География и геология /6. Природопользование и экологический мониторинг

Панкратова К.В., к.г.-м.н. Ларионова А.М.

Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»,

Санкт-Петербург, Россия

Влияние вибрационных нагрузок на физико-механические свойства и микробную составляющую дисперсных пород

Источником вибрационных нагрузок на территории городов и промышленных зон являются мощные энергетические установки (насосы, компрессоры, двигатели, турбогенераторы), транспортные системы (метрополитен, железнодорожный транспорт и трамвайные линии), а также технологическое оборудование ударного действия (молоты, штампы, прессы, копры, поршневые машины). Вследствие неуравновешенности их движущихся частей возникают периодически действующие нагрузки, вызывающие вибрацию грунта, что находит отражение в его свойствах [6]. Установлено, что постоянные динамические нагрузки влияют как на поверхностные отложения, так и на глубоко залегающие породы, меняя их структуру и состояние [4].

Вибрация во время динамических воздействий уменьшает трение между частицами грунтов и общее их сопротивления сдвигу (что ухудшает несущую способность массива); импульсные воздействия средней величины (при ускорениях, меньших ускорения силы тяжести) вызывают осадки и просадки, а значительной величины - разрушение структуры грунтов и потерю их прочности [6].

При определенной частоте колебаний междучастичное трение в сыпучих грунтах может настолько уменьшиться, что грунт приобретает свойства вязкой жидкости даже при незначительной влажности. При наличии большого количества воды в грунте она может не успеть покинуть поры, что способствует возникновению порового противодавления, уменьшающего сопротивление сдвигу [6].

Уменьшение трения и общего сопротивления сдвигу грунтов при действии вибраций сказывается, в первую очередь, на уменьшении прочности грунтов и нарушении условий их устойчивости, причем особенно существенно влияние вибраций на песчаные грунты. Для грунтов с наличием сил сцепления влияние вибраций на сопротивление сдвигу будет тем меньше, чем больше сцепление и общая связность грунтов [6].

Согласно современным представлениям, причина тиксотропных изменений в грунтах связывается с особенностями водно-коллоидных и коагуляционных связей между частицами грунта [2]. Эти связи осуществляются за счет сил молекулярного притяжения частиц через водные оболочки, экранирующие эти слои. Однако тончайшая прослойка жидкой среды между частицами в местах сцепления не только понижает прочность связи, но и обеспечивает ее легкую восстанавливаемость, полную обратимость и легкоподвижность. Поэтому коагуляционные связи часто называют тиксотропно-обратимыми (Б.М. Гуменский, Г.Ф. Новожилов, 1961 г.). Грунты, прочность которых полностью обусловлена коагуляционными связями, после их нарушения со временем полностью восстанавливают первоначальную прочность.

Потеря прочности глинистыми грунтами при увеличении интенсивности вибрации происходит стадийно: I сохранение структурных связей; II нарушение связей и размягчение грунта; III разрушение всех структурных связей и разжижение грунта [2]. Эти три стадии разделяются двумя критическими нагрузками. Пока вибрационная нагрузка не превысит первую из них, названную критическим ускорением (по Ю.А. Велли) или пределом структурной прочности при динамическом воздействии (по Б.М. Гуменскуму), грунт не проявляет своей способности к тиксотропии. При превышении же динамическими нагрузками этой величины в грунте начинается разрушение структурных связей и соответственно тиксотропное разупрочнение. Когда динамическая нагрузка превысит вторую критическую нагрузку, названную ускорением связности, структурные связи полностью разрушаются и грунт переходит в текучее состояние.

Одним из основных показателей, определяющих возможность тиксотропных изменений, является гранулометрический состав грунтов. Исследования показывают, что тиксотропные явления наблюдаются лишь в том случае, если в грунтах содержатся глинистые частицы от 1,5—2%. Эти глинистые (и коллоидные) частицы образуют пространственную структурную сетку, которая связывает грубодисперсные частицы грунта [5].

Существенное влияние на тиксотропные свойства грунтов оказывает минералогический состав их тонкодисперсной части, поскольку он определяет степень дисперсности грунтов и характер их гидрофильности. Наличие высокой гидрофильности всей поверхности глинистых частиц является необходимым условием проявления тиксотропии, поскольку при недостаточной их гидрофильности или даже гидрофобности неизбежна компактная коагуляция частиц с образованием довольно крупных агрегатов, резко снижающих способность глинистых грунтов к тиксотропным изменениям [5].

