Грунты несанкционированных строительных отвалов и свалок (на примере территории г. Москвы)

Глава 3. Состав техногенных грунтов несанкционированных строительных отвалов и свалок.

Грунты несанкционированных строительных отвалов и свалок рассматриваются как многокомпонентная динамическая система, включающая твердый, жидкий и газовый компоненты, а также биотическую составляющую. В третьей главе на основе собственных исследований и фондовых данных дается покомпонентное описание состава; фактический материал представлен в виде таблиц и рисунков.

Согласно результатам изучения твердого компонента исследуемых образцов, крупнообломочные включения техногенных грунтов строительных отвалов и свалок представлены в основном антропогенными образованиями, реже обломками скальных и полускальных грунтов; песчаные фракции - и техногенными, и природными; а пылеватые и глинистые - преимущественно природными переотложенными дисперсными разностями, часто измененными за счет техногенного воздействия и процессов, протекающих уже в массивах техногенных грунтов.

Крупные включения (> 2,0 мм) представлены обломками пород, строительным мусором (крошкой бетона и кирпича, щепой древесины, осколками стекла, металлическими предметами), а также полиэтиленом, шлаками и углем, бытовым мусором. На долю природных обломков, по встречаемости включений, приходится 7-36 %, в среднем 18 % (по разным участкам исследования), бытового мусора - от 0 до 13 %, в среднем 7 %; остальное в целом можно отнести к строительному мусору. Увеличение содержания крупных включений обычно связано с увеличением доли строительного мусора в грунтах. Состав включений более 2 мм наглядно отражает присутствие в пределах каждого исследуемого участка насыпных грунтов, имеющих разные источники формирования (грунтов разных типов).

В мелкообломочных фракциях (0,1-2,0 мм) зерна кварца преобладают, составляя в среднем 49 % от общего числа зерен; причем в грубопесчаной фракции (1,0-2,0 мм) - 20 %, мелкопесчаной (0,1-0,25 мм) - 71 % (по данным анализа 30 фотографий, 2157 зерен). В песчаных фракциях также встречаются полевые шпаты, кальцит, темноцветные минералы, обломки пород. Содержание карбонатов (в среднем 15 %) сопоставимо с количеством других минеральных зерен, но наблюдаются более резкие вариации их содержания в грунтах (от 1-12 до 21-39 % в разных фракциях), что связано с наличием <техногенно привнесенных> и новообразованных карбонатов. В качестве отдельных включений в мелкообломочных фракциях присутствуют кирпич, древесина, стекло и шлак. Их содержание в среднем составляет по 5-7 % от общего числа зерен и сильно изменяется между образцами.

В целом, в техногенных грунтах до 35-50 % песчаных зерен могут быть представлены материалом антропогенного происхождения (включая карбонаты), содержание которого уменьшается с ростом дисперсности грунтов, а доля природной составляющей увеличивается. Это хорошо прослеживается по средним значениям содержания зерен разного состава (рис. 1).

По данным валового химического анализа, во фракциях менее 2 мм рассматриваемых грунтов сохраняется тот же порядок содержания отдельных элементов, что и для пород естественного происхождения. Это еще раз свидетельствует о преобладании в дисперсной массе техногенных грунтов природной составляющей. Тем не менее, по сравнению с соответствующими по дисперсности природными аналогами, более высокое содержание кремния, натрия, серы, потерь при прокаливании, а также кальция в химическом составе части образцов техногенных грунтов не исключают геохимических процессов преобразования исходного природного твердого компонента грунтов. Содержание большинства рассматриваемых элементов, включая основные - кремний и алюминий, более близки средним данным химического состава природных песчаных пород, а не глинистых, несмотря на то, что исследуемые грунты являются преимущественно супесями и суглинками.

Фактор природной составляющей минерального состава дисперсной массы является определяющим: как и в природных грунтах, здесь основную часть составляют первичные силикаты (74-92 % по средним значениям на разных участках исследования), присутствуют карбонаты (1-5 %, редко до 13 %), глинистые минералы (2-9 %) и рентгеноаморфное вещество (РАВ, 2-16 %). Ассоциации глинистых минералов большей части техногенных грунтов соответствуют типам 1а и 2 природных ассоциаций глинистых минералов (по В.Г. Шлыкову, 1998), как и преобладающая часть глинистых грунтов на территории г. Москвы. Особенности минерального состава техногенных грунтов заключаются в: присутствии минеральных комплексов, привнесенных при формировании насыпи (карбонаты, минералы цементного камня, кирпича и др.); образовании минералов in situ (гидроокислы железа, пирит, гипс и др.). Присутствие в составе РАВ также определяется как исходным составом материала, используемого при создании насыпных массивов, так и процессами минерального новообразования, протекающими в грунтах строительных отвалов и свалок.

Рост дисперсности сопровождается увеличением средних содержаний глинистых минералов и РАВ. Однако максимальные содержания этих показателей получены для супесей и суглинков. Необходимо отметить существенное содержание РАВ в песчаных отложениях (в среднем 9 %). Содержание карбонатов не зависит от дисперсности.

