профессор, д. г.-м. н. Дашко Регина Эдуардовна Национальный минерально-сырьевой

гидрогеологии и инженерной геологии
Междисциплинарный подход к инженерно-геологическим и геотехническим исследованиям

при освоении и использовании подземного пространства городов

Санкт-Петербург 2013 г.

24 м
Химический состав подземной воды:

М = 1900-2000 мг/дм3
Ca2+, Mg2+, NH4+
Cl-,

SO42-, HCO3-
H2S
pH≈6,0
Перманганатная окисляемость > 70 мгО2/дм3

Ожидание

Реальность

l IVm

g III

g III

l IVm

12 м

lg III

lg III

lg III

различных средах (по СП 32-105-2004)

Результаты микробиологических исследований пробы разрушенного битума

(ПК 267+92)

а) колонии грибов, изолированные из пробы битума;
б) массовое развитие гетеротрофных бактерий из пробы битума (фото Д.Ю. Власова)

Биокоррозия битума

квазисплошная среда
дав-ле
ние
сточные воды с биотической и абиотической

органической компонентой

тем-пера-тура

сооружение

двух- или трех фазная среда

трещиновато-блочная среда

Квазиоднофаз-ная среда

изменение физико-химических условий

изменение напряжен-ного состояния

изменение биохимичес-ких условий

изменение температур-ного режима

обоснование расчетной модели

изменение параметров свойств пород

количественная оценка прочности и устойчивости основания

породы (грунты) основания

Факторы набухания

конструкции

картине деформации грунтов в основании сооружений?
Теория фильтрационной консолидации К. Терцаги

была разработана в 1925 году когда еще не была создана физическая теория прочности грунтов и ничего не было известно о структурах воды. Первая модель о кристаллохимическом строении воды была предложена в 1933 году Д. Берналом и Р. Фаулером. Карл Терцаги писал «…моя теория вышла из чернильницы и должна проверяться практикой» 1926 г.

Невозможность применения классических уравнений обобщенного закона Гука в широком диапазоне действующих напряжений

К теории фильтрационной консолидации водонасыщенных глинистых грунтов

содержания фракций
< 0,002мм (Мс) и влажности (W)
(Определения Т1

с помощью ядерно-магнитного резонанса)

Wp < W < WТ

пород от концентрации поровых
растворов различных солей
(глина гидрослюдистого состава, Мс=54%;

W=WТ)

минерального состава
от влажности (W)

(σ) в глинистых грунтах малой (I) и средней (II) степени

литификации
Замер порового давления иглодатчиками

1 – Мс = 8%; W = 29%; γ = 1,89 т/м3

2 – Мс = 25%; W = 33%; γ = 1,86 т/м3

3 – Мс = 44%; W = 39%; γ=1,82 т/м3

4 – Мс = 64%; W = 48%; γ=1,76 т/м3

1 – Мс = 9%; W = 10%; γ= 2,10 т/м3

2 – Мс = 22%; W = 14%; γ=2,08 т/м3

3 – Мс = 34%; W = 20%; γ=2,15 т/м3

I

II

1

2

4

3

1

2

3

Iнфк – градиент начала фильтрационной консолидации
Мс – содержание глинистой фракции в грунте

Sr  1,0
(одномерное сжатие)

в зависимости от содержания глинистой фракции (Мс)
(одномерное сжатие)

глинистого грунта за счет физико-химических и биохимических процессов, что сопровождается

ростом расклинивающего давления поровой воды, находящейся под влиянием активных центров глинистых частиц (давление набухания).

σzсоор. + σzсв < σнаб.

W > 17%

W = 14-15 %

Понятие о набухании

W

в зависимости от естественной влажности
Possibility of the swelling depending on

initial water content

We < Wнаб

We < Wsw

Wнаб > We

Wsw > We

Традиционные подход
Traditional approach

Реальность
Realistic approach

Wsw= (0,5-0,7)*Wl

liquid limit

фракции.
Низкоактивные ( группа каолинита)
Среднеактивные (группа гидрослюд)
Высокоактивные
(группа монтмориллонита)
Глинистые минералы
Величина свободного

набухания δ, %

Давление набухания δ, %

водонасыщения. Может ли грунт набухать при Sr = 1,0?

