Состава ифизико-механических свойств торфовтомской области
На правах рукописи
КРАМАРЕНКО ВИОЛЕТТАВАЛЕНТИНОВНА
ФОРМИРОВАНИЕ
СОСТАВА ИФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
ТОРФОВТОМСКОЙ ОБЛАСТИ
Специальность 25.00.08 -Инженерная геология, мерзлотоведение игрунтоведение
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации насоискание ученой степени
кандидатагеолого-минералогических наук
ТОМСК – 2004
Работавыполнена накафедре гидрогеологии, инженернойгеологии игидрогеоэкологииТомского политехнического университета(ГИГЭ ТПУ).
| Научный руководитель: | |
докторгеолого-минералогических наук, профессор ШварцевСтепанЛьвович | |
| Официальныеоппоненты: | |
докторгеолого-минералогических наук, и.о. профессора ШербакГеннадийГаврилович кандидатгеолого-минералогических наук,доцент Чувакин Владимир Семенович | |
Ведущая организация: ОГУП ТЦ “Томскгеомониторинг”
Защита диссертациисостоится 29 декабря 2004вчасов минут назаседании диссертационного совета Д 212.265.02при Томском государственномархитектурно-строительномуниверситете.
Адрес: 634003, г. Томск, пл.Соляная, 2, ауд.
С диссертацией можноознакомиться в библиотеке Томскогогосударственногоархитектурно-строительного университета
Авторефератразослан “25”ноября 2004года
Ученый секретарьдиссертационногосоветаО.И. Недавний
ОБЩАЯХАРАКТЕРИСТИКАРАБОТЫ
Актуальность темы. Интенсивное освоение нефтяных игазовых месторождений Западно-Сибирскойнефтегазоносной провинции весьмаотчетливо высветило проблему оптимальногообустройства нефтегазопромыслов,населенных пунктов, буровых площадок,прокладки лесовозных и промысловых дорог,нефте- и газопроводов на обширныхзаболоченных территориях. Наряду с эстакадами,выторфововыванием,которые обеспечивают устойчивостьи надежность конструкций,но технологически усложняютстроительство и значительноувеличиваютстоимость, большое экономическоезначение имеет полное или частичноеиспользование торфов в качестве основания. В связи с этимвозрастаетнеобходимость оценки физико-механическихсвойств торфов длявыполнения расчетов ипрогнозирования при проектированииобъектов. Увеличение объемаинформации остроительныхсвойствах торфов и возможность прогнозироватьих измененияпод нагрузками, позволятснизить материальные потери, удешевить стоимость работ и рациональновыбрать конструкцию земляногополотна. Точность расчетовсооружений наторфяных грунтах зависит от качестваданныхинженерно-геологическихисследований,особенно отрезультатовизучениядеформационныхсвойств. Методы, предлагаемые нормативнымидокументами, не позволяютполучить полноценную информацию о компрессионныхсвойствах торфов, так как основаны на длительныхиспытаниях ине учитываютизменения ихсостава, происходящие во время опытов,поэтому необходимо разработать методику определенияфизико-механическихсвойств торфяных грунтов,исключающую влияние данногофактора приполучении информации. Приведенный вработе опыт региональной оценкифизико-механических свойств торфовТомской области и особенно выявленныекорреляционные взаимосвязи их с составомимеют как теоретическую, так ипрактическую ценность иактуальность.
Цель работы – исследованиеусловий формирования состава ифизико-механических свойств торфовТомской области для разработки рекомендаций по проведениюинженерно-геологических изысканий припроектировании и строительствепромысловых дорог на заболоченныхтерриториях.
Основные задачи
- Изучение влиянияна формирование торфяных отложенийклиматических, географических игеологических условий Томской области исистематизация материалов порайонированию ее территории по степени заболачивания длявыявления особенностей площадногораспространения торфов определенного состава.
- Наблюдения заизменением степени разложения торфов приих длительном хранении и анализлитературного материала поизучению этого вопроса для выбора методовлабораторных исследований ихсвойств.
- Проведениеэкспериментальных исследований состава,физико-механических и фильтрационныхсвойств наиболее представительных видов торфа длявыявления их корреляционныхвзаимосвязей.
- Разработкаинженерно-геологической классификацииторфов Томской области и рекомендаций поиспользованию результатов исследованийпри проведении инженерно-геологическихизысканий при проектировании истроительстве промысловых дорог назаболоченных территориях.
Фактический материал иметодика исследований. Теоретической основой решенияпоставленных задач послужили результатыисследований В.Д. Казарновского, И.Е.Евгеньева, В.И. Дрозда, А.М. Силкина, Н.Н.Морарескула, В.Н. Бронина, П.А. Коновалова,Г.В. Сорокиной, Н.Ф. Бондаренко, Н.П.Коваленко, В.Н. Зайца, K. Blume, В.Н. Яромко исотрудников Тверского политехническогоуниверситета Л.С. Амаряна, А.С. Королева, С.С.Корчунова, И.Ф. Ларгина, В.И. Косова, Е.Т.Базина.
В основудиссертационной работы положенфактический материал госбюджетных тем,полученный автором с 1997 по 2002 гг. в составелаборатории технологических исследованийСибирского научно-исследовательскогоинститута торфа (ЛТИ СибНИИТ), с 2002 по 2004 гг.на кафедре гидрогеологии,инженерной геологии и гидрогеоэкологииТомского политехнического университета(ГИГЭ ТПУ).Объектами исследований являются наиболеепредставительные виды торфа Томскойобласти, отобранные на 19 месторождениях,находящихся в естественном или осушенномсостоянии. Для решения поставленных задачприменялись полевые и лабораторные методыисследований, включавшие определениеботанического состава, степени разложения,зольности, физических, прочностных,деформационных и фильтрационных свойствторфов. Было отобрано и изучено 115монолитов торфа и более 3200 проб сненарушенной и нарушенной структурой,определены процентное содержаниерастительных остатков (Bc) и степеньразложения (Ddp)– 170 образцов,зольность (Das)– 150,кислотность (рН) – 70, влажность (W) – 3245, плотностьтвердых частиц (s) – 80, коэффициентыфильтрации (kф) в лабораторных и вполевых условиях, соответственно, 620 и 10опытов, прочностные свойства в полевыхусловиях ()– 180,определена плотность скелета (d),рассчитана плотность () и коэффициентыпористости (e) – по 620 опытов, проведеныкомпрессионные испытания – 328 опытов.Методической основой изученияхарактеристик состава и физическихсвойств торфов послужили нормативныедокументы: ГОСТ 5180–84Методы лабораторного определения физическиххарактеристик; ГОСТ 11306–83 Торф и продукты его переработки.Методы определения зольности; ГОСТ11623–89 Торф ипродукты его переработки для сельскогохозяйства. Методы определения обменной иактивной кислотности.Прочностные свойства определены при помощи крыльчаткисогласно “Пособию попроектированиюземляного полотна автомобильныхдорог наслабых грунтах” (1989), фильтрационныесвойства определены всоответствии с “Методикойопределения водно-физических иструктурно-механических свойств торфяныхзалежей при проведении изысканий с цельюстроительства осушительной сети:Методические рекомендации” (1983). Важнейшей частью работы былоопределение показателей сжимаемости, длякоторых, в связи с высокой скоростьюразложения торфа в лабораторных условиях,выбрана ускоренная методикакомпрессионных испытаний, основанная наэкстраполяции консолидационных кривых.Автором полностью проведенастатистическая обработка результатовисследований на основе ГОСТ 20522–96 Методы статистическойобработки результатов испытаний и работы “Накопление иобработка информации при инженерно–геологическихисследованиях” (И.С. Комаров, 1972) при помощи программ Excel, Statistica,графический материал выполнен сиспользованием MapInfo и CorelDRAW.
Научная новизнаработы
- Выявлены особенности условий формированияторфяных массивов Томскойобласти, с учетом которых, проведенасистематизация материалов порайонированию территории по степенизаболачивания на основе схемы Ю.А. Львова,которая была усовершенствована вотношении уточнения границ округов идополнена характеристикойфильтрационных и физико-механическихсвойств торфов.
- Обоснованацелесообразность ускоренных методовлабораторных исследований, в связи с тем,что на основе полученных нами данных ирезультатов опытов Н.А. Кота и Т.А. Рахубо,установлен рост интенсивностимикробиологических процессов, приводящийк изменению состава торфов в условияхотличных от их естественногозалегания.