Исследованиями было установлено, что около 70 % анализируемых грунтов являются незасоленными, т.к. содержат менее 0,30 % водорастворимых солей. В незасоленных грунтах колебание величины сухого остатка случайно. Засоление может наблюдаться в грунтах разной дисперсности. Отдельные включения средне- и сильнозасоленных разностей встречаются как в приповерхностном слое, так и на глубинах 4-4,5 м и 5,2-8,5 м. Для грунтов, содержащих 0,3-0,9 % водорастворимых солей (супесей и суглинков) тип засоления грунтов - хлоридно-сульфатный и сульфатный; сульфатный и сульфатно-содовый типы засоления характерны для грунтов с содержанием водорастворимых солей более 0,9 %. По содержанию хлор-ионов все исследуемые грунты имеют высокую коррозионную активность по отношению к алюминиевой оболочке кабеля. Тип засоления, определяемый по катионам, преимущественно кальциевый, реже кальциево-магниевый. Кислотно-основные условия характеризуются преимущественно нейтрально-слабощелочной средой; влияние на рН среды оказывают, в первую очередь, техногенно привнесенные карбонаты.

Содержание органического вещества (С_орг) в техногенных грунтах изменяется от 0 до 3,6 %, реже 11,7 % и на разных участках по средним значениям составляет 0,3-3,0 %; относительно низкие его содержания характерны для техногенно переотложенных грунтов, более высокие - для свалочных грунтов и грунтов культурного слоя; среди изученных образцов природных подстилающих грунтов общее содержание органического вещества не превышает 0,70 % (табл. 1). Экспериментально установлено, что содержание С_орг более 1 % наблюдается в абсолютном большинстве у грунтов, на долю песчаных фракций которых приходится более 60-70 %, что не характерно для природных отложений и объясняется более легким смешением несвязных компонентов при формировании техногенного массива. Распределение содержания органического вещества в техногенных грунтах не закономерно, для большинства техногенных грунтов характерно не рассеянное содержание органических веществ, а локальное, в виде отдельных <гнезд> и линз, в которых содержание органического вещества может увеличиваться в несколько раз относительно значений в осредненной пробе; такая неоднородность наблюдается уже на уровне образца.

Таблица 1. Общее содержание органического вещества в техногенных грунтах
Содержание органического вещества, %	Количество образцов
	техногенные грунты				природные подстил. грунты
	пески	супеси	суглинки	глины	пески	супеси	суглинки
менее 0,1 %	2	5	6	0	3	0	3
0,1-1 %	15	28	47	1	2	1	7
более 1 %	6	31	5	1	0	0	0
Примечание: подстилающие грунты представлены аллювиальными песками и супесями, покровными суглинками, моренными суглинками и флювиогляциальным суглинком.

Тип засоления грунтов - хлоридно-сульфатный и сульфатный - обусловливает проявление агрессивности жидкого компонента к строительным материалам и конструкциям, имеющей преимущественно техногенный характер. Грунтовые воды в пределах города на исследуемых участках могут содержать в повышенных количествах нефтепродукты и тяжелые металлы; концентрации как макро-, так и микрокомпонентов могут значительно превышать нормативные требования.

Характеристика газового компонента техногенных грунтов несанкционированных строительных отвалов и свалок определяется в первую очередь возможностью образования биогаза в грунтах, где при наличии доступной для разложения микроорганизмами органики и других благоприятных условиях возможно развитие процессов газогенерации подобно полигонам ТБО. В других случаях состав газа можно считать близким к атмосферному или определяющимся процессами почвообразования в техногенных грунтах. Основные компоненты биогаза, как и на полигонах ТБО, - метан и двуокись углерода; содержание водорода, кислорода и азота определяются условиями и стадией разложения органики; наличие тяжелых углеводородов связано с другими источниками воздействия, например, присутствием нефтепродуктов в техногенных грунтах (литературные данные подтверждаются собственными исследованиями). Вертикальная зональность геохимических процессов часто хорошо прослеживается и в грунтах строительных отвалов и свалок, но на участках исследования, где не вся толща подвержена газогенерационным процессам, границы между зонами могут располагаться на разных глубинах. В подстилающих природных грунтах возможно образование вторичных полей с повышенным содержанием двуокиси углерода и реже метана. Изучение газового компонента в процессе бурения скважин проводилось на 7 из 11 участков исследования. Взаимосвязей между различными показателями состава, некоторых свойств техногенных грунтов и концентрациями СН₄ и СО₂ в грунтовом воздухе скважин, отобранном в процессе их бурения, не выявлено, что может объясняться хорошей миграционной способностью биогаза.

При повышении температур до 50-100^oС техногенно переотложенные грунты могут генерировать газ в ощутимых объемах (за счет термодеструкции органического вещества). Это актуально, особенно на локальных участках вблизи теплоцентралей, котельных и других объектов, способствующих повышению температуры вмещающих массивов. Согласно проведенным исследованиям, степень катагенетического преобразования органического вещества природных грунтов (суглинка gIIms, глин J₃ и C₃hm₂) не превышает стадию начала протокатагенеза, т.е. эти грунты никогда не испытывали <пластовые> температуры выше 50-60^oС. Привнесение органических веществ при формировании массивов техногенных грунтов (древесины, древесины со смолой, текстиля) способствует снижению температур генерации газов, увеличению их общего объема и разнообразию состава.