Research of qualitative properties of soils during construction works

Full Text

Строительные работы оказывают негативное воздействие на природные комплексы. В районах строительства можно наблюдать высокий уровень загрязнения воздуха, почвы, воды. Это происходит на всех этапах строительства [1–5]: во время проектно-изыскательских работ, при строительстве временных подъездных и прилегающих дорог, при устройстве карьеров под фундамент, а также непосредственно в процессе возведения зданий и сооружений на строительной площадке. Каждый этап строительства характеризуется своими собственными источниками негативного воздействия и характерными загрязнителями. Основная масса образующихся строительных отходов, как правило, представлена боем бетонных изделий, кирпича, металлическими отходами, древесными отходами, пластиком, стеклом, бумагой, картоном; кроме того, на строительных площадках встречаются отходы сыпучих строительных материалов. Процентное содержание отходов зависит от типов сносимых зданий и сооружений, а также от типа строительного материала, используемого при строительстве новых зданий. По окончании работ на строительных площадках проводят работы по благоустройству: обустраивают дворовые дороги, автостоянки, детские площадки, зоны отдыха и т. д. Мельчайшие частицы строительного мусора, скапливающиеся на поверхности земли, загрязняют ее. Кроме того, при выполнении любой из вышеперечисленных работ наиболее подверженными воздействию строительных механизмов и материалов компонентами окружающей среды являются грунты, поскольку они наиболее инертны и обладают низкой скоростью процесса самоочищения [6–8].

При проведении строительных работ под действием силы тяжести со стороны строительных механизмов и складированных материалов верхний слой почвы уплотняется, изменяется его пористость и уровень влажности, почва может потерять способность поглощать и удерживать влагу, снижается ее водопроницаемость. Помимо изменения физических свойств почвы, в процессе выполнения различных работ происходит загрязнение почвы из-за попадания сыпучих материалов на поверхность, а также разливов топлива и жидких строительных материалов, тем самым вызывая изменения химических параметров верхнего слоя почвы [9, 10]. Со временем загрязняющие вещества, попадающие на поверхность, проникают в почву под влиянием дождевой и талой воды. Именно поэтому нередко почва строительных площадок загрязнена тяжелыми металлами и различными нефтепродуктами [11–13]. При длительных периодах загрязнения почвы и достижении высоких концентраций нефтепродуктов в ней происходят необратимые изменения, которые в дальнейшем влияют на биоразнообразие местности и жизнедеятельность почвенных организмов [14–15]. Толщина почвы, в которой происходят такие изменения, зависит от типа почвы, гранулометрического состава исходной почвы, а также слоя выпавших осадков, глубины проникновения осадков и количества нефтепродуктов, попавших на поверхность почвы.

Воздействие загрязнений на растительность и животный мир неоднозначно. Небольшие количества загрязняющих веществ при попадании в почву могут не вызывать никаких неблагоприятных последствий. Однако при значительных объемах загрязнения в течение первых нескольких дней гибнет большинство почвенных организмов и некоторых видов растительности, для которых легкие фракции нефти считаются наиболее токсичными.

По окончании строительных работ на прилегающих территориях проводится благоустройство территории: обустраиваются детские площадки, цветочные клумбы, создаются зоны отдыха. При проведении данных работ также необходимо учитывать возможность загрязнения почвы нефтепродуктами. Поскольку процессы восстановления почвы на загрязненных территориях протекают медленно, попадание нефтепродуктов в почву приводит к изменению фотосинтетических функций высших растений на прилегающих территориях и замедляет прорастание или выживаемость однолетних и многолетних растений [16]. Даже низкие концентрации нефтепродуктов в почвах приводят к угнетению растений. Попадание 1,1 л/м² масла может привести даже к их гибели. На восстановление столь сильно загрязненной почвы может потребоваться до 20 лет.

Многие исследователи изучают процесс проникновения нефтепродуктов в почву и степень его влияния на растительность [17-21]. Как правило, это аналитические прогнозы процесса, включающего проникновение веществ в почву, распространение загрязняющих веществ в почву, анализ динамических характеристик таких распространений, а также определение количества загрязняющих веществ на разных глубинах. В работах [21–23] отмечается, что степень влияния загрязнения на растительность зависит от количественных показателей загрязняющих веществ в почве.

Целью данной работы является проведение полевых исследований процесса проникновения нефтепродуктов в почву на физической модели. В ходе экспериментов исследуется только просачивание загрязняющих веществ в почву под действием силы тяжести, при этом исключается боковое распространение нефтепродуктов.

