Характеристика физических свойств верховых торфов Томской области | Вестн. Том. гос. ун-та. 2009. № 322.

Характеристика физических свойств верховых торфов Томской области

Приводятся результаты изучения зольности, степени разложения, ботанического состава и физических свойств торфов верховых болот Томской области. Выявлены взаимосвязи между характеристиками их состава, состояния и свойств для прогнозирования поведения грунта под сооружениями.

Characteristic of physical properties of high-moor peat in Tomsk district.pdf В Томской области интенсивно осваиваются и обустраиваются нефтяные месторождения, которые находятся в основном на междуречных пространствах, где преобладают верховые или переходные болота. В связи с этим возрастает необходимость оценки физических свойств торфов с целью прогнозирования изменения их при строительстве и эксплуатации сооружений. В данной работе приведены результаты исследований состава и свойств торфяных грунтов Томской области. Всего было исследовано 13 видов торфа верхового типа, отобранных на болотных массивах Икупгкино, Васюган-ское, Карасевое, Ольгино, Рыжиково, Светлое, Темное, Чагинское (рис. 1). Были определены: плотность (р), плотность твердой части торфа (ps), плотность скелета (Pd), влажность (W), коэффициент пористости (е). Кроме физических характеристик были определены такие пока-затели, как зольность (Ож), ботанический состав и степень разложения (Оф), а также кислотность (рН) торфов. Как известно, большое влияние на физические свойства торфов, особенно малой и средней степени разложения, оказывает их ботанический состав. Он является четким индикатором изменения условий тор-фонакопления и находится в тесной взаимосвязи с климатическими эпохами. Для каждого этапа аккумуляции характерны свои закономерности образования и развития болотных биогеоценозов, нашедшие свое отражение в стратиграфии залежей определенных болотных районов. Видовой состав определяет свойства торфов: структуру торфа, пористость, влагоемкость, скорость и однородность разложения, влияет на скорость и равномерность осадки, фильтрационные и прочностные свойства, агрессивность болотных вод.Условные обозначенияИН-.53Шкала высот б птетрах1WIMlII- -Iнк*? 100 210 fBW 5(0 еыш*Рис. 1. Схема расположения точек опробования болотных массивов: а - номер участка, отбора образцов торфа:1 - Икушкино, 2 - Светлое, 3 - Карасевое, 4 - Васюганское, 5 - Ольгино, 6 - Рыжиково, 7 - Темное, 8 - Чагинское;б - заболоченность поверхности; в - горизонтали поверхностиВ зависимости от типа питания образуются олиго-трофные или евтрофные группировки растительности и накапливаются верховые или низинные типы торфа. Тип является высшей таксономической единицей стратиграфической классификации, отражающей исходные усло-вия торфонакопления по степени минерализации вод [1] и входит в ботанические (генетические) классификации С.Н. Тюремнова, Ю.В. Ерковой, А.В. Пичугина, Н.А. Березиной, О.Л. Лисе и многих других. Для оценки свойств и состояния торфов в практике используются классифи-265калии, где основными категориями являются: типы - выделяются по минерализации питающих залежь вод, подтипы - по степени увлажнения, группы - по содержанию в торфе остатков отдельных групп растений-торфообразователей. Вид - низшая таксономическая единица классификации торфа, характеризующаяся постоянным сочетанием преобладающих остатков отдельных видов растений-торфообразователей, отражающих исходные растительные ассоциации.Торф верховой, образовавшийся из растительности олиготрофного типа, в ботаническом составе которого не более 10% остатков растительности евтрофного типа. Торфа верхового типа образуются в условиях бедного минерального питания, чаще атмосферного с общей минерализацией вод до 20-30 мг/л, или за счет поверхностных вод с минерализацией до 40-60 мг/л [2]. В Западной Сибири преобладают топяные подтипы торфа, из видов - фускум, комплексный, магеллани-кум, ангустифолиум, сфагновый мочажинный, пуши-цево-сфагновый, шейхцериево-сфагновый, часто встречается шейхцериевый и пушицевый торф.