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

Глава 6. Инженерно-геологическая и эколого-геологическая оценка техногенных грунтов и массивов несанкционированных строительных отвалов и свалок.

Первая часть главы посвящена характеристике результатов изучения фактора времени в формировании состава, строения, состояния и свойств техногенных грунтов строительных отвалов и свалок. Разнообразие состава грунтов и особенности формирования техногенных массивов не всегда позволяют по ограниченному количеству образцов однозначно выделить и определить закономерности изменения их различных показателей во времени. Тем не менее, на основе сравнения данных по грунтам, образованным от 25 до 200 лет назад, можно сделать следующие выводы.

Существенных изменений минерального состава техногенных грунтов строительных отвалов и свалок с течением времени не выявлено. Повышенное содержание карбонатов в грунтах с примерным возрастом 200 лет связано с особенностью формирования типа техногенных грунтов культурного слоя.

Среди грунтов, имеющих возраст до 50 лет, есть образцы с высоким содержанием водорастворимых солей. Засоление грунтов не определяется возрастом отложений; может увеличиваться в зонах повышенного техногенного воздействия.

Содержание органического вещества в техногенных грунтах строительных отвалов и свалок существенно как в образцах 30-35 летнего возраста, так и в грунтах, образованных около 200 лет назад. Тенденция увеличения среднего содержания органического вещества с возрастом образования насыпи носит обусловленный дисперсностью грунтов характер, так как высокие значения содержания органического вещества характерны для супесей, доля которых повышается с увеличением возраста образования насыпи.

В грунтах, образованных до 30-35 лет назад основная часть агрегатов имеет пылеватую размерность, а в грунтах возрастом более 40 лет - песчаную. Таким образом, с течением времени в техногенных грунтах происходит увеличение размера агрегатов. Существенные значения коэффициента агрегированности фракций менее 0,005 мм наблюдаются в грунтах всех выделенных возрастов, уже с 25 лет.

Высокие значения пористости и низкие - плотности скелета, прочностных и деформационных свойств могут наблюдаться и в древних грунтах культурного слоя (200 лет). С другой стороны, среди относительно молодых техногенных образований (преимущественно переотложенных природных грунтов) встречаются разности, по своим характеристикам близкие к природным местным грунтам и за 25-30 лет прошедшие период самоуплотнения.

В техногенных грунтах строительных отвалов и свалок разного возраста, содержащих органическое вещество, доступное микроорганизмам для разложения, сохраняется общая тенденция изменения состава газового компонента со временем, характерная для полигонов ТБО, но с более низким средним содержанием биогаза в грунтах. Соотношение отдельных компонентов биогаза позволяет даже в пределах одного участка исследования выделять зоны, отвечающие разным этапам преобразования органического вещества (одного из наиболее существенных процессов техногенного литогенеза изучаемых грунтов). Процессы активного метаногенеза протекают как в грунтах 30-ти, так и 50-ти летнего возраста. Состав газового компонента грунтов может применяться как показатель степени преобразования массивов техногенных грунтов строительных отвалов и свалок.

Во второй части главы представлена типизация грунтов несанкционированных строительных отвалов и свалок. В ее основу положена инженерно-геологическая типизация насыпных грунтов городских территорий, уже упоминаемая и разработанная на кафедре инженерной и экологической геологии МГУ с учетом разработок Ф.В. Котлова.

Среди различных типов насыпных техногенных грунтов города были выбраны типы грунтов, слагающих массивы несанкционированных строительных отвалов и свалок, которые послужили основой для создания данной типизации (табл. 2). Исследуемым типам насыпных грунтов города присвоены номера от 1 до 7. По вещественному составу, определяющему тип техногенных грунтов, тип 1 (грунты отвалов из подземных горных выработок и строительных котлованов) был дополнительно разделен на две категории (1а и 1б) в связи с различающимся составом (присутствием среди типа 1б раздробленных скальных и полускальных грунтов каменноугольного возраста - отвалов Метростроя). Часто на одном участке распространения техногенных грунтов присутствуют сразу несколько из выделенных типов, в том числе среди планомерно отсыпанных грунтов, которые также рассматриваются среди грунтов строительных отвалов и свалок города.

