Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow География arrow Грунтоведение

Газовая компонента грунтов

Распространение, состав и свойства газовой компоненты грунта

Газы в любом состоянии оказывают влияние на различные свойства грунтов. Поскольку физические характеристики газов резко отличны от аналогичных параметров твердой и жидкой части грунта, то наиболее существенно от газосодержания зависят физические характеристики грунтов - их плотности, теплофизические параметры (теплоемкость, теплопроводность и др.), проницаемость, а также физико-механические свойства.

Состояние газов в грунтах. Г азы в порах грунтов могут находиться в свободном, адсорбированном и защемленном состоянии; они могут присутствовать в воде, заполняющей поры, в виде мелких пузырьков или в растворенном состоянии. На изменение физических и физико-механических характеристик грунтов влияет содержание как адсорбированных, так и свободных и защемленных газов.

Свободные газы содержатся в сообщающихся порах грунта, т. е. их количество зависит от открытой пористости грунта и степени его водонасыщения Sr. Исследования показывают, что свободный воздух может находиться в грунтах лишь при небольшой степени влажности - при Sr< 0,5...0,6. При увеличении Sr до 0,8...0,9 свободные газы постепенно защемляются в порах капиллярной водой и переходят в категорию защемленных. Свободные газы в грунтах зоны аэрации находятся под атмосферным давлением, а в грунтах, отделенных от атмосферы малопроницаемыми породами, они могут находиться под высоким давлением, вплоть до образования сжиженных газов. Давление в свободном газе определяется законом Клапейрона-Менделеева.

Адсорбированные газы удерживаются на поверхности грунтовых частиц под воздействием молекулярных сил притяжения. Благодаря этим силам в сухом грунте на поверхности частиц образуются полимолекулярные газовые "пленки", нижние слои которых находятся под давлением в несколько десятков или даже сотен мегапаскалей; верхние слои менее прочно связаны с грунтовыми частицами (испытываемое ими давление близко к атмосферному). Количество адсорбированных газов в грунтах зависит от их минерального состава, присутствия гумуса и других органических веществ, от дисперсности и величины пористости грунтов. Обычно содержание адсорбированных газов в почвах подзолистой полосы колеблется от 2 до 7 см3 на 100 г почвы, а для чернозема - в пределах 8... 15 см3 на 100 г почвы. С ростом дисперсности грунта количество адсорбированных газов в нем увеличивается. Для кварцевого мелкозернистого песка содержание адсорбированных газов было меньше 1 см3 на 100 г, т. е. в несколько раз меньше его обычного содержания в почвах. Интенсивность адсорбции элементов, составляющих газовую компоненту, на поверхности минеральных частиц меняется в ряду: ССЬ > N2 > СЬ > Н2, поэтому адсорбированные газы по составу отличаются от газов, находящихся в свободном состоянии. При увлажнении грунта происходит вытеснение адсорбированных газов водной пленкой.

Защемленные газы образуются на отдельных участках грунта при одновременном избыточном увлажнении снизу и сверху. Защемленные газы могут занимать значительные участки внутри грунтов или находиться только в небольших количествах в тончайших микропорах. В отличие от адсорбированных, максимальное количество защемленных газов образуется при оптимальной влажности грунта. Защемленные газы могут занимать в глинистых грунтах до 20...25 % от объема пор. Давление в пузырьках защемленного воздуха зависит от поверхностного натяжения воды на контакте с воздухом. Оно превышает давление в окружающей капиллярной воде на величину капиллярного давления, определяемого уравнением Лапласа: Ркап = 2о/г, где о - коэффициент поверхностного натяжения воды; г - радиус пузырька защемленного воздуха.

Растворенные газы образуются за счет растворения в поровом растворе. При этом в зависимости от состава газа и растворителя могут формироваться норовые растворы, обусловливающие их различную химическую агрессивность, например углекислотную (при растворении СО2 в воде), сернокислую и др. Согласно закону Генри, отношение мольного объема растворенного газа к объему жидкости при данной температуре и давлении - величина постоянная, называемая коэффициентом растворимости, или коэффициентом Генри. В то же время следует иметь в виду, что многие газы (например, HNCb, NH4, СІbО, SO2 и др.) могут обладать повышенной растворимостью за счет образования и растворе других химических форм. На образование растворенных газов существенно влияет температура и давление: с увеличением давления растворимость большинства газов возрастает, поэтому их количество в земной коре увеличивается с глубиной. Но по мере нагревания воды количество растворенного воздуха в ней уменьшается.