5.

Текстура грунтов - анизотропия набухаемости

6. Температура растворов, взаимодействующих с грунтами - влияние структуры воды

ними растворов
Физико-химические процессы
Глинистый грунт анализируется без мембранных эффектов
Сорбционные
Диффузионные
Псевдоосмотические

солей и осмотическом
оттоке воды (Wнач ≥ Wн)
Концентрация фильтрующего раствора,

С

Jкпоу

I Qдиф=f (grad С)

II Qосм=F(С)

Qдиф=Qосм

Q

Градиент концентраций, Jк

Баланс

влаги

- диффузионное
набухание

- осмотическая
усадка

Споу

среда
Сф > Cпор – диффузия гидратированных ионов
Диффузионное набухание

глин в растворах различных
электролитов (Wнач ≈ Wр)
Диффузионно-адсорбционное набухание
1) Wе

≤ Wр Сф > Сп

(фильтрация по трещинам)
Блоковое строение глин – трещиновато-пористая среда
Сф < Cпор

– диффузия гидратированных ионов

Изменение величины (δ) и величины набухания (σн)гидрослюдистой глины

в зависимости от начального засоления (Сn) (Mc=37%; W=37%)

в г/л («порог осмотической усадки»), выше которого начинается осмотическая усадка

за счет оттока воды из грунта;
Мс - содержание глинистой фракции в грунте в долях единицы;
W - начальная влажность глинистого грунта при условии его полного водонасыщения в естественных условиях залегания (до поступления промстоков);
Wр – влажность грунта на пределе раскатывания;
В – эмпирический коэффициент (г/л), зависящий от гранулометрического и минерального состава грунта.

Сф >> Сп

Санкт-Петербурга
природные
техногенные
болота, в том числе погребенные
факторы активизации
радон из тектонических разломов
минерализо-ванные подземные

воды из глубоких горизонтов

утечки из системы водоотведения

захороненные хоз.-быт. отходы 18-19 вв.

современные свалки

фактор активизации

отепляющий эффект на застроенной территории

Намывные грунты

хранилища радиоактивных отходов

000
ДБК
ПМ
Разнообразие форм микробиоты в подземном пространстве
Санкт-Петербурга (исторический центр)
Глубина

опробования 6,0 -40,0 м

РК - остатки микроводорослей
КТ - бактериальная клеточная стенка - «клеточная тень»
ПМ - продукты метаболизма
увеличение х17 000

Бкол - бактериальная колония из нитевидных культур
увеличение х13 000

БК – бактериальные клетки;
ДЧ – дисперсная частица грунта;
ПМ – продукты метаболизма
ДК - деструктурированная клетка
увеличение х38 000

Колонии мицелиальных грибов (отдел Еumycota)
ПМ -плодоносящий мицелий
СС - спорангий со спорами
увеличение х1800

Бкол

суглинки, глины ленточные, суглинки неяснослоистые
lgIIIb
Ледниковые (стадия валдайского оледенения) супеси

и суглинки

Межморенные пески, суглинки и супеси

gIIIvd

lgII-III

gIIms

Ледниковые
(московское оледенение) супеси и суглинки

lgI-II

Межморенные суглинки и глины неяснослоистые

Глины морские слоистые плотные с прослоями песчаников

Содержание бактериальной
массы, БМ мкг/г

Краткая характеристика пород

Возраст

50 100 150 200 250 300

V2kt22

Микробная пораженность разреза четвертичных отложений и коренных глин в историческом центре Санкт-Петербурга

Примечание: величина бактериальной массы определялась по методу Бредфорд.