- Полученыкачественные и количественныехарактеристики состава, фильтрационных ифизико-механических свойств 25 видов торфа.Установлено, что, несмотря на их меньшуюстепень разложения (на 5–20 %),наиболее распространенные виды торфовТомской области имеют близкиезначения коэффициентовпористости с торфами Европейскойчасти России.Выявленывзаимосвязидеформационныхсвойств торфов сботаническимсоставом. Приодинаковойпористости наиболее подверженыдеформациям сжатия торфа моховой группы и менее – древесной.
- Инженерно-геологическоеклассифицирование торфов пофильтрационным, прочностным идеформационным свойствам проведено набазе новой генетической “Классификацииторфов и торфяных залежей ЗападнойСибири”. Инженерно-геологическаяклассификация торфов составлена с учетомих привязки к болотным округам Томскойобласти.
Основныезащищаемые положения
- На основе анализаколичественных и качественных оценоксостава и свойств торфов установленызависимости физико-механическихсвойств отсодержания остатковрастений-торфообразователей разныхботанических групп.
- Выполнена типизацияторфов Томской области по степени сжимаемости.За критериитипизации приняты коэффициенткомпрессии имодуль осадки, дифференциацияпо этимпоказателямпроведена сучетом ботанического состава.
- Разработана обобщеннаярегиональнаяинженерно-геологическаяклассификация торфов на основерайонированиятерритории Томской области с учетомгеолого-геоморфологического фактора.
Апробация результатовработы. Основные положениядиссертационной работы докладывались натрех Международных научных симпозиумах им.академика М.А.Усова студентов, аспирантов и молодыхучёных (Томск, 2001, 2002, 2003), нанаучно-практическом семинаре “80 летпрофессору Г.А. Сулакшиной ” (Томск,2003).
Практическаязначимость работызаключается в том, что полученные данные ивыявленные взаимосвязифизико-механических свойств и составаторфов объясняют причинно-следственнуюсвязь между ними, решают проблемупрогнозирования механических свойств иповышают точность расчета осадоксооружений. Учет этих связей при выполненииизыскательских работ позволяет установитьизменение свойств торфов и оптимизироватьсистему опробования болотных массивов, чтоспособствует повышению эффективностиизысканий. Приведенные вработе графики, номограмма и параметрыобобщенных компрессионных кривых,установленных для наиболеераспространенных в Томской областипластообразующих видов торфа, позволяютопределить модули осадки и модулидеформациидля расчета осадок сооружений поднагрузками до 0,20 МПа для торфов с коэффициентамипористости от 6 до 30. Разработанныеклассификации предназначены дляопределения нормативных показателейфильтрационных и физико-механическихсвойств торфов при проектированияпромысловых дорог и других линейныхсооружений. Предложенная методика,учитывающая особенности разложенияторфяных грунтов в условиях отличных от ихестественного залегания, позволяетполучить достоверную информацию о модуляхдеформации торфов, коэффициентахфильтрации и степени ихводонасыщения.
Материалыдиссертационной работы использованы в 8отчетах ГНУ СибНИИТ (г. Томск, ул. Гагарина3), выполненных в соответствии с планами НИРза 1997–2002 годыпо госбюджетным темам: “Разработка новыхтехнологических приемов, способов иустройств добычи торфа в зонах сустойчивым промерзанием торфяной залежи” и“НИР по изучению физических свойствторфяных залежей в условиях техногенноговоздействия для разработкинаучно-обоснованных технологий подготовкии использования в сельскохозяйственномпроизводстве торфяных месторожденийЗападной Сибири”, в рамкахкоторых начинались исследования.
Материалы диссертационной работы использованы в учебном процессекафедры гидрогеологии,инженерной геологии и гидрогеоэкологииТПУ. Они стали основойвыпускных квалификационных работстудентов специальности “Поиски иразведка подземных вод иинженерно-геологические изыскания” ивключены в учебное пособие подисциплине “Инженерная геодинамика”.Разработанные рекомендации по проведениюинженерно-геологических изысканий припроектировании промысловых дорог и другихлинейных сооружений на заболоченныхтерриториях, использованы ООО “Томскиеминеральные ресурсы” при проведенииинженерно-геологических изысканий припроектировании нефтепровода УПН“Средне-Нюрольское” – Р61 “Ключевское”,изысканий под коридор коммуникаций: куст 4– куст 3месторождения “Средне-Нюрольское”, о чемавтору выданы соответствующиесправки.
Структура иобъем. Диссертационная работа состоит извведения, 8 глав, заключения и содержит 230страниц машинописного текста, 58 рисунков, 31таблицу и приложение. Список литературывключает 239 наименований.
Научныйконсультант по методическим итеоретическим вопросам – кандидат геолого-минералогическихнаукЕмельянова Т.Я.
CОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В первой главе рассматривается состояниеизученности формирования состава ифизико-механических свойств торфов. Исследования В.Д. Казарновского, И.Е.Евгеньева, П.А. Дрозда, С.С. Корчунова, А.С.Королева, Т.Н. Ивкиной и Л.С. Амарянадоказали, что в торфяных грунтахпроисходят деформации сжатия безсущественного бокового расширения, ипоэтому, большинство методов расчетаосадки основано на результатахкомпрессионных испытаний и даютдостаточно точные для практики результаты.Применимостьтеориифильтрационнойконсолидации к торфяным грунтамна первойстадии ихуплотненияобоснована вработах И.Е.Евгеньева, В.Д. Казарновского.
В настоящее время нетединого мнения о методиках проведениякомпрессионных испытаний, но многие авторыотмечают, что ввиду того, что полнойстабилизации образцов при компрессии неудается достичь даже через большиепромежутки времени (до 1-2 и более лет)компрессионные испытания необходимопроводить по ускоренным методам, схемыкоторых даны в работах И.Е. Евгеньева, В.Д.Казарновского, Н.Н. Морарескула, Э.Д.Кузахметовой, А.Л Невзорова.
Вработах П.А.Коновалова впервые поставленвопрос опроцессах разложениязаторфованныхгрунтов, проходящих во время длительныхкомпрессионныхопытов. Темне менее,остаются неизученными изменениясостава исвойств торфов влабораторныхусловиях поддействиемактивизациипроцессов разложения, нерассмотрено их влияние на результаты исследований,не учтеноразложение торфа и привыборе методики проведенияопытов, особенно приопределениидеформационныххарактеристик.
Полученная в результате многолетнихисследованийинформация построительству на торфяныхгрунтах послужила основой длямногочисленных инженерно-геологических классификаций.Большоевнимание продолжает уделятьсястепени разложения торфов, как основномуфактору формирования физико-механическихсвойств, чтоне всегдаоправдано, тогда как при средней и слабойстепени разложения и невысокойзольности особое значениеприобретаетботанический составрастений-торфообразователей.
Состав торфов Томскойобласти изучался при подсчете запасов иресурсов “Гипроторфразведкой”, “Геолторфразведкой”, позжеСибирской иГорьковской ГРЭ, “Гипроводхозом”. Вработах принимали участие С.Н. Тюремнов, П.Е. Логинов, О.Л. Лисс. А.В. Предтеченский,А.Г. Прядухин,В.М. Серюков,В.Н. Диченко, В.Е. Шаталин, А.Н Строков, Г.А. Гусакова, Р.Г. Матухин, Л.С. Михантьева,Б.Г. Кочетков.
Работыпо изучениюрастительного покрова,стратиграфии,генезиса, возраста, составаболотных отложений, условий их формированияпроводилисьсотрудникамиТомского университета –Ю.А. Львовым,Е.Я. Мульдияровым, Т.А.Бляхарчук, Е.Д. Лапшиной, В.А. Базановым,А.А. Земцовым,сотрудникамиТПУ – В.К.Бернатонисом, Н.А. Антроповой,Ю.И. Прейс, С.Г.Масловым, В.С. Архиповым.