Способность грунтов к тиксотропным изменениям возрастает с увеличением емкости их обмена, а также зависит от состава обменных катионов: по мере увеличения валентности обменных катионов тиксотропные свойства грунтов снижаются. Это обусловлено снижением степени гидратации глинистых частиц и увеличением их способности к агрегации вследствие уменьшения оболочек рыхлосвязанной воды, образующейся вокруг грунтовых частиц [5].

Динамические нагрузки в городах и на территориях промышленных зон могут приводить к оседанию значительных по площади участков. По данным К. Терцаги и Р. Пека, максимальная осадка земной поверхности возникает при частотах колебаний от 500 до 2500 в минуту [4]. Изменение напряженного состояния массива горных пород под действием вибрационных нагрузок и превышение структурной прочности приводит к постепенным деформациям верхних участков подземного пространства, а в отдельных случаях к катастрофическим землетрясениям поверхностного типа.

Конструкции подземных сооружений, имеющие жесткость, отличную от жесткости массива горных пород, искажают поле вибрационных волн, в результате чего в грунтах вокруг подземной выработки образуются зоны концентрации напряжений. Если конструкции имеют достаточную гибкость, то они будут перемещаться вслед за смещениями и деформациями грунтового массива. Если конструкции имеют жесткость, большую, чем жесткость окружающего массива, то на границе грунт - конструкция поле вибрационных колебаний претерпевает изменения, вызывая концентрацию напряжений в массиве горных пород вокруг подземного сооружения. Таким образом, при колебаниях массива от воздействия транспорта все деформации грунта будут передаваться сооружению [4].

Вопрос о влиянии вибрационных нагрузок на численность микроорганизмов встал при работах в Санкт-Петербургском метрополитене, где отмечены низкие значения микробной массы (величина, включающая белок живых, мертвых клеток и продуктов их метаболизма) в обделках эскалаторного хода, который испытывает динамические и вибрационные нагрузки за счет функционирования механизмов эскалаторов в течение 20 и более часов в сутки. Ранее в Санкт-Петербурге было произведено обследование четвертичных разрезов территории, в пределах которых постоянные источники контаминации функционировали более 2 веков. Были получены следующие средние значения содержания микробной массы по биохимическому методу М. Бредфорд: литориновые супеси – 114 мкг/г; озерно-ледниковые суглинки – 63 мкг/г; ленточные глины – 135 мкг/г; суглинки лужской стадии оледенения – 94 мкг/г [3].

В лабораторных условиях подтверждено активное влияние вибрационного воздействия на деградацию микроорганизмов в песчано-глинистых грунтах, которая выражается в снижении содержания микробной массы в 2 раза (от 133 до 70 мкг/г) (таблица 1). Исходный образец был представлен микробно пораженной супесью четвертичного возраста, на который оказывалось вибрационное воздействие с частотой колебаний 25 Гц в течение 4 недель по 7-8 часов. По данным биофизических исследований постоянное вибрационное воздействие приводит к уменьшению количества микробиоты за счет разрушения клеток, снижению активности их размножения, и, соответственно, уменьшению содержания продуктов метаболизма. При вибрации в клетках возникает высокое давление, которое способствует разрыву клеточных стенок и мембран [1].

Таблица 1

Влияние вибрационных нагрузок на содержание микробной массы в супесчаной породе четвертичного возраста (lg III)

Время вибрационного воздействия, нед.	Содержание микробной массы (ММ), мкг/г
исходный образец	128-139,1 133,5
1	101,6-123,4 112,5
2	72,6-101,3 86,9
3	64,3-85,1 74,7
4	60,4-80,0 70,2

Частота колебаний 25 Гц.

В числителе минимальные и максимальные значения; в знаменателе – среднее значение (количество определений 10).

Литература:

1. Волькенштей М.В. Биофизика. – СПб: Изд-во «Лань», 2008. – 608 с.

2. Гуменский Б.М., Новожилов Г.Ф. Тиксотропия грунтов и ее учет при строительстве автомобильных дорог и мостов. – М.: Автотрансиздат, 1961. – 108 c.

3. Дашко Р.Э. Микробиота в геологической среде: ее роль и последствия. // Материалы годичной сессии «Сергеевские чтения». Вып. 2. – М.: Изд-во ГЕОС, 2000 г. – С. 72-77.

4. Куликова Е.Ю. Экологическая безопасность при освоении подземного пространства в крупных городах. – М.: Изд-во МГГУ, 2001. – 376 с.

5. Осипов В.И. Природа прочности и деформационных свойств глинистых грунтов. – М.: Изд-во МГУ, 1979. – 232 с.

6. Цытович Н.А. Механика грунтов: Краткий курс. – М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2009. – 272 с.