Ботанический состав определяет характерные структурные особенности торфяных грунтов. Как отмечает Л.С. Амарян, использование макроструктурных признаков торфа крайне важно при оценке несущей способности торфов в осушительных системах и котлованах, при оценке деформируемости и устойчивости оснований насыпей [3]. Структура торфа из-за разнообразия форм и размеров элементов - от крупных волокон растений, корней, остатков древесины до тонкодисперсных разложившихся частиц, весьма индивидуальна для каждого вида. Каждый вид обладает характерной структурой и при разной степени разложения имеет определенную структуру, как, например, пушицевый, шейхцериевый, пушицево-сфагновый виды.Структура оказывает влияние на физические и фильтрационные свойства, а также на механические. Она определяет, в свою очередь, анизотропные свойства торфа, изменяется под бытовым давлением в естественных условиях и под техногенным воздействием на осушенных массивах [4]. На основе описаний структур, составленных В.М. Пичугиным и С.Н. Тюремновым [5-7], приведем краткую характеристику изученных нами видов торфа.Сфагновые верховые торфа - преимущественно из магелланикум-, ангустифолиум-торфов, светло-коричневого, рыжевато-серого и желтовато-коричневого цвета, характеризуются соломистой, соломисто-волокнистой структурой и визуально слабо отличаются друг от друга. Листочки мхов налегают друг на друга и поры клеток соприкасаются, так что в сфагновой веточке образуется капиллярная система, способствующая накоплению влаги. У фускум-торфа структура ближе к губчатой и характеризуется мелковолокнистым сложением более коротких, переплетенных, жестких веточек мхов. Фускум является наиболее распространенным видом верхового торфа. Комплексный торф светло-коричневый представлен совокупностью сфагновых видов (смесью остатков растений гряд и мочажин). Структура изменяется от губчатой до соломистой, и благодаря ей торф имеет очень высокие значения пористости и влажности.Пушицевый малоразложившийся торф имеет грубо-волокнистую структуру, сильноразложившийся также содержит большое количество расположенных горизонтально очень тонких прямых волокон, пронизывающих пластичную массу торфа, оставшихся после распада оснований листьев. Структуру шейхцериевого торфа можно назвать волокнистой. В однородной массе торфа выделяются более крупные элементы - корневища и светлые нити - корешки щейхцерии, а также стебельки мочажинных сфагновых мхов. От пушицево-го торфа он отличается более эластичным нежным волокном и примесью тонкопластичного слизистого детрита, сходного с сапропелем.Кустарничковый торф образует маломощные прослойки, тем не менее, он широко распространен на территории Томской области. Торф чаще молодой, слабо-разложившийся, остатки сфагновых мхов пронизаны сильно ветвящимися корешками кустарничков, создающих подобие каркаса. Он имеет пористо-губчатую структуру, как и некоторые сфагновые мхи, но она более жесткая и неоднородная. Распространен на водораздельных пространствах и террасах. Кустарничковый вид с большей степенью разложения встречается значительно реже.Для древесного торфа (соснового) характерна высокая степень разложения, темно-коричневый, почти черный цвет, структура комковато-зернистая или пластинчатая. Сильно разложившийся (Оф=35-50%) сосновый и отчасти сосново-сфагновый торф имеет тонкозернистую пластинчатую структуру, т.