Исследованияинженерно-геологических условийзаболоченных территорий Западной Сибиривелись “Гипротюменнефтегазом” подруководствомВ.Л. Трофимова, Н.В. Табакова, Т.В. Леменкова, Я.М Кагана,С.Н. Вассермана. При освоенииВасюганской группы нефтяныхместорожденийизыскания поддороги велиинституты“Гипротюменьнефтегаз”,“ТомскНИПИнефтьВНК”,“Томгипротранс”.Исследования свойств торфяныхгрунтов имноголетние наблюдения за состояниемдорожной насыпи проводилисьсотрудниками кафедры “Автомобильныедороги” ТГАСУ В.А. Базавлуком, В.Н.Лукашевичем, Е.Н. Киряковым. Исследованияфильтрационных свойств торфов игеохимического состава болотных вод проводились Томской комплексной ГРЭ,“Гипроводхозом”, а также сотрудникамиТПУ П.А.Удодовым, Н.М.Рассказовым, С.Л. Шварцевым, Т.Я.Емельяновой, А.Д. Назаровым.Прочностные свойства торфов изучали Т.Я.Емельянова, А.Д. Назаров, Г.А.Сулакшина. Особенностифизико-механических свойств торфовЗападной Сибири отражены в работах К.Е.Иванова, С.М. Новикова, А.И. Сергеева, Л.С. Амаряна, А.С. Королева, М.А. Шапошникова,О.Л. Лисс, В.И. Косова. Экспериментально установлено, чтоторфяные грунты по своим физическимсвойствам отличаются от грунтовЕвропейского севера. Следует отметить, чтомаловнимания уделено региональнымисследованиямфизико-механическихсвойств торфов. Для Западной Сибиринаиболее интересны работы А.И. Сергеева и Н.В. Табакова.
Вовторой главерассмотрены условия формирования и развития торфяныхотложений Томской области.Изучаемая территория находится в юго-восточнойчастиЗападно-Сибирскойнизменности, в бассейнесреднего течения р. Оби. Верхняя частьразреза характеризуется широким развитиемпесчаных, глинистых, торфяных отложенийнеоген-четвертичного комплекса. Распространениеболотных массивов и их площади четкоувязываются с абсолютными отметками,рельефом, степенью дренированноститерритории и ее геоморфологическимстроением, сформировавшимся в результатенеотектонических движений. За исключениеммалозаболоченных Колывань-Томскойскладчатой зоны на юге июго-востоке, где территория примыкает к предгорьямКузнецкого Алатау, преобладает плоский, равнинный,слаборасчлененный рельеф,высотные отметки не превышают 200 м над уровнем моря, а относительныепревышениясоставляют первые десяткиметров. Здесьдостаточное увлажнение итеплообеспеченность территории в голоценесоздалиблагоприятныеусловия дляразвитияболотообразовательногопроцесса. Неоген-четвертичные отложенияразличной проницаемости на лево- иправобережье р. Оби обусловили особенностипитания болот, их обводненность и развитиеопределенных фитоценозов, что в своюочередь определило состав и свойстваторфяных отложений.
В третьей главе рассмотрены вопросырайонирования территорииТомской области по современномузаболачиванию, которые позволяют оценитьраспространение торфяных отложений иособенности их состава. В работе приведенакраткая характеристика округов, районов иболотных массивов в пределах которыхизучались торфяные отложения.Использованы фондовые материалыГорьковской и Сибирскойгеологоразведочных экспедиций, работы О.Л.Лисс, Ю.А. Львова, Н.А. Антроповой, Ю.И. Прейс,Т.А. Бляхарчук, В.А. Базанова, Е.Я.Мульдиярова и Е.Д. Лапшиной. За основупринята схема Ю.А. Львова, которая былаусовершенствована в отношенииуточнения границ округов, критериев ихвыделения и дополненахарактеристикой фильтрационных ифизико-механических свойств торфов (в 7 главе). Схема представляет собойперекрестное районирование территории позональным и геологическим критериям. Какотмечают авторы, торфяные массивы Томскойобласти характеризуются большимколичеством низкозольныхслаборазложившихся залежей топяногоподтипа с высокой естественной влажностью,из видов преобладают торфа – фускум,комплексный, сфагновый мочажинный,ангустифолиум и магелланикум, на юге июго-востоке развиты низинныеосоково-гипновые, осоковые, гипновые,тростниковые, древесные итравяно-древесные торфа.
В четвертойглаве приведены результатыисследований характеристик составатвердой части торфа – степени разложения,зольности и ботаническогосостава. Рассмотрен вопрособ общекислотной агрессивности торфяныхгрунтов по отношению к металлам и бетону.Поданным И.И.Лиштвана (1988), свойства торфов обусловлены иххимическим составом, который отличаетсядля разных группрастений-торфообразователей. Придеформировании достаточную прочность обеспечиваетцеллюлоза, преобладающая в составедревесныхостатков. Вряде классификаций принятытаксономические схемы дифференцирующиеторфа по типам питания или по подтипам (пообводненности залежи). Подразделениефизико-механических свойств по типам нанаш взгляд нецелесообразно, по причинеприсутствия во всех типах древесных торфовс близкими свойствами. При дифференциациипо подтипам, древесные торфа выделяются влесной подтип, но в топяной подтипобъединяются торфа моховой и травянойгрупп. В большей мере характеризуютсвойства торфа групповой и видовой состав– сочетаниепреобладающих остатков отдельных видоврастений-торфообразователей, отражающихисходные растительные ассоциации. Намиисследованы торфа наиболеепредставительных для Томскойобласти видов, проведена их типизации по ботаническомусоставу согласно “Классификации торфов иторфяных залежей Западной Сибири” (2000г),описана структура в соответствии срекомендациями А.В. Пичугина и С.Н.Тюремнова, генезис по Т.А. Бляхарчук.Всего изучено 25 видов торфа (табл. 1).
Компонентыботанического состава имеют тесную связьсо степенью разложения: сувеличением содержанияостатков растений травяной и древеснойгрупп степеньразложенияповышается, сростом остатков мхов – понижается. У исследованныхнами образцов максимальная степеньразложения отмечена у пушицевых ипушицево-сфагновых торфов(50 %) и у торфовсодержащих древесныеостатки (30–40 %).
Таблица 1
Диагностическаяклассификация состава, физических,фильтрационных и механических свойствторфов Томской области
| Состав | Кислотность | Физические свойства | Фильтрационные свойства | Деформационные ипрочностные свойства | Распространение по болотнымокругам | ||||||||||||||||||
| Группа | Вид | Ddp, % | Dаs, % | рН | d г/см3 | , г/см3 | W, д.