Учитывая предрасположенность изучаемых грунтов к самопроизвольно возникающему процессу газогенерации, подтип в предлагаемой типизации определяется по наличию биогаза в поровом пространстве грунтов и непосредственно их газогенерационной способности. Выделяется 4 подтипа: Н - грунты, не содержащие биогаз, концентрации СН₄, СО₂, N₂ которых имеют фоновые значения и не наблюдается дефицита О₂; С - грунты, в поровом пространстве которых присутствуют повышенные концентрации СО₂ при возможном дефиците О₂ и повышенном содержании N₂; М - грунты, содержащие СН₄ в концентрациях более 0,1 % об. при разном соотношении содержания остальных газов; Г - газогенерирующие грунты, соответственно содержащие СН₄ и СО₂ в разных соотношениях.

Вид техногенных грунтов строительных отвалов и свалок, как и во многих классификациях, определяется дисперсностью грунтов. В пределах большинства типов выделены виды грунтов: крупнообломочные, песчаные и глинистые (супеси, суглинки, глины). Для типа 4 - отходов разрушенных строительных материалов и конструкций и другого строительного мусора - также крупногабаритные.

Разновидность грунтов строительных отвалов и свалок в предлагаемой типизации определяется по степени заполнения пор водой (коэффициенту водонасыщения, S_r) - для песчаных, и консистенции (показателю текучести, I_L) - глинистых грунтов (табл. 2). Эти показатели предлагается определять согласно ГОСТ 25100-95. В полевых условиях, при невозможности отбора песчаных грунтов ненарушенного сложения, допускается их деление на водонасыщенные (соответствующие Sr 0,8-1,0 д.е.) и не водонасыщенные (включающие разновидности грунтов малой - 0-0,5 д.е. и средней - 0,5-0,8 д.е. степени заполнения пор водой). Показатели естественного сложения (плотности, пористость и т.д.) как признак подразделения в этой типизации не используются из-за трудностей их определения у техногенных грунтов, часто имеющих высокую пористость и уплотняющихся в процессе бурения скважин. Использование для целей типизации данных зондирования также невозможно, поскольку общепринятых правил их интерпретации для техногенных грунтов не существует.

Таблица 2. Инженерно-геологическая типизация грунтов несанкционированных строительных отвалов и свалок
Класс (по генезису)	Группа (по виду деятельности)	Подгруппа (по способу обр-ния)	Тип (по составу)		Подтип (по наличию биогаза и газоген. сп-ти)	Вид (по дисперсности)	Разновидность
			Название	Вещественный состав
Техногенно образованные (ТО), техногенно переотложенные (ТП)	Инженерно-строительные (ИС), промышленные (П), хозяйственно-бытовые (ХБ)	Планомерно отсыпанные	1. Грунты отвалов из подземных горных выработок и строительных котлованов (ТП; ИС)	1а. Песчаные, глинистые	не содержащие биогаз (Н); содержащие СО2 (С); содержащие СН4 и СО2 (М)	песчан., глинист.	Выделяется по степени влажности (Sr) и консистенции (IL) грунтов (ГОСТ 25100-95).Пески: малой степени водонасыщ., средн. степ. водонасыщ., насыщ-ные водой. Супеси: твердые, пластичные, текучие. Суглинки и глины: твердые, полутверд.; тугопласт., мягкопл., текучепл., текучие
				1б. Крупнообломочные, песчаные, глинистые (отвалы Метростроя)		крупнооблом., песчаные, глинист.
		Стихийно и планомерно отсыпанные	2. Отходы промышленных производств (ТО; П)	Шлаки, золы, хвосты, формовочные земли, металлические, древесные, химические, текстильные и др. отходы	Н; С; М	крупнооблом., песчаные, глинист.
			3. Грунты отвалов с повышенным содержан. органики особого состава (ТП, ТО; ИС, ХБ)	Переотложенные почвенные горизонты и торфа, иловые осадки сточных вод,	Н; С; М; Г (газогенерирующие)	песчаные, глинистые
		Стихийно отсыпанные	4. Отходы разруш. строит. материалов и конструкций, др. строит. мусор (ТО; ИС)	Битый кирпич, камень, стекло, крупногабаритные и обломочные бетонные, металлические, деревянные, пластмассовые и др. отходы	Н; С; М	крупногабаритн., крупнообломочные
			5. Грунты свалок со строительным мусором (ТО, ТП; ИС)	Крупнообломочные, песчаные, глинистые, с примесью строительного мусора	Н; С; М	кр.-обл., песчаные, глинист.
			6. Грунты свалок со строит. мусором и быт. отходами (ТО; ИС, ХБ)	Крупнообломочные, песчаные, глинист., с прим. строит. мусора, хоз.-бытовых и др. отходов	Н; С; М; Г	кр.-обл., песчаные, глинист.
			7. Грунты культурного слоя (ТО; ХБ, ИС)	Беспорядочное переслаивание переотложенных грунтов с включениями хоз.-бытовых и строительных отходов	Н; С; М	крупнооблом., песчаные, глинист.