к. сами древесные остатки сохраняются лучше остатков других растений. Благодаря такой структуре торф имеет высокую плотность и прочность. Сосновый верховой торф характеризуется однородной тонкозернистой структурой и включает ребристые кусочки древесины. У смешанных среднеразложившихся видов торфа древесно-травяной и древесно-моховой групп заметнее неоднородность разложения разных растительных остатков. Сосново-сфагновый торф представляет собой смесь торфа отдельной губчатой структуры и комковатой. Древесный торф встречается сравнительно редко, образуя придонные слои или окаймляя залежь.У сфагновых видов степень разложения небольшая, от 5 до 40%, чаще до 15%. У торфов фускум и комплексного Djp до 10%. У сфагнового мочажинного, ангустифолиум, магелланикум и травяно-сфагнового торфов степень разложения - до 25%. Причиной является выделение сфагнами органических кислот и присутствие сфагнола (гликозида с фенольной основой), которые обусловливают их биохимическую устойчивость [6], оказывая бактерицидное действие и сохраняя также остатки других болотных растений. Минимальные средние значения степени разложения выявлены у сфагновых торфов, кустарничкового и древесно-сфагнового, максимальные значения и самый широкий разброс значений показателя - у пушицевого и пуши-цево-сфагнового торфа, высокие значения получены для древесных торфов.Для выбора методик определения характеристик фильтрационных и некоторых физических и механических свойств торфов большое значение имеет продолжительность проведения опытов. На результаты иссле-266довании также оказывают влияние длительность и условия хранения образцов (температура и влажность). В связи с изменениями этих условий в образцах меняется количество и состав микроорганизмов. Учет процесса разложения необходим при выборе методик фильтрационных и компрессионных опытов, хранения и водо-насыщения образцов. При проведении лабораторных исследований торфов имеет место быстрое разложение его органической части как при обводнении, так и при свободном доступе воздуха к образцу. В СибНИИТор-фа г. Томска была определена степень разложения образцов, отобранных 26 сентября 1995 г. и хранившихся при комнатной температуре (16-28°С) до 28 сентября 1996 г. Результаты показали, что степень разложения древесно-осокового торфа увеличилась от 20-25 до 35%. Этот факт заставил нас провести анализ работ по изучению изменений, происходящих в торфе при различных условиях его хранения, для выбора методик проведения лабораторных фильтрационных и компрессионных исследований [8]. Интересные результаты получили Н.А. Кот и Т.А. Рахубо за год содержания торфа в водонасыщенном состоянии в помещении [9]. Выяснилось, что фускум-торф и комплексный верховой значительно богаче микроорганизмами, чем ангу-стифолиум и особенно магелланикум. В последнем аммонификаторов в 3-5 раз меньше, чем в ангустифо-лиум-торфе, и в 12-15 раз - чем в фускум и комплексном верховом. Бактерий масляно-кислого брожения, образующих газы в комплексном и фускум-торфе в сотни раз больше, чем в магелланикум и ангустифоли-ум-торфе. Однако в них обнаружено присутствие газообразующих микроорганизмов, развивающихся за счет разрушения белков и углеводов. Верховой затопленный торф значительно беднее микрорганизмами, чем затопленный низинный, но в верховом торфе в нарушенном и в обводненном состоянии быстро развиваются маеляно-кислые бактерии, особенно в сфагновом торфе, а также микроорганизмы, вызывающие при его затоплении газообразование и всплывание. М.П. Петровым и П.А. Костычевым установлено, что оптимальная температура для активной жизнедеятельности большинства бактерий составляет 32-36°С и влажность0,6-0,8 от полной влагоемкости, и даже при температуре от -2 до -5°С процесс разложения продолжается [10]. При фильтрации в лабораторных условиях с предварительным водонасыщением бактерии вызывают газообразование и как следствие кольматацию пор и занижение коэффициентов фильтрации в начале опыта. Перед опытом необходимо убедится, что степень разложения торфа не отличается от исходной, в обратном случае снять верхний разложившийся слой. В таких случаях, при исследовании фильтрационных свойств, необходимо убедится, что расход фильтрата не увеличивается во времени, в противном случае коэффициент фильтрации нужно рассчитывать по максимальному расходу. Долговременные фильтрационные опыты проводить также нецелесообразно. Газообразование также препятствует водонасы-щению, и влияет на показатели полной влагоемкости. Во избежание этого взвешивать образцы лучше после фильтрации, а водонасыщение проводить не более 1-2 суток.