ед. | kф в. м/сут | kф г. м/сут | Параметры компрессионной кривой | Модуль деформации, Ео, МПа, | Сопротивление сдвигу, МПа | |||||||||||
| Mean мin-max | median мin-max | median мin-max | ео | а | с | Pc,МПа | при нагрузке (МПа) | нар | |||||||||||||||
| 0,02 | 0,06 | 0,10 | 0,20 | ||||||||||||||||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | 21 | |||
| Древес-ная | Березовый | 35 - | 9,1 1,5 | 4,4 0,7 | 0,167 0,03 | 1,06 0,01 | 5,6 1,3 | 0,84 0,25-2,73 | 0,85 0,29-3,22 | 8,7 2,1 | 1,21 | 2,23 | 0,004 | 0,20 | 0,22 | 0,28 | 0,44 | 0,017 | 0,010 | Чулымский, Обь-Чулымский,Обской, реже Кеть-Тымский, Бакчарский | |||
| Сосновый | 34 20-40 | 7,0 2,2 | 4,1 1,1 | 0,141 0,030 | 1,06 0,11 | 6,9 2,1 | 1,29 0,41-2,48 | 1,69 0,29-3,89 | 10,6 3,2 | 1,85 | 0,74 | 0,005 | 0,12 | 0,17 | 0,22 | 0,35 | 0,018 | 0,012 | |||||
| Древесно-моховая | Древесно-гипновый | 40 - | 10,0 - | 4,8 - | 0,139 0,013 | 1,05 0,004 | 6,6 0,7 | 2,22 1,36-2,44 | 2,07 0,84-4,02 | 10,4 1,1 | 1,54 | 2,14 | 0,004 | 0,10 | 0,18 | 0,25 | 0,41 | 0,016 | 0,010 | ||||
| Сосново-сфагновый | 40 - | 3,9 - | 2,9 - | 0,169 0,027 | 1,06 0,01 | 5,4 0,98 | 0,02 0,02-0,28 | 0,05 0,04-0,66 | 8,2 1,5 | 1,54 | -0,27 | 0,004 | 0,08 | 0,14 | 0,19 | 0,30 | Н/д | ||||||
| Древесно-сфагновый | 20 5-40 | 6,1 4,6 | 3,9 0,9 | 0,113 0,036 | 1,04 0,01 | 8,9 3,5 | 0,71 0,09-3,85 | 0,46 0,001-2,47 | 14,3 5,6 | 2,51 | -0,43 | 0,003 | 0,09 | 0,14 | 0,18 | 0,32 | Н/д | ||||||
| Древесно-травяная | Древесно-травяной | 33 30-35 | 12,0 3,0 | Н/д | 0,143 0,015 | 1,05 0,005 | 6,4 0,7 | 0,45 0,15-0,76 | 0,11 0,06-0,31 | 10,2 1,2 | 1,42 | 1,55 | 0,002 | 0,08 | 0,15 | 0,21 | н/д | 0,019 | 0,008 | ||||
| Древесно-осоковый | 29 15-40 | 8,3 2,0 | 4,9 0,1 | 0,133 0,019 | 1,05 0,01 | 7,1 1,1 | 1,28 0,25-5,23 | 1,33 0,48-4,02 | 11,0 1,8 | 1,93 | 1,28 | 0,006 | 0,14 | 0,17 | 0,23 | 0,36 | 0,024 | 0,007 | |||||
| Травяная | Травяной | 30 - | 6,7 - | 3,1 - | 0,186 0,011 | 1,07 0,003 | 4,7 0,3 | 1,12 0,18-1,14 | 1,10 0,46-1,23 | 7,3 0,5 | 1,39 | 1,46 | 0,013 | 0,37 | 0,29 | 0,32 | 0,44 | 0,027 | 0,011 | Чулымский, Обской,Васюганский | |||
| Тростни-ковый | 31 30-35 | 16,0 14,0 | 5,9 1,1 | 0,138 0,044 | 1,05 0,03 | 7,2 2,0 | 1,76 0,25-3,06 | 0,70 0,48-1,45 | 11,5 2,6 | 1,34 | 1,77 | 0,001 | 0,06 | 0,14 | 0,20 | 0,32 | 0,016 | 0,008 | |||||
| Шейхце-риевый | 20 15-25 | 3,3 0,7 | 3,9 0,4 | 0,116 0,031 | 1,06 0,05 | 8,5 2,4 | 1,45 0,02-5,68 | 0,63 0,24-1,87 | 13,3 3,7 | 1,97 | 1,68 | 0,003 | 0,10 | 0,15 | 0,20 | 0,33 | 0,018 | 0,009 | Кеть-Тымский, Обь-Чулымский Бакчарский | ||||
| Осоковый | 27 15-35 | 10,0 7,6 | 5,1 1,6 | 0,142 0,033 | 1,05 0,04 | 6,8 1,9 | 0,80 0,08-4,20 | 0,80 0,06-4,55 | 10,6 2,8 | 2,12 | 0,25 | 0,007 | 0,16 | 0,17 | 0,22 | 0,35 | 0,015 | 0,005 | Широко распространены на всейтерритории, преобладают в Обском,Чулымском, Васюганском и Обь-Чулымскомокругах | ||||
| Примечание. В числителе приведены средниезначения показателя (мean), для коэффициентов фильтрациисреднемедианные (median), в знаменателе – стандартныеотклонения. Курсивом приведены данные посопротивлению торфов сдвигу по Л.С. Амаряну[2]. | |||||||||||||||||||||||
Продолжение таблицы1 | |||||||||||||||||||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | 21 | |||
| Травяная | Пушицевый | 38 15-50 | 3,4 0,9 | 3,0 - | 0,137 0,029 | 1,05 0,01 | 7,0 1,9 | 0,04 0,02-0,17 | 0,16 0,04-0,48 | 10,7 2,9 | 2,23 | -0,85 | 0,005 | 0,09 | 0,13 | 0,18 | 0,30 | 0,012 | 0,006 | Кеть-Тымский, Обь-Чулымский Бакчарский | |||
| Травяно-моховая | Осоково-гипновый | 29 20-35 | 12 7,4 | 5,9 1,3 | 0,125 0,023 | 1,04 0,03 | 7,5 1,5 | 1,07 0,23-4,81 | 0,84 0,19-1,73 | 11,9 2,4 | 2,24 | -0,25 | 0,004 | 0,10 | 0,14 | 0,19 | 0,32 | 0,014 | 0,005 | Обской, Обь-Чулымский,Васюганский | |||
| Травяно-сфагновый | 25 - | 2,7 - | 3,3 - | 0,132 0,016 | 1,06 0,03 | 7,2 1,3 | 0,03 0,01-0,05 | 0,05 0,01-0,12 | 10,9 1,9 | 2,51 | -1,25 | 0,007 | 0,17 | 0,16 | 0,20 | н/д | 0,020 | 0,008 | Кеть-Тымский, Обь-Чулымский Бакчарский | ||||
| Осоково-сфагновый | 15 - | 3,2 - | 3,3 - | 0,103 0,022 | 1,03 0,01 | 9,4 2,1 | 1,20 1,18-1,51 | 0,54 0,20-2,03 | 14,3 3,2 | 2,60 | -0,26 | 0,004 | 0,10 | 0,14 | 0,18 | 0,34 | 0,011 | 0,005 | |||||
| Пушицево-сфагновый | 33 15-50 | 1,9 1,1 | 3,5 0,6 | 0,117 0,054 | 1,04 0,02 | 9,4 4,3 | 0,16 0,02-2,47 | 0,24 0,02-2,03 | 12,3 5,4 | 2,85 | -2,89 | 0,005 | 0,11 | 0,17 | 0,21 | 0,31 | 0,011 | 0,007 | |||||
| Моховая | Фаллакс | 5 - | 7,1 - | 2,9 - | 0,141 0,008 | 1,05 0,005 | 6,5 0,4 | Н/д | Н/д | 10,0 0,6 | 1,68 | 0,20 | 0,003 | 0,07 | 0,13 | 0,19 | 0,31 | Н/д | Обь-Чулымский (террасы) | ||||
| Гипновый | 30 25-35 | 24 12 | Н/д | 0,152 0,018 | 1,06 0,01 | 6,1 0,8 | 0,84 0,54-2,12 | 0,48 0,48-0,48 | 10,2 1,0 | 2,16 | 0,35 | 0,010 | 0,18 | 0,19 | 0,23 | н/д | 0,024 | 0,008 | Обской, Обь-Чулымский,Васюганский | ||||
| Комплекс-ный | 7 5-10 | 3,7 0,2 | 3,1 0,1 | 0,083 0,026 | 1,03 0,01 | 12,8 4,9 | 2,51 1,54-3,67 | 1,95 0,99-3,22 | 19,4 7,6 | 2,19 | 1,77 | 0,0003 | 0,05 | 0,10 | 0,15 | 0,27 | 0,009 | 0,006 | Широко распространены на всейтерритории, преобладают в северных исеверо-западных округах – Бакчарском, Кеть-Тымском, Юганском | ||||
| Обтузум | 15 - | 15 - | 3,1 - | 0,108 0,008 | 1,04 0,002 | 8,7 0,7 | Н/д | Н/д | 13,9 1,1 | 2,22 | 0,87 | 0,003 | 0,07 | 0,13 | 0,19 | 0,32 | 0,014 | 0,007 | |||||
| Сфагновый мочажинный | 13 10-15 | 3,3 0,9 | 3,7 - | 0,116 0,028 | 1,04 0,01 | 8,4 2,2 | 0,58 0,45-1,39 | 0,58 0,48-1,63 | 12,8 3,3 | 2,42 | -1,44 | 0,003 | 0,06 | 0,11 | 0,16 | 0,28 | 0,009 | 0,002 | |||||
| Магелла-никум | 15 10-25 | 3,3 1,5 | 3,0 0,1 | 0,084 0,024 | 1,03 0,01 | 12,1 3,1 | 1,43 0,24-4,98 | 1,53 0,25-3,96 | 18,4 4,7 | 2,93 | -0,79 | 0,001 | 0,06 | 0,11 | 0,16 | 0,28 | 0,013 | 0,005 | |||||
| Фускум | 9 5-15 | 4,2 3,0 | 2,9 0,1 | 0,093 0,029 | 1,03 0,01 | 11,2 4,5 | 0,96 0,06-5,08 | 2,16 0,18-4,05 | 17,2 7,1 | 3,03 | 0,01 | 0,003 | 0,09 | 0,13 | 0,19 | 0,31 | 0,014 | 0,009 | |||||
| Ангусти- фолиум | 13 10-15 | 2,7 0,3 | 3,4 0,6 | 0,077 0,009 | 1,03 0,004 | 12,4 1,6 | 1,42 0,25-5,98 | 0,27 0,04-2,19 | 18,9 2,4 | 3,08 | -0,59 | 0,001 | 0,06 | 0,11 | 0,16 | 0,28 | Н/д | ||||||
| Кустар-ничковая | Кустар-ничковый | 15 | 3,2 - | 3,4 - | 0,103 0,009 | 1,04 0,002 | 9,2 0,9 | 6,53 6,24-6,81 | 4,85 1,43-7,17 | 14,0 1,4 | 1,94 | -0,56 | 0,001 | 0,05 | 0,10 | 0,15 | 0,27 | Н/д | Юганский, Бакчарский, Кеть-Тымский(водораздельные равнины) | ||||
У сфагновых видовторфа степень разложения небольшая – до 25 %, угипновых выше – до 35 %. Наибольшие амплитудыварьирования по степени разложенияотмечены у пушицевого,пушицево-сфагнового, древесно-сфагнового,древесно-осокового видов.