Предлагаемая типизация отражает разнообразный спектр техногенных грунтов несанкционированных строительных отвалов и свалок и позволяет дать инженерно-геологическую характеристику выделенным типам.

Данные, полученные при изучении в лабораторных условиях техногенных насыпных грунтов, отобранных на территории г. Москвы, позволяют охарактеризовать четыре из семи выделенных типов грунтов строительных отвалов и свалок: 1, 5, 6, 7 (табл. 2). Второй и третий типы локально развиты в пределах г. Москвы. Включения шлаков встречаются как примеси в грунтах, содержащих строительный мусор и отнесенных к типу 5. Отходы разрушенных строительных конструкций (тип 4), учитывая их крупногабаритные размеры, практически не изучались. Инженерно-геологическая характеристика техногенных грунтов проводилась с учетом разных типов и видов.

Подгруппа планомерно отсыпанные. Тип 1а (отвалов из подземных горных выработок и строительных котлованов; преимущественно переотложенные грунты четвертичного возраста). В минеральном составе преобладает кварц. Грунты имеют средние содержания рентгеноаморфного вещества, встречающиеся и среди природных грунтов - 9-14 % (по средним значениям образцов разной дисперсности). Содержание карбонатов и органического вещества низкое, в среднем 2-3 % и 0,2-0,7 % соответственно. В грунтах разной дисперсности присутствие водорастворимых солей незначительно: величины сухого остатка изменяются от 0,07 до 0,20 %, рН среды нейтральная или слабощелочная. В песках и супесях содержание частиц крупнее 2 мм не превышает 14 %, т.е. по ГОСТ 25100-95 не влияет на название грунтов, а количество песчаных частиц - существенное и составляет по средним значениям у песков - 84 %, у супесей - 78 %. Грунты разной дисперсности имеют высокие показатели коэффициента неоднородности, несмотря на то, что представлены только природными переотложенными разностями, и разные коэффициенты агрегированности (от стабилизационного А до коагуляционно-цементационного типа структурных связей Г₁). Плотности твердого компонента более низкие относительно средних значений для природных грунтов и составляют в среднем 2,64 г/см³ несмотря на преимущественно глинистый состав исследуемых грунтов. Грунты обладают низкой коллоидной активностью.