Сопоставление количества газов, сосредоточенных в месторождениях нефти, газа, угля и рассеянных в породах, показывает, что основная масса присутствует в осадочных породах в рассеянном состоянии [50].

Состояние газов в грунтах криолитозоны отличается от аналогичных талых или немерзлых грунтов. Это обусловлено особенностями и характером термодинамического равновесия газов, незамерзшей воды и льда в мерзлых грунтах. Газы способны растворяться во льду, хотя нс так интенсивно, как в воде. Так, растворимость метана во льду ниже растворимости в воде на 3 порядка [50].

Защемленные газы в порах грунта часто находятся под давлением, создаваемым разными причинами, например движением фронта промерзания, фазовыми переходами в промерзающей породе (кристаллизационный давлением), капиллярной пропиткой толщи, увеличением гидростатического давления, увеличением температуры и др. В состоянии равновесия это давление равно давлению в жидкой фазе, контактирующей с газом и обусловливающей так называемое норовое давление. Величина норового давления влияет на многие физико-механические свойства грунтов, в частности на их прочность и сжимаемость под нагрузкой. Сжимаясь, пузырьки защемленных газов уменьшают свой объем и при определенном соотношении диаметра и размера пор могут перейти из защемленного состояния в свободное, что может сопровождаться резким прорывом газов из пор грунта и сбросом порового давления. Подобное явление может вызывать разрушение земляных насыпей, дамб и т. и. [49].

Газы в грунтах по условиям и особенностям генезиса могут быть природного и антропогенного (техногенного) происхождения. Среди газов природного происхождения выделяется три генетических типа газов - геологического, атмосферного и биологического происхождения. Природные газы могут быть сингенетическими (т. е. образованными одновременно с формированием породы) и эпигенетическими (т. е. поступившими в грунт в результате газообмена с соседними толщами или с атмосферой).

Газы геологического происхождения (эндогенного и экзогенного) формируются в ходе магматических (вулканических), метаморфических и радиогенных осадочных процессов. Состав и особенности газов подземной атмосферы в разных частях земной коры неодинаковы [50].

Вулканические газы, поступающие вместе с магмой из глубоких недр Земли, связанны с дегазацией. Главными в их составе являются пары воды (до 90...95 %), затем следуют СО2, Н2, SO2, H2S, НСІ, HF, в виде примесей в них содержатся N2, NH3, Аг, Не и органические соединения.

В газах гидротермальных источников определено более 60 неорганических и органических соединений, последние представлены углеводородами, легколетучими карбонильными соединениями, спиртами, галогенуглеводородами.

Газы образуются также в результате патогенетического преобразовании органическою вещества. В основном это метан и другие горючие углеводороды. Для нефтяных месторождений характерны СН", тяжелые углеводородные газы (ТУ), N и ССЬ, а в качестве примесей - Н2S2,11 и благородные газы. В газовых месторождениях набор такой же, но ТУ обычно присутствуют как примеси. Тот же видовой газовый состав типичен и .тля районов месторождений каменного угля, но среди основных газов следует назвать только катагенетический метан, все прочие образуют примеси.

Метаморфические газы образуются на последующих (вслед за катагенезом) стадиях метаморфизма горных пород вплоть до их расплавления, при котором выделяются так называемые газы возрождения. Наибольшие газовыделения на поверхность Земли обычно связаны с зонами тектонических нарушений. В составе таких газов присутствуют пары воды Н20, а также СО2, N2, H2S и 1Ь; основным компонентом является СО2, за ним по величине средней концентрации и частоте встречаемости следует N2.

Радиогенные газы представлены благородными газами. Гелий, радон и аргон-40 составляют основную долю радиогенных газов в грунтах. Уран и торий в процессе радиоактивного распада генерируют альфа-частицы, которые есть не что иное, как ядра элемента гелия.