Исследованные нами торфа, восновном, нормальнозольные (табл. 1), что вцелом характерно для региона, и только несколькообразцов торфов пойменных массивов и массивовнизких террас отличаются высокойзольностью 30–37 %.
Повышеннаяобщекислотная агрессивность по отношениюк металлам и бетону является типичнойособенностью торфяных грунтов. Результатыопределения показали, что в образцахнизинных торфов рН изменяется от 2,1 до8,1, в верховых от 2,8 до 4,2. Наименееагрессивными являются торфа пойменныхмассивов и, независимо от типа, торфаболотных массивов террас, водоразделов иложбин древнего стока могут обладатьзначительной общекислотнойагрессивностью. Значения показателя рНувеличиваются с ростом количестваостатков травяныхрастений-торфообразователей и уменьшаютсяс ростом остатков сфагновых торфов.
В ходе работ выявленыизменения торфа при визуальном сравненииобразцов на месте отбора из болотныхмассивов с образцами, хранившимися втечение года в помещении, подтвержденныерезультатами определения степениразложения, которая у образцовдревесно-осокового торфа увеличилась от20–25 до 35%. Этотфакт вызвал необходимость провести анализрезультатов исследования процессаразложения торфа в разных условиях.
С целью изучениямикрофлоры, как основного агентаразложения торфа, при хранении в навалах и призаводнении выработанных торфяников Н.А.Котом и Т.А. Рахубо проведен ряд опытов,результаты которых показали, что за годхранения торфа в навале и при обводнении впомещении количество бактерий аммонификаторов,которые начинают процесс разложенияорганического азота, олигонитрофильных иусваивающих минеральный азот приорганическом источнике углерода организмовувеличивается в 3–5 раз, а для отдельных групп – на порядок по сравнениюс торфом в залежи, что свидетельствует обактивном разложении органическоговещества. Изменение состава может быть связаноне только с увеличением степениразложения, но и с изменением видовогосостава в связи с исчезновениембыстроразлагающихся компонентов. В верховом затопленном торфебыстрее развиваются те микроорганизмы,которые разлагают белки и углеводы свыделением газообразных продуктов –таких как метан, углекислый газ,сероводород, вызывающих кольматацию пор прифильтрации.
П.А. Коноваловотмечает, что скорость разложения взаторфованных песчаных и глинистыхгрунтах особенно высока в течение первыхтрех-шести месяцев, причем в аэробныхусловиях на 10–20 % выше, чем в анаэробных.
Таким образом, какпоказали результаты опытов Н.А. Кота, Т.А. Рахубо, П.А.Коновалова и наши определения Ddp,при проведении лабораторных исследованийторфов и их длительном хранении имеетместо быстрое разложение торфа, как приобводнении, так и при свободном доступевоздуха к образцам. С цельюисключения влияния фактора разложения,рекомендованы только ускоренныеисследования фильтрационных, прочностныхи деформационных свойств торфов изаторфованных грунтов. Исходя из вышесказанного,лабораторные исследования проводилисьнами в минимальные сроки по ускореннойметодике.
В пятой главе рассмотрены особенностифильтрационного процесса в торфах и данахарактеристика их водопроницаемости. Входе проведения лабораторных работвыяснилось, что расход жидкости изменяетсяво времени: у ряда образцов выявленоувеличение расхода в начале фильтрации, увсех образцов отмечено уменьшение расходаво времени. Фильтрация усиливается сувеличением напора в сфагновых торфах,особенно у образцов с большей пористостью,у некоторых торфов отмечены начальныеградиенты (от 1 до 8), которые находятся вобратной зависимости от коэффициентовпористости. Коэффициентыфильтрации торфов изменяются от 0,01 до 7,2м/сут (620 определений, табл. 1). Максимальныезначения kф отмечены у торфовкустарничковой группы (4,8–6,5 м/сут). У торфов содинаковой пористостью более проницаемыдревесные, менее моховые – из-за хорошейводопоглощаемости. Значительно преобладаетвертикальная фильтрация в торфах:ангустифолиум, древесно-травяном, обтузум,осоково-сфагновом, тростниковом ишейхцериевом. Горизонтальная фильтрациядоминирует в торфах сминимальными коэффициентами фильтрации(за исключением фускум-торфа): пушицевом, сосново-сфагновом,травяно-сфагновом (табл. 1).Результаты исследований проницаемостиосушенных и неосушенных залежей показали,что kф верховой сфагновой залежиизменился на порядок за 13 лет осушения, в товремя как у низинной древесно-осоковой на 2порядка.
В шестой главе рассмотрены и проанализированы физическиесвойства торфов, такие как влажность,пористость, плотность, плотность скелета,плотность частиц торфа. Изучены прочностные и деформационныесвойства, особенности уплотнения торфяныхгрунтов, проанализированы методикипроведения сокращенных компрессионныхопытов. В работе приведены результатыкомпрессионныхиспытаний, выявлены факторыопределяющие механические свойстваторфов.
По нашим данным,коэффициенты пористости торфов изменяютсяот 6,6 до 37,5. Их минимальные значенияустановлены у торфов древесной группы(8,7–10,6), амаксимальные – у сфагновых верховых торфов:фускум, магелланикум, ангустифолиум икомплексного (17,2–19,4). Сфагновый мочажинный, обтузум,фаллакс и гипновый торфа имеют меньшиекоэффициенты пористости (10,0–13,9). Пористостьнаходится в обратной зависимости отзольности, степени разложения ипроцентного содержания травяных идревесных остатков.
Если сравнить наширезультаты с данными, полученными В.И.Косовым (1983) для торфовЕвропейской части России, то нужноотметить, что довольно близкие значениякоэффициентов пористости получены длянаиболее распространенных видов торфа– осокового,шейхцериевого, фускум-торфа,магелланикум, древесных. Таким образом, близостьпоказателей и их стандартных отклоненийговорит об их стабильности дляопределенного вида, подтверждая важностьучета показателя ботанического составапри исследованиях свойств торфяныхгрунтов. Установленынесколько пониженные степени разложениясибирских видов (до 5–20%) относительно их европейскиханалогов.
Плотность скелета торфяныхгрунтов ( d)изменяется впределах от 0,041 до 0,230 г/см3. Максимальные средниезначения показателя отмечены у травяноговида, в древесных и древесно-моховых группах,минимальные значения типичны длясфагновых верховых торфов:ангустифолиум, комплексного, магелланикум,фускум (табл.1). У низинных, переходных сфагновых торфови у сфагнового мочажинного значения показателянесколько выше (от 0,108 до 0,141г/см3). Втравяной группе у пушицевого, тростникового иосокового видов торфа dдовольно близки, у шейхцериевого видаплотность ниже ( d =0,116 г/см3). У кустарничкового торфаплотность небольшая ( d =0,103 г/см3).