Подгруппа планомерно отсыпанные. Тип 1б (отвалов из подземных горных выработок и строительных котлованов; грунты отвалов Метростроя). Имеют средние и высокие (у суглинков) содержания рентгеноаморфного вещества. Отличаются присутствием карбонатов в значительных количествах (до 22-46 %), наблюдаемым в отложениях разной дисперсности. Кислотно-щелочные условия преимущественно слабощелочные. На фоне общего низкого содержания водорастворимых солей встречаются образцы, сухой остаток в которых достигает 1,14 %, что скорее всего связано с влиянием поверхностного засоления. Содержание крупнообломочных включений в образцах этого типа может составлять более 15 %; встречаются крупнообломочные грунты. Содержание песчаных частиц в среднем на 10 % ниже относительно типа 1а. Низкие показатели величины среднего диаметра наблюдаются у суглинков за счет значительного содержания фракций пылеватых размерностей. Все образцы имеют очень высокие значения коэффициента неоднородности. В песках и супесях встречаются (по коэффициенту агрегированоости) стабилизационный, коагуляционный и пластифицировано-коагуляционный типы структурных связей (А, Б, В), в суглинках - пластифицировано-коагуляционный и смешанный коагуляционно-цементационный (В и Г₁). Грунты обладают низкой коллоидной активностью, некоторые суглинки имеют высокую коллоидную активность. Плотность твердого компонента, как и у грунтов типа 1а, в среднем занижена и составляет 2,63 г/см³ несмотря на преимущественно глинистый состав исследуемых грунтов.

Подгруппа стихийно отсыпанные. Тип 5 (грунты свалок со строительным мусором). Содержание карбонатов повышенное, у суглинков достигает 13 % (в среднем 5 %), а у песков и супесей - 18-37 % (в среднем по 9 %). При среднем невысоком содержании рентгеноаморфного вещества, среди супесей и суглинков встречаются образцы, где оно достигает 36-37 %. Органическое вещество в грунтах этого типа изменяется в существенных пределах и составляет по средним значениям в песках и суглинках - 0,6-0,7 %, а в супесях 1,2 %, достигая в отдельных образцах 2,6-2,9 %. Среди грунтов разной дисперсности встречаются образцы с высоким содержанием величин сухого остатка; рН среды изменяется от нейтральной до слабощелочной, отличительной особенностью грунтов этого типа является наличие супесей и суглинков с рН среды 9,3-10,6. Среди грунтов этого типа встречаются крупнообломочные разности и с песчаным, и с глинистым заполнителем. Для песков и супесей (как и у типа 1а) характерно высокое содержание песчаных фракций; для супесей - пониженное глинистых. Большинство образцов имеет очень высокие показатели коэффициентов неоднородности. Суглинки по коэффициенту агрегированности имеют типы структурных связей А, Б, В и Г₁, а среди супесей и песков встречаются образцы с цементационным типом структурных связей (Г₂). Средняя плотность твердого компонента, как и у грунтов предыдущих типов, равна 2,64 г/см³ при значительном разбросе значений. Большинство грунтов имеют низкую коллоидную активность, редко - среднюю и высокую.

Подгруппа стихийно отсыпанные. Тип 6 (грунты свалок со строительным мусором и бытовыми отходами). Среднее содержание карбонатов - 6-7 %; в отдельных образцах песков может достигать 9 %, супесей - 20 %, суглинков - 41 %. Содержание рентгеноаморфного вещества, при существенных его изменениях, в песках в среднем составляет 4 %, а в супесях и суглинках - 7-9 %, достигая в отдельных образцах 20-29 %. Органическое вещество в разных количествах содержится в грунтах этого типа, однако, по средним значениям наблюдается тенденция увеличения содержания органического вещества с уменьшением дисперсности: в песках - до 2,6 % (а в среднем для грунтов данного типа 1,4 %). Водорастворимые соли в грунтах этого типа содержатся в разных количествах. Большая часть грунтов имеет нейтральную и слабощелочную среду, однако, среди суглинков встречаются образцы с рН 9,3 (как у типа 5). Также среди суглинков и супесей имеются единичные образцы с рН 4,4-5,4 - образцы с повышенным содержанием органики и классификационными признаками газогенерирующих грунтов на начальных стадиях развития процесса. Среди грунтов этого типа (как и типа 5) есть крупнообломочные разности со всеми типами заполнителя. Пески имеют тот же порядок содержания фракций песчаных размерностей (повышенный), что и грунты типов 1а и 5, грунты неоднородные. Коэффициенты агрегированности у грунтов этого типа значительно ниже относительно грунтов типа 5. Структурные связи типов А, Б, В и Г₁. Средняя плотность твердого компонента составляет 2,69 г/см³. Общая масса грунтов имеет низкую коллоидную активность, но среди суглинков 30 % обладает средней и 15 % - высокой коллоидной активностью.

