛ. Емельяновой за ценные советы, консультации и постоянную поддержку при подготовке диссертации. Автор выражает искреннюю признательность сотрудникам ГНУ СибНИИТ и кафедры ГИГЭ ТПУ Л.Д. Степановой, к.т.н. П.Н. Степанову, к.б.н. Ю.И. Прейс, к.г-м.н. Н.А. Антроповой, к.г.-м.н. А.Д. Назарову и д.г-м.н. Н.М. Рассказову за помощь, замечания, консультации и предоставленные материалы.
Исследование процессов болотообразования
Одной из первых работ по болотоведению в России стала переведенная с немецкого в 1766 году Никитою Рожешниковым книга Абилгарда Зерена "Сочинение о турфе", представляющая собой обзор европейской литературы, включающая сведения о видах торфа, его происхождении, физических и химических свойствах. В этом же году И.Г. Леман разработал первую классификацию торфов с учётом растительных остатков. В 1810 году Г.И. Эндельман издал книгу по осушению болот, в которой он различал торфа по горючести. В 1858 году П. Введенский в "Руководстве к осушению и возделыванию болот" подробно описал работы по осушению и обращению осушенных пространств в хозяйственные угодья. В 1879 году в С.-Петербурге, в типографии Императорской академии наук был напечатан "Отчет по исследованию и осушению болот С.-Петербургской губернии за 1878 год", составленный И. Августиновичем. В книге даны карты болот с разметками частных владений, владений казны и зажиточных крестьян. Ценные научные сведения дали работы экспедиции И.И. Жилинского в 1873 - 98 гг по осушению болот в Полесье, Московской и других губерниях. В 1896 году вышел "Указатель главнейшей литературы о болотах и торфяниках Европейской России и их утилизация в сельском хозяйстве и промышленности" под редакцией Л.А. Сытина и Г.И. Танфильева изданный в С.-Петербурге в типографии Демакова. В списке представлена европейская литература с 1759 по 1893г, всего 608 названий [Internet, Е.А. Соткина, Г.Е. Жирнова]. В 1898 году А.В. Фомин провел первое районирование болот Европейской части России. Доктуровский впервые в России применил пыльцевой метод изучения торфа и изучил развитие торфяников по геологическим периодам. Д.Л. Герасимов изучил географию и стратиграфию болот, в том числе детали строения торфяной толщи в связи с процессом торфообразования. В.В. Кудряшов создал оригинальную теорию роста и развития торфяников. Из зарубежных учёных вопросами болотоведения в начале 20 в. занимались К.А. Вебер в Германии, А.К. Каяндер в Финляндии, известны шведские работы. Несколько раньше появились работы французских и голландских болотоведов, особенно большое значение имела сводка о болотах Д. Лескере (1884) [212].
Условия и скорости накопления торфяных отложений Западной Сибири, их генезис исследовались СМ. Новиковым, К.Е. Ивановым, М.И. Нейштадтом, а также О.Л. Лисе, Н.А. Березиной, НА. Антроповой, Е.И. Скобеевой, Л.А. Симаковой, А.М. Жарковой, Ю.В. Ерковой [25, 140, 115-120, 10, 170, 66, 67, 62, 63]. Работ, связанных с определением возраста болот Западной Сибири немного [140, 113, 115, 116, 151, 197, 210]. Характеристика болотных зон Западной Сибири рассмотрена в трудах П.Е. Логинова, С.Н. Тюремнова, НЛ. Кац, О.Л. Лисе и др. [123,193,89,115,121].
В Томской области исследования по изучению растительного покрова, стратиграфии, условий заболачивания, генезиса, возраста болотных отложений, а также по районированию массивов проводились сотрудниками Томского государственного университета - Л.В. Шумиловой, Ю.А. Львовым, ЕЛ. Мульдияровым, Т.А. Бляхарчук, Е.Д. Лапшиной, В.А. Базановым [206, 125- 29, 136, 24,110-113,210,141,24,14] Влияние географических, геологических, климатических условий формирования болотных массивов Западной Сибири и Томской области рассмотрены в работах А.А. Земцова, Н.С. Евсеевой, А.И. Сергеева, Л.Г. Афонской, Л.С. Михантьевой, В.Г. Матухина, Л.И. Инишевой [57,11,131,33,81,152].