Плотность твердых частиц (s)у исследованных торфовварьирует от 1,20 до 1,89 г/см3, унормальнозольных до 1,84 г/см3. Минимальныезначения показателя отмечены у торфовдревеснойгруппы и торфов, содержащих древесныеостатки, максимальные – у торфовмоховой группы. С увеличением зольностиплотность твердых частицувеличивается.
Результатыкорреляционного анализа выявили значимыесвязи между показателями состава (Ddp, Das, Вс) и физическимисвойствами (, d, W, е)торфов. Наиболее тесные связи выявленымежду физическими характеристиками исодержанием остатков растений моховойгруппы, степенью разложения, содержаниемрастений травяной группы, менее тесные сзольностью и содержанием древесныхостатков (табл. 2).
Таблица 2
Коэффициентыкорреляции, рассчитанные для показателейсостава и свойств торфов
| Параметры | е | Ddp | Das | pH | h | d | W | Процентное содержание растительныхостатков | |||
| травяных | древесных | моховых | |||||||||
| е | 1,00 | -0,44 | -0,20 | 0,55 | |||||||
| Ddp | -0,57 | 1,00 | 0,46 | 0,40 | -0,58 | ||||||
| Das | -0,33 | 0,44 | 1,00 | 0,37 | 0,15 | -0,44 | |||||
| pH | -0,34 | 0,38 | 0,60 | 1,00 | 0,55 | -0,06 | -0,55 | ||||
| h | -0,19 | 0,20 | -0,03 | 0,15 | 1,00 | 0,30 | -0,09 | -0,19 | |||
| -0,83 | 0,53 | 0,43 | 0,38 | 0,09 | 1,00 | 0,38 | 0,22 | -0,50 | |||
| d | -0,95 | 0,58 | 0,41 | 0,36 | 0,16 | 0,90 | 1,00 | 0,44 | 0,20 | -0,55 | |
| W | 1,00 | -0,58 | -0,39 | -0,37 | -0,19 | -0,83 | -0,95 | 1,00 | -0,45 | -0,19 | 0,56 |
| Примечание. Жирнымшрифтом выделены значимые коэффициентыкорреляции при =0,05; h –глубина залегания торфа | |||||||||||
Исследованияпрочностных свойств проводились нами припомощи крыльчатки (СК – 8) на 6 торфяныхмассивах. Величина сопротивления сдвигу вестественном состоянии ( )изменяласьот 0,004 до 0,045 МПа, в нарушенном (нар) от 0,0001 до 0,016 МПа. Наиболее тесныезначимые связи установлены между – нар, нар – Das, нар– s и между – е.Максимальныезначения отмечены у торфов содержащих древесные остатки.
В главе проведен анализметодов компрессионных испытаний торфов.Попричине быстрого распадаторфа извсех методовсокращенныхкомпрессионныхиспытаний выбран, рекомендованныйв “Пособии попроектированию земляного полотнаавтомобильных дорог на слабыхгрунтах”,метод ускоренного построенияконсолидационных кривых с применениемэкстраполяции до интенсивности деформации 0,02м/сут, так как он не включает при обработкеданных результаты длительныхопытов. Врезультате данных построеныкомпрессионные кривые логарифмическоговида (всего 328):
ei = eo – а ln ( Pi/ Pс ) или ei = с – а ln Pi,где ei– коэффициентпористости при нагрузке Pi, eo–начальныйкоэффициентпористости, a –коэффициенткомпрессии, Pс–начальный параметр компрессионнойкривой,соответствующийструктурнойпрочности грунта.
Обобщенные компрессионныекривые построены нами для всехнаиболеераспространенныхвидов торфаТомской области (табл. 1). Обработка результатоввыполнена порекомендациям И.С. Комарова в программе Statistica. Максимальныезначения коэффициентов компрессииотмечены в моховой группе у сфагновыхвидов торфа с высокими коэффициентамипористости(ангустифолиум, магелланикум, фускум),минимальные – в древесной группе.Структурная прочность вышеу гипнового и травяного видов, минимальная структурнаяпрочность отмечена у комплексноготорфа –0,0003 МПа, отобранного из сплавины и неиспытавшего природных нагрузок, уостальных видов значения одногопорядка.
Результатыпроведенного нами корреляционного анализапоказали, что основными характеристиками, влияющимина коэффициент компрессии являются коэффициентпористости,влажность при максимальномводонасыщении (r = 0,70), плотность скелета (r = -0,68) и плотностьводонасыщенноготорфа (r= -0,61). Менеетесные связиотмечены между коэффициентомкомпрессии и степенью разложения(r = -0,45),коэффициентомкомпрессии и зольностью(r = -0,28).Анализ выявил такжезначимые связи междукоэффициентомкомпрессии ипроцентнымсодержанием моховых (r =0,46), травяных (r = -0,32) и древесных (r = -0,18)остатков.
На основе обобщенияфактических данных построена номограмма(рис. 1), позволяющая устанавливать модулидеформации торфов. Построенные кривыепредставляют собой зависимости модулейдеформации от коэффициентов пористостипри разных нагрузках. Аналогичные кривыепостроены для определения модулейдеформации и осадки торфов моховой,древесной и травяной групп. Необходимоотметить, что торфа разных групп по-разномуведут себя под нагрузками: при одинаковыхзначениях е наиболее сжимаемыми являютсяторфа, состоящие из остатков мхов, инаименее –торфа, содержащие древесные остатки.
В седьмой главе приведена классификациядеформационных свойств и характеристикаторфов изученных болотных районов.Выявленные взаимосвязи механических ифизических свойств с показателями составаторфов позволили выполнитьинженерно-геологическоеклассифицирование торфяных грунтов потрехступенчатой схеме, с учетомрекомендаций И.Е. Евгеньева и В.Д.Казарновского. Она включает показателисостава –процентное содержание растительныхостатков (ботанический состав), зольность истепень разложения, показатели состояния– пористость(или полную влагоемкость, плотностьскелета, плотность), а также значениядеформационных характеристик. Кромеобщеизвестных классификационныхпоказателей состава торфов (рекомендуемыхтакже ГОСТ 25100-95), по результатамкорреляционного анализа мы сочлинеобходимым добавить ботаническийсостав. Разработаннаяклассификация торфов по составу позволилаклассифицировать их по параметрамкомпрессионных кривых, по прочностным,фильтрационным, физическим свойствам, покислотности.
С увеличением всоставе твердых частиц торфа одной изсоставляющих (Das, Ddp, Вс), ее влияние нафизико-механические свойства значительновозрастает. Исследованные нами торфа, восновном малозольные, в среднем Das=7,6 %, продуктыразложения в среднем составляют 22 % оттвердых частиц торфа и не превышают 50 % отсодержания органики. В связи с тем, чтостепень разложения сибирских торфов на5–20 % ниже, чему аналогичных европейских видов, наиболееважным показателем состава вклассификации торфов Томской областиявляется ботанический состав. На рис. 2приведены графики изменения содержаниярастительных остатков у торфов с разнымикоэффициентами компрессии.
Можно отчетливовыделить три типа торфа по степенисжимаемости, в зависимости отколичественных и качественныхособенностей ботанического состава. В I иII типах,т.е. прикоэффициентах компрессии менее 3,доминируют низинные торфа. Для IIIтипа характерны только верховые. Во всехслучаях наиболее представительнымявляется топяной подтип торфов.
I тип.При значениях а <2,0 и е0 <11,5 преобладают торфа травяной идревесной групп. При коэффициентахкомпрессии менее 1,5 торфа представленыберезовым, сосновым, древесно-травяным,травяным, сосново-сфагновым идревесно-гипновым видами. В интервалезначений коэффициента компрессии от 1,5 до2,0 увеличивается содержание моховых(гипновых) остатков и снижается содержаниедревесных и травяных. Видовой составпредставляют древесно-осоковый,древесно-сфагновый, реже кустарничковый,фаллакс, а также сильноразложившиесяшейхцериевый и пушицевый торфа. Для ниххарактерна степень разложения более25%, в среднемзольность –8,2%, рН–4,4,плотность скелета торфа – 0,147 г/см3. Установлено, чтоI тип торфазалегает в нижних слоях залежи, напериферии торфяных массивов и относятся кболее ранним по возрасту отложениям. Торфаэтого типа встречаются чаще в болотах пойми террас на правобережье р. Оби в южной июго-восточной частях Томскойобласти.