Результаты любого исследования, связанного с почвами, зависят от правильного отбора проб и предварительной обработки. Поэтому на подготовительном этапе исследований были взяты пробы почвы на территории города с целью определения типичного гранулометрического состава почв территории. Места отбора проб были обозначены на координатной сетке с указанием их номеров и координат. Точки отбора проб в местах отбора были расположены на равном расстоянии друг от друга (рис. 1). Результаты исследования показали, что наиболее распространенный гранулометрический состав почвы в городской местности близок к гранулометрическому составу речного песка. В соответствии с теорией подобия песок может быть использован для дальнейших лабораторных исследований.

Рис. 1. Схема отбора проб почвы на участке № 1

Далее в исследованиях использовался наиболее характерный для местности грунт с диаметром частиц в диапазоне d = 0,630-0,315 мм и d = 0,315-0,140 мм, а также песок, состоящий из смеси вышеупомянутых фракций в равных частях. Коэффициент фильтрации был определен для каждого из трех типов использованных лабораторных грунтов:

1. для лабораторного грунта с d = 0,630-0,315 мм коэффициент фильтрации составлял 4,8∙10^-4 м/с или 4,8∙10² см/с;
2. для лабораторного грунта с d = 0,315-0,140 мм коэффициент фильтрации составлял 1,7∙10^-4 м/с или 1,7∙10² см/с;
3. для лабораторного грунта с d = 0,630-0,140 мм коэффициент фильтрации составлял 1,1∙10^-4 м/с или 1,1∙10² см/с.

В качестве лабораторных жидкостей были выбраны наиболее распространенные нефтесодержащие жидкости, используемые при эксплуатации строительной техники на строительной площадке: бензин, керосин, дизельное топливо. В лаборатории была изготовлена физическая модель, которая позволяет фиксировать глубину проникновения жидкости в толщу грунта. Модель состоит из нескольких одинаковых пластиковых труб диаметром 8 см и длиной 25 см – глубина проникновения для основной массы корневой системы однолетних декоративных растений [22, 23].

Для проведения лабораторных экспериментов использовались одинаковые емкости, которые наполнялись песком определенного гранулометрического состава. Во время заполнения емкости осуществлялось непрерывное уплотнение.

Затем с помощью мерного стакана был измерен необходимый объем исследуемой жидкости и вылит на поверхность песка. В эксперименте использовались жидкости объемами 50, 100 и 150 мл. Через одинаковые промежутки времени проводились замеры глубины проникновения жидкости в грунт. Время проникновения нефти в песок фиксировалось секундомером. Глубина проникновения была измерена после 1, 3, 5, 10, 15, 30 мин, затем после 1, 2, 3, 6, 12, 18, 21 ч и один день после момента заражения. Результаты вносились в таблицы (примеры некоторых данных представлены в табл. 1–3).

Таблица 1. Результаты испытаний на проникновение бензина (объем 50 мл)

Таблица 2. Результаты испытаний на проникновение бензина (объем 100 мл)

Таблица 3. Результаты испытаний на проникновение бензина (объем 150 мл)

Некоторые результаты исследований представлены в виде графиков, отражающих зависимость глубины проникновения загрязняющей жидкости от времени проникновения (рис. 2–4).

Рис. 2. Результаты серии экспериментов по проникновению керосина (объем 100 мл). По вертикали – глубина проникновения (см), по горизонтали – время наблюдения (мин)

Рис. 3. Результаты серии экспериментов по проникновению бензина (объем 100 мл). По вертикали – глубина проникновения (см), по горизонтали – время наблюдения (мин)

Рис. 4. Результаты серии экспериментов по проникновению дизельного топлива (объем 100 мл). По вертикали – глубина проникновения (см), по горизонтали – время наблюдения (мин)

Результаты исследований показали неравномерность, с которой происходило проникновение загрязняющих жидкостей в почву с течением времени. Наибольшая скорость проникновения наблюдается в первый час после попадания загрязнения на поверхность почвы. При попадании на поверхность наименьших исследованных объемов загрязнения (50 мл) почва загрязняется на глубину от 10 до 12 см в течение одного часа. При попадании в почву большего количества жидкости (100 мл) наблюдается следующее: дизельное топливо проникает в почву на 10–13 см за час, керосин проникает в почву на глубину 12–14 см, а бензин проникает на глубину 12–15 см. Результаты экспериментов с объемами 150 мл показали, что керосин и бензин достигают глубины проникновения 21–23 см через 30 мин. Затем происходит значительное замедление скорости проникновения, и зафиксированная за день максимальная глубина проникновения составляет 34–35 см. Следует отметить, что проникновение жидкости продолжалось в течение нескольких часов после того, как вся жидкость над поверхностью проникла в землю. Кроме того, большее количество загрязняющей жидкости (до 80 %) концентрируется в почве на глубине 15–20 см из-за вязкости жидкости и замедления скорости проникновения.