Специфичность торфов Западной Сибири, отмеченная в ряде работ [62, 3, 190], обусловила создание региональных классификаций ботанического состава. Выделения новых видов в ботанических классификациях обосновывается их генетической устойчивостью, географическим и геоморфологическим положением и качественными особенностями торфа. Такие попытки предпринимались как для отдельных районов, так и для всей территории Западной Сибири [62,91,117].
Районированием болот Западной Сибири в различных целях занимались СН.Тюремнов, Н.Я. Кац, М.И. Нейштадт, М.Ф. Логинов, Л.В. Шумилова, О.Л. Лисе, НА. Березина, Г.Г. Куликова, Ю.А. Львов, Е.А. Романова, В.Г. Матухин., Л.С. Михантьева, В.М. Алтухов, Н.М. Рассказов [192,193, 89,141,117, 115,161,225,154].
Районирование болотных массивов Томской области проводилось О.Л. Лисе и Ю.А. Львовым. Обе схемы представляют большой интерес для болотоведов. В настоящее время наибольшее распространение получило районирование по О.Л. Лисе и Н.А. Березиной, основанное на эволюционном принципе [115]. Типы болот у авторов это "современные стадии региональных путей развития. Каждый качественный этап является интегральным вьфажением прямых и обратных связей между биотическими и абиотическими компонентами биогеоценозов. Характер этих связей определяет и материально-энергетический обмен между компонентами биогеоценозов, и экологические условия среды, и структуру растительного покрова" [119. С. 148]. Районирование по Ю.А. Львову учитывает "совокупность признаков выраженности болотного процесса: современный состав болотной растительности, историю ее развития, отраженную в структуре и стратиграфии торфяной залежи, степень развития болотного процесса, заболоченность территории, механизм, скорость и временная ритмичность заболачивания в равных формах поверхности." [126. С. 74]. Идеи Ю.А. Львова продолжены его учениками - Т.А. Бляхарчук, Ю.И. Прейс, Е.Я. Мульдияровым, Е.Д. Лапшиной, В.А. Базановым.
Гидрологические условия
Повышенной увлажненности и заболоченности Томской области благоприятствуют гидрологические условия. Речные долины занимают 1/5 всей ее территории, а количество рек длиной более 20 км составляет 573. Число озер (особенно много их в поймах рек) достигает 95 тысяч, площадь 35 из них превышает 5 км2 [86]. Самой крупной водной артерией является р. Обь - в пределах Томской области располагается участок ее течения длиной 1080 км. Равнинность территории определила особый характер гидрографической сети, так средний уклон р. Оби — 0,000042, скорости течения воды 0,10-0,30 м/сек, преобладает боковая эрозия и большая извилистость русла [130]. Максимальный уклон и глубина вреза при минимальной ширине долины (до 15-40 км) отмечены в районе Колывань-Томской складчатой зоны. Крупные правые притоки Оби - pp. Томь, Чулым, Кеть, Тым, Вах; левые - pp. Чая, Васюган. Большинство рек вытянуто в северо-восточном и юго-западном направлении, а отдельные участки имеют широтное (нижнее течение pp. Кеть, Чулым) или мередианальное направления (верхнее течение р. Икса). Для основных притоков наиболее заболоченного бассейна р. Чаи отмечаются невысокие величины средневзвешенных уклонов рек - для р. Бакчара - 0,00015, для р. Иксы — 0,00014 [198]. Эти показатели свидетельствуют о плохой дренированности территории реками, приводящей к застою вод и заболачиванию.