Приближается к 1000 мкг/г

ММ
Кф
, м/
сут
ММ,
мкг
/г
0,0001
0,001
0,01
0,1
1
10
0
50
100
150
Область
развития
плывунов
Использование
иглофильтровых
и
эжекторных
установок для
осушения песков
Кф
,

м/

сут

мкг

/г

0,0001

0,001

0,01

0,1

1

10

0

50

100

150

Область

развития

плывунов

Использование

иглофильтровых

и

эжекторных

установок для

осушения песков

(ММ) во времени (t)

МПа
σ, МПа
с > 0,1 МПа; φ = 10-12о
ММ< 10мкг/г
с

= 0,033 МПа; φ=0-2о
ММ > 200мкг/г

Изменение параметров сопротивления сдвигу нижнекембрийских синих глин (I) и моренных суглинков (II) при изменении физико-химических и биохимических условий (при накоплении микробной массы ММ)

Eh > 50 mV

Eh < 0 mV

с = 0,04 МПа; φ < 5о

ММ > 150мкг/г

I

II

мкг/г
Изменение параметров сопротивления сдвигу кембрийских песчаников в процессе преобразования физико-химических

и биохимических условий (увеличение содержания микробной массы ММ)

τ, МПа

с > 0,4 МПа; φ = 16о
ММ ~ 30 мкг/г

с = 0,05 МПа; φ = 8о
ММ > 150 мкг/г

σ, МПа

Eh > 100 mV

Eh < 0 mV

развития погребенных болот в разрезе Санкт-Петербурга
Общее содержание белковых соединений выражается

с помощью интегрального показателя – микробная масса по содержанию суммарного белка (СБ), определяемого по методу М. Бредфорд: ММ=Мжмо+Мммо+Мпм, где Мжмо и Мммо – белок живых и мертвых клеток микроорганизмов, соответственно; Мпм – белок продуктов их метаболизма.

lž
брожение уксусной кислоты:
СН3СООН СН4+СО2
восстановление СО2

молекулярным H2:
4Н2+СО2 СН4+2Н2О
биохимическая сульфат редукция:
8[Н+]+SO42- H2S+3H2O+2OH-

Основные типы биохимического газообразования метана и сероводорода

Газы в дисперсных грунтах


Размер пузырьков газа в порах менее 4 микрон. Согласно уравнению Лапласа величина поверхностного натяжения такова, что пузырек рассматривается как несжимаемый («твердый» пузырь согласно определению физиков). Такой пузырь влияет на структуру воды в сторону уменьшения величины Т1. В таком случае грунт считается несжимаемым за счет газовой составляющей.

газогенерации
Участки газообразования в литориновых отложениях (СН4, N2 , СО2)
Газопроявления в

микулинских битуминозных отложениях (газ азотно-углеводородный)

Сероводородное заражение

Линии разломов – очаги радоновой опасности

Участки газообразования в Четвертичных отложениях (СН4, N2 , СО2)

отходов в Ленинградской области
- зоны

активных региональных тектонических разломов (по данным ГГП «Севзапгеология»)
- предполагаемый район захоронения радиоактивных отходов ( Копорье)

части Ленинградской области (Дверницкий и др., 1999)

глинт в направлении ЮВ-СЗ (линия разреза проходит в 4-6 км

к северо-востоку от Копорья)

O1кр

Є1sv

V2vr-Є1lm -

V2kt2

О1-2

O1кр

Є-O

Є1sv

V2vr-Є1lm

V2kt2

- водоносный комплекс карбонатной толщи ордовика

- диктионемовые сланцы (относительный водоупор)

- водоносный комплекс терригенной толщи кембрия и ордовика

- водоупорый комплекс синих глин нижнего кембрия

- ломоносовский водоносный горизонт

- водоупорный комплекс котлинских глин венда

- зеркало грунтовых вод
- пъезометрическая поверхность ломоносовского водоносного горизонта

О1-2

Є-O

- источник

Q

Q

Масштаб:
Вертикальный 1:2000
Горизонтальный 1:50000

СЗ

ЮВ

120

100

80

60

40

20

0

Финский залив

синих глин Санкт-Петербургского региона по глубине разреза (вне зон тектонических

разломов)

м.
Модуль общей деформации, Ео, МПа
Интервалы изменения сцепления:
- Вне

зон тектонических разломов

- В зонах тектонических разломов

- Вне зон тектонических разломов

- В зонах тектонических разломов

Сравнительная характеристика прочности и деформационной способности синих глин по результатам трехосных испытаний

НАО в Силламяэ и в Санкт-Петербургском регионе

глин в зоне хранилища НАО и вне их

от осевого давления в условиях трехосного сжатия
Величина модуля общей деформации

синих глин основания хранилища НАО

нижнекембрийских синих глинах

от содержания микробной массы (ММ) в породе
ММ, мг/г
Увеличение x 17000
Увеличение

x 38000

основных минералов определяется совершенством их структуры и снижается по мере

перехода от кварца к глинистым минералам:



При радиационном воздействии на глинистые породы наблюдается изменение в валентных колебаниях связей Si-O и Al-O внутри слоя, вплоть до разрушения отдельных пакетов и минеральных частиц, при этом на поверхности появляется сорбированная вода и отделяется кристаллизационная вода.