В «Классификации торфов и торфяных залежей Западной Сибири» [11] отмечено, что в регионе наиболее часто встречается торф с зольностью 6-18%. В Томской области значительно преобладают малозольные разновидности (из 1447 торфяных месторождений только 3 с высокозольными торфами с £>ж>35% [12]). В верховом торфе наиболее часто встречаются разновидности с зольностью до 5%.Зольность торфа определялась в соответствии с ГОСТ 11306-83. В целом зольность образцов находится в пределах от 0,8 до 16,1%, в среднем 5,6% (табл. 1). По ГОСТ 25100-95, если степень зольности менее 20%, то торф относится к нормальнозольным, более - к высокозольным. Исследованный торф в основном нормальнозольный (5-20%). Только несколько образцов отличаются повышенной зольностью. Минимальная зольность отмечена у сфагновых видов, максимальная - у древесных и древес-но-сфагнового торфа, что обусловлено не только содержанием солей в самих растениях, а в первую очередь их положением в разрезе залежи. Торф этих групп чаще находится в нижних, придонных слоях, где переслаивается с минеральными грунтами и имеет более богатое питание по сравнению со сфагновыми торфами в верхних и средних слоях торфяных массивов.Таблица 1Характеристики торфяных грунтов верховых болот Томской областиВид торфаКоличество определенийКоэффициент пористости, %рнПлотность твердых частиц, Рп г/см3Плотность скелета, ра г/см312345678Фускум2117.25 8,60-37,499 5-154j2 1,68-10,12,9 2,9-3,01,53 1,51-1,570.093 0,041-0,158Ангустифолиум618.93 15,48-22,50И 10-152,45-3,0ы 2,9-4,01.520.077 0,065-0,092Магелланикум1819.03 10,57-25,8016 10-252J. 0,80-4,82,9-3,01.52 1,51-1,530.081 0,057-0,133Комплексный919.42 12,31-31,697 5-10ш 3,49-4,0М 2,9-3,21.520.083 0,047-0,115Сфагновый мочажинный1012.81 9,26-16,56И 10-153,3 2,49-4,2ъл.1.530.116 0,087-0,149Пушицево-сфагновый1514.83 7,30-23,7228 10-50И 0,90-4,8Z9 2,8-2,91,52 1,51-1,520.111 0,061-0,183Травяно-сфагновый510,9 9,29-13,97252,11-2,1м 3,3-3,31,520.132 0,109-0,148267Окончание табл. 112345678Пушицевый910.66 7,41-17,2838 15-50за 2,75-4,6ш 3,0-3,01,53 1,52-1,530.137 0,083-0,180Шейхцериевый1314.43 9,77-20,6622 20-252,64-4,3м 4,0-4,21,530.103 0,071-0,142Древесно-сфагновый1117.37 10,73-31,2815 5-25ТА 3,69-16,12^9 2,9-3,01,55 1,52-1,620.091 0,047-0,130Сосново-сфагновый58.21 6,59-9,81403,9 3,88-3,9Ш1.520.169 0,141-0,201Сосновый312.85 6,79-17,23404=8 4,76-4,82& 2,8-2,81,520.158 0,084-0,195Кустарничковый413.96 12,72-15,79153,18-3,2ы 3,4-3,41.520.103 0,091-0,111Примечание.^ числителе приведены средние значения характеристик, в знаменателе - минимальные и максимальные значения.Плотность твердых частиц торфа (растительных остатков и минеральной составляющей) мало изменяется и равна в среднем 1,52-1,55 г/см3. Плотность скелета изменяется от 0,041 до 0,201 г/см3, максимальные средние значения - у сосново-сфагнового торфа (Оф=40%), минимальные -у сфагновых торфов (Оф=10-20%).