Средний многолетний приток речных вод в Томскую область оценивается в 113,1 км год, а на ее собственной территории собирается объем вод, равный около 72,2 км год [74]. Реки имеют смешанное питание, в основном, за счет снеговых и ледниковых вод, 75% годового стока приходится на весенне-летнее половодье, наиболее низкие расходы наблюдаются зимой, с ноября по март проходит всего лишь 10-15% годового стока, с преобладанием снегового. Коэффициенты вариации годового стока, характеризующие его многолетнюю изменчивость, на реках Томской области увеличиваются от 0,2 в северных районах до 0,5 в бассейнах рек Чаи и
Шегарки. Необходимо отметить, что средний многолетний годовой сток левых притоков значительно ниже (р. Чая — 84 м3/с при площади водосбора — 27200 км2, р. Парабель - 123 м3/с при 25500 км2), чем правых (р. Томь 1100 MVC при 62000 км2, р. Чулым - 785 м3/с при 134000 км2 и р. Кеть - 560 MVC при 94200 км2). Отмеченный факт свидетельствует о хорошей дренированности реками малозаболоченной юго-восточной части территории Томской области. Как отмечает А.А. Земцов, на равнинной части территории грунтовый сток в правобережье р.Оби обычно также больше, чем в левобережье, так как на Обь-Енисейском междуречье более широко распространены более водопроницаемые песчаные отложения, что благоприятствует лучшему питанию водоносных горизонтов талыми водами и в значительной степени обусловливает меньшую заболоченность правобережья [74].
Подпор вод малых притоков в половодье является причиной того, что реки становятся источниками накопления влаги на водораздельных равнинах [123]. Максимальная толщина льда на реках составляет 75-100 см. Начало весеннего ледохода приходится на конец апреля - первую декаду мая, его продолжительность 4-7 суток. Продолжительность освобождения рек ото льда 160-180 дней. Для всех рек характерно продолжительное весеннее половодье, зачастую переходящее в летние паводки. На участке до впадения р. Томь половодье многовершинное, усложненное дождевыми паводками, ниже впадения р. Томь наблюдается одна мощная волна весеннего половодья с интенсивным подъемом и очень медленным спадом. Средняя высота уровня над предпаводочным составляет в низовьях р.Кети - до 3-5 м, на р.Чулыме - до 7-9 м, на р.Томи - до 7-11 м. Максимальные уровни на участке до г. Колпашево наблюдаются чаще всего в период весеннего ледохода, ниже г. Колпашево преимущественно при свободном русле. Половодье в верховьях наступает на 1,5 месяца раньше, чем в устье, что препятствует сбросу полых вод как главных рек, так и их притоков. Паводок, взламывая лед, образует огромные заторы, подпруживая реку и еще более усиливая разливы. Замерзают реки значительно раньше в нижнем течении, чем в верховьях. Эта особенность играет важную роль для развития процесса болотобразования в таежной зоне. Паводковые воды разливаясь на многие километры сливаются с болотами на водораздельных пространствах образуя единый водный бассейн, поэтому весной и летом реки являются важным фактором чрезвычайно высокого обводнения водораздельных массивов и практически не играют никакой роли в дренировании поверхности в этот период. Определенную роль в задержке стока играет растительность, особенно сфагновые залежи, которые аккумулируют влагу во влажные годы, образуя единую гидродинамическую систему болот. Пространственное развитие торфяных залежей и повсеместное переувлажнение повышают уровень грунтовых вод на значительном расстоянии, приводя к заболачиванию прилегающих суходолов [123].
Согласно классификации О.А. Алекина, поверхностные воды территории Томской области относятся к гидрокарбонатному классу. По составу воды р. Оби, в основном, гидрокарбонатные кальциевые с минерализацией 161-552 мг/л, В период весеннего половодья русловая сеть получает питание, в основном, за счет талых снеговых вод, минерализация которых низка и колеблется от 14 до 67 мг/л. Жесткость воды в это время более низкая по сравнению с другими фазами водного режима [232]. После прекращения снеготаяния реки получают свое питание за счет почвенно-грунтовых вод, которые характеризуются более высокой минерализацией, достигающей в период летне-осенней и зимней межени своего максимума. Широкое распространение болот приводит к обогащению вод большим количеством органических соединений, вследствие чего на заболоченных водосборах формируются воды с повышенной окисляемостью, цветностью и с малой минерализацией, характерные для водосборов таежного района притоков р. Оби. Величина цветности здесь в период межени колеблется в пределах 19-250, а перманганатная окисляемость от 3-36 мг/л. Воды повышенной минерализации (500-1000 мг/л) отмечаются в бассейнах некоторых левых притоков р. Оби - pp. Шегарка, Чая и их притоков, где развиты породы, представленные суглинками и глинами с карбонатными включениями, что благоприятствует распространению низинных торфяных массивов в их поймах, на низких террасах и даже на склонах водоразделов. Маломинерализованные воды ( 200 мг/л) с низкими значениями рН (6,0-6,4) распространены, в основном, в правых притоках р. Оби, что приводит к образованию болотных массивов переходного типа в поймах и на низких террасах [231].