II тип. При значениях2,0<а<3,0 и 11,5<е0<16,5 содержание травяных остатковнесколько стабилизируется, древесных–уменьшается и растет количествопредставителей моховой группы. Характерноприблизительно равное содержаниеторфообразователей моховой и травянойгрупп, незначительное – древесной,которое остается неизменным и в следующеминтервале. В целом, доминируют осоковыевиды, осоково-гипновые, пушицевые,пушицево-сфагновые, тростниковые,встречаются древесно-сфагновый,травяно-сфагновый, магелланикум, фускум икомплексный, обтузум-торф. Степеньразложения торфов изменяется от 20 до 25%, зольность– 8%, рН– 4,0,плотность скелета торфа – 0,119 г/см3. Этот тип торфашироко распространен в южной части Томскойобласти, преобладает в болотных массивахтеррас и ложбин древнего стока. Онпредставляет средние слои залежи или всюзалежь полностью, по возрасту занимаетпромежуточное положение между I и III типами.
III тип.При значениях а>3,0 и 16,5<е0резко падает содержаниетравяных остатков и также резко возрастаетсодержание моховых, их стабилизацияотмечается при дальнейшем повышениикоэффициентов компрессии. В данном типеторфа преобладают представители верховыхторфов моховой, реже травяно-моховой идревесно-моховой групп, доминирующимивидами являются фускум, ангустифолиум,магелланикум, встречаются комплексные,сфагновые мочажинные и древесно-сфагновыеторфа, а также представители травянойгруппы –слаборазложившиеся щейхцериевые ипушицевые. Типична степень разложенияменее 20%,зольность –4%, рН – 3,3,плотность скелета торфа – 0,08 г/см3. По направлению сюга на север торфа этого типа встречаютсячаще. Они широко распространены направобережных водораздельных равнинахТомской области и на левобережье навысоких террасах и водораздельныхравнинах севернее устья р. Томи. Торфапредставляют верхние слои залежи или всюзалежь полностью, по возрасту относятся кболее молодым отложениям.
Предлагаемаятипизация по степени сжимаемостиобъединяет торфа с близким составом ипараметрами компрессионных кривых, чтоважно для характеристики измененийкоэффициентов пористости под нагрузкамиот Pc до 0,2 МПа. Для практических целей наибольшийинтерес представляет классифицированиеторфов по модулям осадки, позволяющееобъединить виды с различной начальнойпористостью и компрессионнымипараметрами. С этой целью проведенкластерный анализ и для установленных вего результате 5 групп построены графикизависимости модулей осадки отнагрузок до0,20 МПа (рис. 3) и получены уравнения регрессии.Первая группа (1) включаеттравяной, гипновый и березовый виды, вторая(1-2) –осоковый, древесно-осоковый, сосновый идревесно-гипновый, третья (2) – осоково-сфагновый,пушицевый, осоково-гипновый, шейхцериевый,сосново-сфагновый, обтузум, фаллакс идревесно-сфагновый, четвертая (2-3) – фускум,пушицево-сфагновый и тростниковый, пятая (3)– сфагновыймочажинный, магелланикум, ангустифолиум,комплексный и кустарничковый торфа.
На основе схемырайонирования территории Томской областипо степени заболачивания и проведенныхисследований особенностей формированияторфяных отложений, нами составленаклассификация деформационных ифильтрационных свойств торфов с учетом ихпривязки к болотным округам и элементамрельефа (табл. 3). В работе приведена краткаяхарактеристика особенностей состава исвойств показателей наиболеепредставительных для округов видов торфа.По результатам исследований составленаинженерно-геологическая диагностическаяклассификация состава,физических, фильтрационных и механическихсвойств торфов Томской области (табл. 1), которая может служить вкачестве региональной классификациинормативных показателей свойств торфовзаболоченных территорий центральной частиЗападной Сибири.
Таблица 3
Классификациядеформационных и фильтрационных свойствторфов
Томской области (фрагмент)
| Провинция | Округ | Район | Положение в рельефе | Месторождение | Мелиоративные работы | Тип залежи | Подтип | Состав торфа | Параметры компрессионнойкривой | Фильтрационные показатели | |||||||
| Группа | Вид | Dаs, % | Ddp, % | eо | Pc,МПа | a | kфв | kф г | ka | ||||||||
| м/сут | |||||||||||||||||
| Васюганская | Бакчарский | Иксинский | Водораздельная равнина | “Васюганcкое” (уч.5, у с. Кр.Бакчар) | Осушение | Верховой | Топяной | Моховая | Магелланикум | 1,8 | 20 | 15 | 0,0009 | 2,4 | 1,24 | 0,89 | 1,18 |
| 0,8 | 10 | 21 | 0,0007 | 3,4 | 1,12 | 1,69 | 0,81 | ||||||||||
| Сфагновый мочажинный | 4,2 | 15 | 9,7 | 0,0031 | 1,8 | 0,56 | 0,56 | 1,00 | |||||||||
| 2,5 | 10 | 16 | 0,0024 | 3,0 | 1,19 | 0,60 | 1,42 | ||||||||||
| Травяно-моховая | Пушицево-сфагновый | 0,9 | 15 | 17 | 0,0012 | 3,3 | 1,52 | 1,86 | 0,90 | ||||||||
| Примечание. ka – коэффициентанизотропности | |||||||||||||||||
Разработанырекомендации по использованию результатовисследований формирования состава ифизико-механических свойств торфяныхгрунтов при проведенииинженерно-геологических изысканий пристроительстве дорог нефтяных и газовыхпромыслов. Как отмечено в “Инструкции попроектированию и строительствуавтомобильных дорог нефтяных и газовыхпромыслов Западной Сибири”,проектирование земляного полотна наболотах необходимо осуществлять на основерегиональных типизаций, разработанных сучетом районирования территории регионапо природным условиям. Приведенное вработе районирование территории Томскойобласти по степени заболачивания,характеризует особенностираспространения торфов определенногосостава, а инженерно-геологическиеклассификации позволяют предварительнооценить их фильтрационные ифизико-механические свойства. Обычнопервый этап изысканий не включаетлабораторные исследования и именно на этомэтапе можно получить более точные прогнозыосадки, используя видовой состав торфа(табл. 1, 3 и рис. 3). На втором этапе отбираютпробы торфов с нарушенной структурой дляопределения влажности, зольности, степениразложения. Модули деформации для нихможно получить с номограммы (рис. 1, длянеосушенных массивов е=W*s). Вслучае, когда ботанический составопределен, аналогичные графики длятравяной, древесной и моховой групп торфа,приведенные в работе, позволяют болееточно определить их модули деформации иосадки. На третьем этапе проводят лабораторныеиспытания на компрессию, консолидацию исдвиг с учетом скорости изменения составаторфа при его хранении в условиях отличныхот естественного залегания. Еслипланируется использовать торфа в ихестественном состоянии – в залежи, то опытыдолжны проходить по ускоренным методамсразу после отбора образцов. Прииспользовании в насыпях торфов снарушенной структурой проводятсядолговременные фильтрационные,консолидационные и компрессионные опыты.При предварительном осушении залежикоэффициенты фильтрации (табл. 1) позволяютрассчитать расстояние между каналами,дренами, а кривые зависимостикоэффициентов фильтрации от пористоститорфов моховой и древесной групп,приведенные в работе позволяют определятьрасстояния между дренами в процессеосушения.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫПО РАБОТЕ
Выполненные исследованияпозволили получить следующиерезультаты,отражающиетеоретическую и практическуюзначимость работы.
- Проанализированыданные, характеризующие природные условияТомской области и их влияние на развитиеболотообразовательного процесса.Систематизированы и обобщены материалы порайонированию территории Томской областипо современному заболачиванию на основесхемы Ю.А. Львова, которая былаусовершенствована в отношенииуточнения границ округов, дополненахарактеристикой фильтрационных ифизико-механических свойств торфов.
- Врезультатенаблюдения за процессамиразложения торфяных грунтов в условиях отличных от ихестественногозалегания,установлено, что торфа быстро изменяютсвой состав.За годхранения осоковых торфов при температуре18–28oих степеньразложенияувеличилась на 10–15%. По этой причинерекомендованыускоренные исследования компрессионных ифильтрационныхсвойств, разработаны рекомендациипо ихпроведению.