Одной из наиболее важных характеристик грунтов, которая определяет механические свойства, является коэффициент пористости. Его значения изменяются от6,59 до 37,5 д. ед., среднее значение - 15,6. Самые высокие средние значения коэффициентов пористости (более 17 д. ед., табл. 1), отмечены у сфагновых видов торфа, относящихся к моховой группе, минимальные значения у более разложившегося сосново-сфагнового торфа (рис. 2). Максимальные значения е0 получены для фус-кум-торфа, комплексного и древесно-сфагнового торфов (табл. 1). Фускум-торф имеет также самый широкий разброс значений коэффициентов пористости.28 ■■■'''''' 26 24 22 20 § 18 Ч 16 о" 14 12 10 8 6-,- __ НD1 п 1D D тт DD§Ф, ~Т~-г~ jD | Dф X -*- 1S-- UJLJ 4,,,,,.,., 515л й- л'л'1 'з '1аmСОш ~ шmфоцо 5 ошX=гXо^ m ^sSе|_ гоПушиго-е-^ г: ° га с ой"га с iXо-сф о-сфн о г"■в- g о о £ о Jейхио-сф Комп тарно 5соXх 23ч-ф< X £лгао3ф о.о. Н Вид торфао ОСфагн(° Среднее □ ±SE ~Т~ ±SDРис. 2. Распределение коэффициентов пористости в разных видах торфа: SE - стандартная ошибка; SD - стандартное отклонениеЗначения рН определены как низкие (рН от 2,8 до 4,2), и торф в среднем относятся к средне- и сильноагрессивным грунтам по отношению к бетону [13].Для выявления зависимости между показателями состава и физическими характеристиками, зольностью и степенью разложения был проведен корреляционный анализ (табл. 2). Результаты показали, что кислотность торфа, которая определяет агрессивность грунтов, увеличивается с содержанием травяных остатков и уменьшается с повышением древесных.Степень разложения убывает с повышением содержания в торфе моховых остатков и с увеличением содержания древесных.Плотность твердых частиц возрастает с повышением зольности и уменьшается с повышением степени разложения. Не выявлены связи между степенью разложения и зольностью.Коэффициент пористости уменьшается с повышением содержания травяных остатков, степени разложения и увеличивается с повышением содержания моховых остатков, зольности и плотности твердых частиц. Выявленные зависимости позволили вывести следующие уравнения для расчетов коэффициентов пористости по показателям состава и степени разложения для верхового торфа:e0 = 20,91-4,64lg(h),268e0 = 10,06+0,085lg(m),e0 = 27,8-10,3lg(Ddp),где h - процентное содержание травяных остатков, т -процентное содержание моховых остатков в торфах.Коэффициенты корреляции (г) между ботаническим составом, зольностью, степенью разложения, кислотностью и физическими свойствами верховых торфовТаблица 2Растительные остаткиКоэффициент пористости, е0Степень разложения, £>ф8 С) Н о о я hQ ч о гоКислотность, рНПлотность твердых частиц, psПлотность скелета, раПараметрытравяныедревесныемоховые Растительные остаткитравяные1,00 древесные-0,141,00 моховые-0,78-0,511,00Коэффициент пористости, е0-0,41-0,140,461,00Степень разложения, £>ф0,680,23-0,74-0,581,00Зольность, Dm-0,170,150,030,20-0,111,00Кислотность, рН0,36-0,24-0,17-0,12-0,14-0,161,00Плотность твердых частиц, р^-0,120,060,050,24-0,210,950,011,00Плотность скелета, pj0,430,21-0,52-0,840,67-0,070,00-0,151,00Примечание. Значимые коэффициенты корреляции выделены жирным шрифтом.Таким образом, результаты исследований физических свойств верховых торфов Томской области, которые определяют деформационные и прочностные характеристики, показали, что они являются весьма неоднородными и зависят от степени разложения, зольности, ботанического состава. Верховые торфа отличаются малой зольностью, небольшой плотностью скелета, высокими коэффициентами пористости, особенно когда в их составе преобладают сфагновые мхи. При доминировании травяных остатков и при повышении степени разложения (она выше втравяных и древесных торфах) коэффициенты пористости уменьшаются. Соответственно в этом случае торфа упрочняются и являются более благоприятными основаниями для сооружений при прочих равных условиях. Полученные результаты исследования и регрессионные зависимости рекомендуется использовать для предварительной оценки прочностных и деформационных свойств верховых типов торфа, а также они станут основой для дальнейшего изучения взаимосвязей между показателями механических свойств.ЛИТЕРАТУРА1..ГОСТ 21123-85. Торф. Термины и определения М.: Изд-во стандартов, 1985. 47 с.