Влияние процесса разложения торфов на выбор методик лабораторных исследований их деформационных и фильтрационных свойств
Знание того, как протекает процесс разложения различных видов торфа, имеет огромное значение при выборе методик проведения лабораторных исследований, а также при хранении образцов. Согласно рекомендациям, изложенным в работе [150], срок хранения образцов торфа не должен превышать 3-х месяцев и компрессионные испытания должны проводится вслед за отбором проб, пока не претерпели изменения их естественные свойства (структура, пористость, влажность).
При визуальном сравнении образцов торфа на месте отбора с образцами (того же состава, отобранными на том же участке) хранившимися в течение года в помещении, нами было замечено, что произошли существенные внешние изменения - торф приобрел более темную окраску, стал менее упругим, при растирании оставлял следы на руках. По-видимому, произошел распад органической составляющей - изменился состав торфа. В СибНИИТ по заказу ЛГИ была определена степень разложения образцов, отобранных 26 сентября 1995 года и хранившихся при температуре (16-28) до 28 сентября 1996 года. Результаты показали, что степень разложения древесно-осокового торфа увеличилась от 20-25 до 35 %. Этот факт заставил нас провести анализ работ по изучению изменений, происходящих в торфе при различных условиях его хранения, для выбора методик проведения лабораторных фильтрационных и компрессионных исследований.
С целью изучения микрофлоры при хранении торфа в залежи, в навалах и при заводнении выработанных торфяников Н.А. Котом и Т.А. Рахубо проведен ряд интересных опытов, результаты которых помогут решить также проблемы связанные с ведением лабораторных работ с торфами и заторфованными грунтами. Опыты по изучению изменения микробиологического состава при длительном хранении сырого торфа (тростникового и осокового) [100], показали, что вследствие более благоприятных условий аэрации количество микроорганизмов в навале высотой 1,5 м значительно выше, чем в приповерхностном слое (10 см) самой залежи (влажность и температура менялись незначительно). Особенно активно микрофлора изменяется в первые месяцы хранения в верхнем полуметровом слое навала. При плотном сложении внутри торфа отмечены существенные колебания концентраций газов, низкие величины 02и высокие СОг [102].
Для анализа микрофлоры авторы 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 крахмало-аммиачном 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" [101].
Результаты работ показали, что за год хранения торфа в навале количество некоторых групп организмов (табл. 4.5) увеличивается в 3-5 раз, а для отдельных групп на порядок, по сравнению с торфом в естественном состоянии. Исследования показали, что и на глубине 1,5 м в складчатой единице активность микрофлоры довольно существенна. Преобладают бактерии аммонификаторы, которые начинают процесс разложения органического азота, олигонитрофильные и 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 торфяных почвах, спорообразующие вступают в процесс на более поздних стадиях. В верхних слоях навала их количество достигает 250 тыс. на 1 г. абсолютно сухого вещества, что говорит об интенсивном процессе распада органического вещества. Что касается нитрификаторов, деятельность которых связана с окислением аммиачных форм азота в нитритные и нитратные, то их количество связано с интенсивностью аммонификации - чем больше нитрификаторов, тем меньше аммонификаторов. Таким образом, нитрификация в сильноразложившемся торфе проходит 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 [102].