Подгруппа стихийно отсыпанные. Тип 7 (грунты культурного слоя). Для всех образцов характерно наличие карбонатов: в супесях 2-19 %, а в песках - 27 %. В супесях культурного слоя содержание рентгеноаморфного вещества, изменяясь от 2 до 18 %, в среднем составляет 7 %. Наиболее существенно содержание органического вещества в грунтах культурного слоя - в среднем 2,4 %. Грунты имеют слабощелочную среду, а величина сухого остатка не превышает 0,41 %, в среднем - 0,25 %. Среди образцов грунтов культурного слоя присутствуют крупнообломочные разности с супесчаным заполнителем, но их количество невелико. Содержание песчаных фракций в грунтах этого типа повышено в песках и супесях. При этом среди песков могут попадаться разности с содержанием глинистой фракции до 8 %, а в супесях эта фракция составляет 5 % по средним значениям. Соотношение песчаных и пылеватых фракций приводит к заметно более высоким значениям величин среднего диаметра у песков и супесей этого типа относительно рассмотренных ранее грунтов. Грунты культурного слоя имеют типы структурных связей от стабилизационного (А) до смешанного коагуляционно-цементационного (Г₁). Грунты культурного слоя обладают в среднем самыми низкими значениями плотности твердого компонента (2,58 г/см³) за счет существенного присутствия органического вещества в грунтах и имеют низкую коллоидную активность, реже среднюю.

В третьем разделе данной главы дается оценка массивов грунтов строительных отвалов и свалок как оснований и вмещающей среды сооружений. Рассматривается вещественный состав массивов грунтов, их газонасыщенность, обводненность, неоднородность строения и свойств, температура массивов.

В четвертом разделе шестой главы представлена оценка массивов техногенных грунтов несанкционированных строительных отвалов и свалок как источников загрязнения окружающей среды. В результате обобщения фондовых данных получен общий характер распределения различных видов загрязнений насыпных грунтов строительных отвалов и свалок.

Насыпные грунты несанкционированных строительных отвалов и свалок часто загрязнены. Загрязнение имеет как площадное, так и очаговое распространение, встречаемое на разных глубинах. После формирования массива на него возможно наложение поверхностного загрязнения, иногда превышающего начальное. Высокие значения показателей загрязнения могут быть обусловлены повышенным содержанием одного или нескольких загрязняющих веществ. На исследуемых участках в разной степени присутствовали все из рассматриваемых компонентов-загрязнителей.

По полученным осредненным данным только 60 % исследуемых территорий имеют допустимую категорию загрязнения по суммарному показателю загрязнения. Для некоторых участков характерно наиболее значительное загрязнение приповерхностной части толщи. По содержанию 3,4-бенз(а)пирена и нефтепродуктов (наиболее значимых для территории г. Москвы) более половины участков относится к четвертой (чрезвычайно опасной/опасной) категории загрязнения. К этой категории могут принадлежать и грунты, не имеющие превышений по другим рассматриваемым показателям. Аномалии по содержанию 3,4-бенз(а)пирена и нефтепродуктов в грунтах часто не совпадают. Среди исследуемых участков не выявлено грунтов с чрезвычайно опасной категорией загрязнения по санитарно-бактериологическим показателям, большая часть которых относится к умеренно опасной категории.

Среди рассматриваемых 47 участков распространения насыпных грунтов только 5 (11 %) имеют допустимую/чистую степень загрязнения по всем осредненным используемым показателям. На 7 участках (15 %) загрязнение обусловлено высоким содержанием 3,4-бенз(а)пирена (опасная и чрезвычайно опасная категории) в насыпных грунтах на фоне преимущественно допустимой/чистой категории загрязнения по другим показателям. К наиболее опасным практически по всем показателям можно отнести еще 7 участков, 3 из которых по строению грунтовых толщ природных подстилающих грунтов относятся к типу возможного накопления токсичных веществ в подстилающих моренных и покровных отложениях, а 4 - к типу возможного загрязнения подземных вод.