Графики показывают, что чем выше начальная высота слоя жидкости над землей, тем интенсивнее начальный процесс проникновения жидкости. Кроме того, наблюдается зависимость вязкости жидкости и интенсивности проникновения. Вязкость керосина и дизельного топлива ниже, чем у бензина, а плотность выше [24]; поэтому графики показывают, что бензин проникает на большую глубину и процесс проникновения бензина происходит более интенсивно.

Почвы городских районов, включая строительные площадки, загрязнены различными твердыми и жидкими веществами. Среди загрязняющих веществ есть нефтепродукты, которые приводят к возникновению процессов деградации в почвах и плодородных слоях почвы, загрязняют подземные воды и водоемы городских районов. Загрязнение почвы на строительной площадке может происходить неоднократно, что усиливает негативное воздействие на почву. В каждом типе почвы проникновение различных жидкостей происходит по-разному. Для получения более точных результатов был определен наиболее характерный тип почв для территории города Самары, который и был использован при проведении опытов.

Для определения степени одноразового загрязнения были проведены исследования проникновения различных нефтесодержащих жидкостей. Бензин и керосин показали самое быстрое проникновение маслянистых веществ в почву, что можно объяснить меньшей плотностью жидкости и наименьшей вязкостью этих жидкостей. Проникновение более плотных жидкостей (дизельного топлива) протекает более инертно, но, в то же время, показывает наибольшую глубину проникновения. Кроме того, исследования показали, что наибольшая скорость проникновения происходит в первые часы попадания загрязнений на поверхность почвы. Во время строительных работ необходимо немедленно ликвидировать разлив нефтепродуктов, чтобы минимизировать глубину загрязнения. Такая практика характерна для утечек на нефтепроводах. На территории строительных площадок попадание нефтепродуктов в больших количествах встречается крайне редко, поэтому происходит длительное и многократное неконтролируемое загрязнение почвы строительных площадок небольшими объемами нефтяных жидкостей.

Заключительным этапом выполнения строительных работ на городских территориях является планировка территории и ее благоустройство. Чтобы свести к минимуму негативное воздействие загрязнения, необходимо своевременно проводить дополнительные работы по озеленению. В качестве таких мер можно предложить удаление загрязненного грунта с территории строительных площадок с учетом глубины возможного проникновения использованных жидкостей.

Предположительно к  моменту начала выполнения таких работ по благоустройству почва может быть загрязнена на глубину 25 см и ниже. Следовательно, в местах, где планируется декоративная посадка, необходимо удалить не менее 15 см загрязненной почвы, чтобы предотвратить гибель растений. Как отмечается в ряде источников [16–18], при проведении работ по благоустройству территории после завершения строительных работ необходимо осуществить планировку территории, обустройство тротуаров и внутренних дорог, парковочных мест на участках наибольшей возвышенности во время строительства и выделение участков под детские площадки на территории с минимальным загрязнением нефтепродуктами.

Вывод.

1. Почвы городских территорий загрязняются различными твердыми и жидкими веществами, в том числе нефтесодержащими продуктами. Результаты проведенных исследований показали, что такие загрязнения со временем проникают в грунт и глубина их проникновения может достигать 25 см и более.
2. Для предотвращения загрязненности грунта, а в дальнейшем и грунтовых вод необходимо своевременно удалять загрязнения после проведения строительных работ и выполнять мероприятия по благоустройству придомовых территорий.

About the authors

Uliya M. Galickova

Author for correspondence.
Email: galickova@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-0168-8949
SPIN-code: 8682-9420
Scopus Author ID: 57189346337
ResearcherId: N-3992-2016

PhD in of Engineering Sciences, Associate Professor, Associate Professor of the Nature Protection and Hydrotechnical Construction Chair

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. Scheme of soil sampling at site No. 1

Download (43KB)

Indexing metadata

3. Fig. 2. Results of a series of experiments on the penetration of kerosene (volume 100 ml). Vertical – penetration depth (cm), horizontal – observation time (min)

Download (67KB)

Indexing metadata

4. Fig. 3. Results of a series of experiments on the penetration of gasoline (volume 100 ml). Vertical – penetration depth (cm), horizontal – observation time (min)

Download (68KB)

Indexing metadata

5. Fig. 4. Results of a series of experiments on the penetration of diesel fuel (volume 100 ml). Vertical – penetration depth (cm), horizontal – observation time (min)

Download (77KB)

Indexing metadata