минералов с последовательным выделением кристаллизационной, а затем конституционной воды из

решетки минерала. Удаление кристаллизационной воды отражается на химических, физико-химических и физико-механических свойствах глинистых пород, а удаление конституционной воды приводит к полному разрушению кристаллической решетки.

Дегидратация и разрушение глинистых минералов:

хлорит (Fe,Mg)n-p(Fe,Al)2pSi4-pO10[OH]2(n-2) * H2O,
гидромусковит K<1Al2[(Si,Al)4O10][OH]2*nH2O,
гидробиотит K<1(Mg,Fe)3[(Si,Al)4O10][OH]2*nH2O,

за счет отделения кристаллизационной (nН2О) и конституционной (ОН) воды.

Происходит аморфизация глинистых минералов, за счет чего возрастает сорбционная способность облученных глин.
До облучения Е равнялось 12-14 мг*экв/ 100 г породы, после облучения Е составило 22-24 мг *экв/ 100 г породы.

пути происходит ионизация молекул:

Вторичные электроны в свою очередь ионизируют еще несколько молекул воды.

Процесс радиолитического разложения воды может быть представлен в виде восьми составляющих:

G(-H2O) Gēaq ēaq + GHH + GOHOH + GHO2HО2 + GH2H2 + G H2O2H2O2 + GH+H+ + G0H-OH-,

где: Gēaq ēaq – гидратированный электрон (полярон); GHH – атомарный водород, GонОH и GHO2HО2 – радикалы и т.д.

Обычно полярон образуется в результате первичной реакции:



Образование радикалов и других соединений ( и ) происходит как результат вторичных реакций типа:










По химическим свойствам радикал ОН является окислителем, а атом Н – восстановителем. Соответственно, компоненты глинистой породы, способные к окислению, вступают в реакцию с ОН, а вещества, способные восстанавливаться, реагируют с атомами Н.

газообразование с выделением свободного кислорода и азота согласно следующим реакциям:



В

присутствии кислорода:


Радикалы Н могут рекомбинироваться в Н2, а радикалы в ОН (или Н2О2) расходоваться на окисление различных составляющих твердой фазы синих глин, например, пирита и мельниковита:


Образование углекислого газа и водорода в присутствии органики возможно по следующей схеме:


При этом одновременно наблюдается радиационно-химическое связывание газообразного азота:




Таким образом, приведенные выше реакции показывают, что продукты радиолитического газообразования вносят свой вклад в снижение pH поровых растворов отложений, а следовательно, и их химической трансформации.

Радиолиз поровой воды

в нижнекембрийских глинах
!
?
?
?
?
!
!
!

в нижнекембрийских глинах
?
!

в нижнекембрийских глинах
?
?
?
!
!
!

в нижнекембрийских глинах
?
!

Контейнер
Буферная зона
Стенка скважины
Окружающая горная порода

Засыпка (химический барьер)

Упаковка

Схема размещения РАО в подземных выработках

по законам, которые начинают действовать в зависимости от интенсивности нарушения

природного равновесия и реакции подземной среды на такое воздействие. При этом реактивное сопротивление подземной среды может протекать по следующим сценариям.

1. Приспособление компонентов подземной среды через ряд последовательных изменений, происходящих на микро- и макроуровнях, в том числе к новому напряженному состоянию, изменению физико-химических условий, новой биохимической обстановке, температурному режиму.
2. Достижение нового равновесного состояния, но при условии значительного преобразования компонентов подземного пространства. При этом существует возможность нормального функционирования ПТС. Такой сценарий может развиваться только при идеально выполненном количественном прогнозировании практически всех процессов, которые могли бы вызвать последствия, пагубные для нормального функционирования техногенной системы (сооружений или комплекса сооружений).

Вместо заключения