Ключевые слова

болота, типы торфа, состав, свойства, изменчивость, корреляция характеристик, прогноз, Томская область, marsh, types of peat, composition, properties, variability, correlation of characteristics, forecast, Tomsk district

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Крамаренко Виолетта ВалентиновнаИнститут геологии и нефтегазового дела Томского политехнического университетакандидат геолого-минералогических наук, доцент кафедры гидрогеологии, инженерной геологии и гидрогеоэкологииgige_ignd@mail.ru
Емельянова Тамара ЯковлевнаИнститут геологии и нефтегазового дела Томского политехнического университетакандидат геолого-минералогических наук, доцент кафедры гидрогеологии, инженерной геологии и гидрогеоэкологииgige_ignd@mail.ru
Всего: 2

Ссылки

ГОСТ 21123-85. Торф. Термины и определения М.: Изд-во стандартов, 1985. 47 с.
Удодов П.А., Рассказов Н.М., Емельянова Т.Я., Солодовникова Р.С. Обообщение материалов по гидрогеологии и гидрологии торфяных месторождений в районе г. Сургут. Фонды ТПУ. Томск, 1966. 248 с.
Амарян Л.С., Базин Е.Т., Чураев Н.В. Изучение процессов переноса влаги в деформируемых пористых телах // Инж.-физ. журнал. 1965. Т. 8, № 5. С. 639-644.
Емельянова Т.Я., Крамаренко В.В. Фильтрационные свойства торфяных грунтов Томской области // Обской вестник. 2001. № 1. С. 36-40.
Пичугин А.В., Платон В.М. Торфяные месторождения и их разведка. М.: Гос. энерг. изд-во, 1951. 496 с.
Тюремнов С.Н. Торфяные месторождения. М.: Недра, 1976. 487 с.
Справочник по торфу / Под ред. В.А. Миненковой. М.: Сельхозгиз, 1960. 320 с.
Емельянова Т.Я., Крамаренко В.В. Обоснование методики изучения деформационных свойств торфа с учетом изменения степени его разложения // Известия ТПУ. 2004. № 5. С. 28-32.
Кот Н.А., Рахубо Т.А. Микрофлора затопленного верхового торфа // Торфяная промышленность. 1981. № 6. C. 24-25.
Коновалов П.А. Устройство фундаментов на заторфованных грунтах. М.: Стройиздат, 1980. 160 с.
Классификация торфов и торфяных залежей Западной Сибири / Р.Г. Матухин, В.Г. Матухина, И.П. Васильев и др.; Под ред. Н.Н. Уланова. Новосибирск: СО РАН, НИЦ ОИГГИМ, 2000. 90 с.
Торфяные месторождения Томской области: Справочник / Отв. ред. В.Д. Марков. М.: Геолторфразведка, 1971. 306 с.
СНиП 2.03.11-85. Защита строительных конструкций от коррозии. 1985. 57 с.
 Характеристика физических свойств верховых торфов Томской области | Вестн. Том. гос. ун-та. 2009. № 322.

Характеристика физических свойств верховых торфов Томской области | Вестн. Том. гос. ун-та. 2009. № 322.

Полнотекстовая версия