- Изучены физические,фильтрационные,прочностные и деформационныесвойства торфов, ихботанический состав, зольность и степень разложения. Определенынормативныепоказателиперечисленных свойств 25видов торфа,для каждогоиз нихопределены параметры компрессионныхкривых.
Анализфизических свойств наиболееширокораспространенных в Томскойобласти ив Европейской части России видов торфа показал, что они имеют близкиесредние значения истандартныеотклонениякоэффициентовпористостиСтепень разложения сибирскихвидов на5–20%меньше, чему европейских аналогов,по-видимому,благодаряпалеоклиматическимусловиям региона ираспространению в небольшихколичествах во всех типах торфа сфагновых мхов,обладающихбактерициднымисвойствами.
Приисследованияхсвойств торфяных отложениймассивов вестественном и осушенном состоянии установлено,что торфас выработанных участковместорождений более подверженыдеформациям сжатия и сдвига, чем аналогичные им виды в массивахнаходящихся в естественномсостоянии.
Порезультатамкорреляционногоанализа выявлены взаимосвязимежду характеристиками составаторфов иих прочностными, деформационнымии фильтрационными свойствами.Подтверждены связи деформационныхсвойств состепенью разложения и зольностью, установленывзаимосвязи с ботаническимсоставом: c увеличениемсодержания остатков растенийдревесной группы коэффициентыкомпрессииуменьшаются, с ростомостатковпредставителеймоховой группы – увеличиваются.Наиболее тесные связивыявлены между деформационнымихарактеристиками и коэффициентамипористости торфов, наоснове этихвзаимосвязей построенаномограмма, позволяющая устанавливать модулидеформации по коэффициентам пористостипри разных нагрузках, аналогичныеграфики построены для торфов древесной,травяной имоховой групп. Установлено,что поднагрузками торфа ведут себя по-разному: приодинаковойпористости наиболее подверженыдеформациям сжатия торфамоховой группы и менее –древесной.
- На базе полученныхколичественныхоценок, выявленных особенностейи взаимосвязей состава и свойствторфов составлена классификациядеформационных и фильтрационныхсвойств торфов болотныхокругов Томской области(табл. 3), заоснову которой взятботанический составторфяных грунтов. Проведенатипизации торфов поботаническомусоставу всоответствии с “Классификациейторфов иторфяных залежей ЗападнойСибири” (2000 г). Покоэффициентамкомпрессии выделены три основных типа торфа по степени сжимаемости,с определенными количественнымихарактеристикамисостава.Установлено 5 групп, объединяющихвиды торфас близкимимодулями осадки принагрузках до0,20 МПа, максимальные значениямодулей выявлены уангустифолиум,магелланикум,комплексного,кустарничкового и сфагновогомочажинного торфов. По результатамопределений прочностных свойств, залежи 6торфяных месторождений классифицированыпо проходимости техники с учетомрекомендаций Л.С. Амаряна, определеныстроительные типы торфа по классификацииВ.Д. Казарновского. Разработанадиагностическаяклассификация состава, физических,фильтрационных и механических свойствторфов Томской области (табл. 1), которуюможно рекомендовать в качестверегиональной классификации нормативныхпоказателей свойств торфяных грунтов.Разработаны рекомендации по использованиюрезультатов исследований приинженерно-геологических изысканиях при проектировании и строительствепромысловых дорог на заболоченныхтерриториях ЗападнойСибири.
Следует отметить,что предложенная вдиссертации методика исследованийсвойств торфов имеет ряд преимуществпо сравнениюс известными, так как прилабораторных опытах исключаютизменения состава торфа,имеющего значимые связи с физико-механическими свойствами.Применениепредложенныхрекомендацийспособствует болееполной интерпретации данных,оптимальности оценки свойствторфов, итем самымобеспечиваетверификациюрезультатов.Преимуществопредлагаемыхподходов втом, чтовыявленныевзаимосвязи свойств сботаническимсоставом позволяют получитьболее ясную,точную и достовернуюинформацию освойствах торфяных грунтов,объяснитьзакономерности их изменений,решить проблему прогнозированиядеформационныхсвойств иповысить точность расчетаосадок сооружений. Установленныезакономерности в значительнойстепени упрощают решениетеоретических задач о сложных взаимоотношенияхсостава исвойств торфяных грунтов, и во многом объясняютпричинно-следственнуюсвязь междуними. Учетэтих связейпри выполнении изыскательскихработ позволяет установитьпространственноеизменение свойств торфов в зависимостиот ихсостава натерриториях со сходнымигеологическимиусловиями болотных массивов,что способствует повышениюэффективностиизысканий.
Автор глубокопризнателен своему научному руководителюдоктору геолого-минералогических наук,профессору С.Л. Шварцеву за постоянноевнимание и высокую требовательность кработе. Особую благодарность авторвыражает научному консультанту кандидатугеолого-минералогических наук к.г-м.н. Т.Я.Емельяновой за ценные советы, постояннуюпомощь и поддержку при подготовкедиссертации. Автор выражает искреннююблагодарность сотрудникам СибНИИТ исотрудникам кафедры ГИГЭ ТПУ Л.Д.Степановой, к.т.н. П.Н. Степанову, к.г-м.н. А.Д.Назарову, д.г-м.н. Н.М. Рассказову, к.б.н. Ю.И.Прейс и к.г-м.н Н.А. Антроповой за советы,консультации и предоставленныематериалы.
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕДИССЕРТАЦИИ
- Крамаренко В.В.Фильтрационные свойства торфов Томскойобласти / Крамаренко В.В., Степанов П.Н. //Технология и комплексная механизацияторфяного производства: Сборник научныхтрудов. –Тверь: ТГТУ, 2000. – Вып. 14. – С. 148 – 152.
- Крамаренко В.В.Водно-физические свойства торфов и ихизменение под воздействием нагрузок /Крамаренко В.В., Емельянова Т.Я., СтепановП.Н. // Материалы региональной конференциигеологов Сибири, Дальнего Востока исеверо-востока России. – Томск, 2000. – Т.2. – С. 166 – 168.
- Крамаренко В.В.Прочностные свойства торфяных грунтовТомской области: Труды ПятогоМеждународного научного симпозиума им.академика М.А. Усова студентов,аспирантов и молодых учёных, посвящённого100-летию горно-геологического образованияв Сибири. –Томск: STT, 2001. – С.153 – 154.
- Крамаренко В.В.Фильтрационные свойстваторфяных грунтов Томской области / Крамаренко В.В., ЕмельяноваТ.Я. // Обской вестник. – 2001. – №1. – С.36-40.
- Крамаренко В.В.Расчет влажности полей добычи торфа поуровню грунтовых вод / Крамаренко В.В.,Степанов П.Н., Степанова Л.Д.// Торф в сельском хозяйстве:Сборник научных трудов / РАСХН. Сибирскоеотделение. СибНИИТ. – Томск, 2002. – С. 36 – 42.
- Крамаренко В.В.Факторы формирования деформационныхсвойств торфяных грунтов Томской области:Труды Шестого Международного научногосимпозиума студентов, аспирантов и молодыхучёных посвящённого 100-летию со днярождения заслуженного деятеля науки РСФСРЛ.Л. Халфина и 30-летию проведениямолодёжных научных конференций имакадемика М.А. Усова. – Томск: Изд-во НТЛ,2002. – С.140– 143.
- Крамаренко В.В.Физические свойства торфяных грунтовТомской области: Труды СедьмогоМеждународного научного симпозиума имениакадемика М. А. Усова студентов, аспирантови молодых ученых. – Томск: Изд-во ТПУ, 2003. – С. 171 – 174.
- Крамаренко В.В.Характеристика торфяных грунтовВасюганского болота (междуречьяБакчар-Икса-Шегарка) // Изв. ТПУ. – 2003. – №6. – С. 28 – 32.
- Крамаренко В.В. Характеристика ипрогнозирование деформационных свойствторфяных грунтов (на примере Томскойобласти) / Крамаренко В.В., ЕмельяноваТ.Я // Геоэкология. –2004. – №3.– С. 251 –256.
- Крамаренко В.В. Влияние скоростиразложения торфов на выбор методикиизучения их механических свойств /Крамаренко В.В., Емельянова Т.Я // Изв. ТПУ.– 2004. –.№5.– С. 54 –57.