Интересные результаты были получены этими же авторами за год содержания торфа в водонасыщенном состоянии в помещении табл. 4.5 [101]. Выяснилось, что фускум и комплексный верховой торфа значительно богаче микроорганизмами, чем ангустифолиум и особенно магелланикум. 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 обнаружено присутствие газообразующих микроорганизмов, развивающихся за счет разрушения белков и углеводов. Верховые затопленные торфа значительно беднее микроорганизмами, чем затопленные низинные. Так в осоково-гипновом торфе аммонификаторов и олигонитрофилов в 7-9 раз больше. В тростниковом торфе с глубины 0,5 м количество бактерий близко к содержанию их в верховых видах (ангустифолиум, фускум).
Сравнивая количество микроорганизмов низинного осокового торфа (разложение 25-40 %) в естественном состоянии и в затопленном, видно, что число бактерий аммонификаторов, олигонитрофилов и усваивающих минеральный азот также значительно увеличилось и при опытах с водонасыщением. Споровых бактерий стало примерно в 5-9 раз больше в обводненном торфе, чем при хранения в навалах. Число маслянокислых бактерий 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 хранении и проведении лабораторных исследований, как при обводнении, так и при свободном доступе к нему воздуха. Необходимо отметить, что изменения состава торфа могут быть связаны не только с увеличением степени разложения: изменяется также видовой состав самих торфообразователей - исчезают быстроразлагающиеся компоненты.
Причиной роста числа микроорганизмов, разлагающих органику, является также механическое нарушение частиц торфа. При фрезеровании, как и при отборе и подготовке образцов, на срезах волокон, где торф менее разложившийся, чем на их поверхности, появляются новые площади для развития микроорганизмов.
Рекомендации по использованию результатов исследований
Результаты исследований формирования состава и свойств торфов Томской области и разработанные на их основе классификации послужат дополнением к пособиям, инструкциям, правилам проведения инженерно-геологических изысканий при проектировании и строительстве промысловых, лесовозных дорог и других линейных сооружений на заболоченных территориях Западной Сибири. Особенностью работы являются классификации, основанные на выявленных взаимосвязях ботанического состава с физико-механическими свойствами, которые не учтены в нормативных документах, в то время как для Томской области и всей Западной Сибири, где преобладают малозольные слаборазложившиеся разновидности торфяных грунтов, ботанический состав является основной характеристикой состава.
Как отмечено в "Инструкции по проектированию и строительству автомобильных дорог нефтяных и газовых промыслов Западной Сибири" ВСН 26-90, проектирование земляного полотна на болотах необходимо осуществлять на основе региональных типизации, разработанных с учетом районирования территории региона по природным условиям. Приведенное в работе районирование территории по степени современного заболачивания, базирующееся на схеме Ю.А. Львова и материалах геологоразведочных работ (глава 3), дает возможность предварительно оценить особенности распространения торфов определенного состава на территории Томской области, а краткая характеристика инженерно-геологических условий округов, составленная на основе проведенных нами исследований формирования физико-механических свойств торфов, позволяет в общих чертах описать их физико-механические и фильтрационные свойства.
При изучении космоснимков, материалов аэрофотосъемки, при рекогносцировочном обследовании можно предварительно выделить характерные по ландшафтным признакам участки. Такое подразделение позволит прогнозировать строение торфяной залежи, а иногда и ее мощность, для чего можно воспользоваться предложенными О. Л. Лисе схемами развития олиготрофных сфагновых (для подзон средней и южной тайги) и осоково-гипновых болот (для подзоны подтайги и зоны лесостепи) [115], дополненными нами типами по степени сжимаемости торфов, образующихся на данных стадиях развития. Встречаемость характерных видов торфа под грядами и мочажинами в комплексах биогеоценозов грядово-мочажинного, озерково-грядово-мочажинного типа, а также на болотах где развиты сосново-кустарничково-сфагновые биогеоценозы приведена в прил. 3 (из работы [115]). После предварительного определения состава торфяных отложений можно воспользоваться классификациями (табл. 7.8 и 7.9) для установления их физико-механических и фильтрационных свойств.
При проведении полевых работ на первом этапе изысканий, при проходке скважин, отбирают пробы для установления наименования грунтов — визуального определения ботанического состава (что не всегда соблюдается), степени разложения, зольности. Так как лабораторных испытаний на данном этапе не проводят, после установления состава грунта оценить физико-механические свойства поможет типизация торфов по степени сжимаемости (табл. 7.6), а установить модули осадки можно в первом приближении по графикам на рис. 7.7.
Именно на этом этапе можно получить более точные прогнозы, используя видовой состав торфа, что особенно важно для многослойных залежей. При определении названия вида торфа необходимо обратить внимание на содержание древесных остатков и к древесным видам относить торфа с их содержанием не менее 60-70% от всех растений-торфообразователей. После предварительного определения видового состава, данные для уточнения физических свойства (W, е, р, pa) наиболее распространенных видов торфа рекомендуется брать из табл. 6.1. Фильтрационные характеристики приведены в табл. 7.8, если этот вид не указан в таблице в округе, где проходят работы, то следует воспользоваться табл. 7.9.
Знание прочностных свойств (табл. 7.9) позволит определить строительный тип торфа по классификации В.Д. Казарновского [150] и условия проходимости техники по болотным массивам по классификации Л.С. Амаряна [2] в их естественном состоянии (или осушенном) и после нарушения структуры торфа верхнего слоя залежи.
Видовой состав торфов также характеризует условия среды - кислотность и ее агрессивность по отношению к металлам и бетону (табл. 4.4).
Для расчетов пористости, коэффициента водонасыщения, полной влагоемкости, можно воспользоваться приведенной в табл. 6.3 плотностью частиц торфов для наиболее распространенных видов.
По окончании первого этапа обследования в выводах приводят предварительное заключение о целесообразности или нецелесообразности проработки варианта, предусматривающего использование слабой толщи в качестве основания. При решении этих вопросов, имея сведения о видовом составе торфяных отложений можно по типизации приблизительно оценить их деформируемость - с помощью рис. 7.9 и 7.10 определить модули осадки торфов. Здесь необходимо отметить, что наиболее неблагоприятными для использования в качестве оснований, судя по максимальным модулям осадки и по прочностным свойствам, являются сфагновый мочажинный, магелланикум, ангустифолиум, комплексный торфа (табл. 7.9).
Если установлена целесообразность использования торфов в качестве основания на втором этапе бурят скважины и испытывают грунты на сдвиг с помощью крыльчатки на возможных вариантах трассы. Границы расчетных слоев устанавливают предварительно по визуальным признакам с учетом ботанического состава. При проходке скважин отбирают пробы грунтов с нарушенной структурой и определяют в полевой лаборатории: влажность, зольность, степень разложения, плотность частиц грунта (выборочно для слоя). В случае, когда ботанический состав не определен, модули деформации можно получить с номограммы по влажности рис. 6.14. Желательно на данном этапе определить коэффициенты пористости и ботанический состав микроскопическим методом. Если определена только ботаническая группа и известен коэффициент пористости (для неосушенных массивов e=W ps), модули осадки и деформации получают по графикам (рис. 6.15 и 6.16). Зная точно видовой состав можно определить модули осадки по графикам (рис. 7.9 и 7.10) или рассчитать модули осадки и деформации при заданной нагрузке по параметрам обобщенной компрессионной кривой этого вида торфа (табл. 7.8 или 7.9, уравнение (6.1) и формулы (6.2) и (6.3)). По результатам второго этапа обследования уточняют предварительный вывод о целесообразности дальнейшей проработки варианта с использованием слабой толщи в качестве основания.
На третьем этапе проводят испытания на компрессию, консолидацию и сдвиг в стационарных лабораториях с учетом скорости изменения состава торфа при хранении в условиях отличных от естественного залегания. Если планируется использовать торфа в их естественном состоянии - в залежи, то опыты должны проходить по ускоренным методам сразу после доставки образцов. Обработка ускоренных испытаний должна проводиться без учета результатов долговременных опытов, в значительной мере обусловленных разложением торфа. В данном случае для получения деформационных характеристик наиболее приемлема экстраполяция консолидационных кривых (глава 6) или применение релаксометров. Определение сопротивления торфов сдвигу в лабораторных условиях рекомендуется проводить по методу Н.Н. Маслова на образцах с различной пористостью, полученных при кратковременных нагрузках и строить обобщенные графики зависимости т от е.