Газы зоны аэрации представлены СО2, Н2, О2, наиболее важные примеси - Аг (и другие благородные газы), CН4, Н2. Преимущественно воздушными по происхождению являются азот, кислород и благородные газы. В почвенной части грунтовой толщи кислорода и азота, как правило, меньше, чем в атмосфере. Эго объясняется тем, что в почве происходят процессы их поглощения и выделение углекислоты. Общее количество водяного пара в грунте не превышает 0,001 % от веса грунта. Газы грунтов зоны аэрации чаще всего являются эпигенетическими, так как содержат примеси, поступающие из атмосферы.

Биогенные газы формируются за счет жизнедеятельности в них различных организмов - от одноклеточных бактерий до высших растений, животных. Биогенные газы в грунтах представляют главным образом органические соединения. Природные горючие газы состоят из метана (до 98 %), а также из смеси этана, пропана бутана, изобутана и пентана. Шахтный метан возникает в процессе трансформации органических остатков в уголь под влиянием высоких давлений и температур.

Интенсивность выделения метана из болот меняется в широких пределах. Величина эмиссии метана в западносибирских болотах колеблется, по данным Н.М. Бажина (2000), в интервале от 0,1 до 40 мг/(м2ч). Кроме метана биохимическим путем (в основном при бактериальном разложении, реже при восстановлении минеральных солей) образуется углекислый і-аз (ССЬ). сероводород (H2S), водород (Нг). При этом наибольшее значение среди газов имеет С02, количество которого в почвенном воздухе составляет от 0,2 до 2 % (по объему).

Техногенные газы являются результатом хозяйственной деятельности человека. В грунтах на городских территориях содержится широкий спектр органических газов. Захороненные отходы выделяют в окружающий толщи серосодержащие газообразные соединения (д иметил сульфид, диметил дисульфид, сероуглерод и др.), ароматические и непредельные углеводороды, терпены, спирты и карбонильные соединения, а в наибольших количествах - метан. Наиболее опасны долгоживущие газообразные загрязнители грунтов типа диоксинов, являющихся экотоксикантами.

По химическому составу по преобладающему компоненту все газы в грунтах делятся натри основные группы: углеводородные, азотные, углекислотные. Чистые газы в грунтах практически никогда не встречаются: из-за способностигазов легко смешиваться друг с другом они чаще всего в грунтах представляют собой газовые смеси сложного состава [50].

В горной промышленности количество газов, содержащихся в грунтах, определяют газообильность горных выработок, под которой понимается объем поступающего в выработку газа за единицу времени (абсолютная газообильность горной выработки) или объем выделяемого газа, отнесенный к массе или объему разрабатываемых горных пород, угля или руды (относительная газообильность). С повышенным давлением газов в горных породах связаны и так называемые газодинамические явления. К ним относятся быстро протекающие разрушения газоносных пластов угля, руд и горных пород в призабойных частях подготовительных и очистительных выработок, сопровождающиеся повышенным выделением газа и перемещением или выбросом разрушенных масс горных пород. Кроме того, сжимаемость порового защемленного газа может придавать грунту своеобразные демпфирующие свойства при действии на грунт внешнего давления. При этом с увеличением давления грунт будет сжиматься и уменьшаться в объеме, а при сбросе давления грунт будет расширяться, восстанавливая свой объем. Сжимаемость защемленных газов в грунтах может обусловливать и длительную осадку сооружений.

Техногенное загрязнение органическими веществами подземного пространства в сочетании с воздействием погребенных болотных отложений способствует значительной активизации микробиологической деятельности отдельных физиологических групп микроорганизмов либо микробиоты в целом. Кроме того, важным условием жизнеспособности микробиоты в подземном пространстве города служат застойный гидродинамический режим верхних водоносных горизонтов и отепляющее воздействие наземных сооружений и подземных коммуникаций. Жизнедеятельность микроорганизмов в грунте сопровождается накоплением живых и мертвых клеток микроорганизмов, продуктов их метаболизма, среди которых наиболее активное воздействие оказывают ферменты, органические кислоты, а также генерируемые ими газы. Основным продуктом дыхания микроорганизмов является СО2. Достаточно часто в подземном пространстве города наблюдается биогенная сульфатредукция. В результате этой реакции выделяющийся сероводород даже в небольших концентрациях (3 мг/л) приводит к резкому снижению Eh среды. Генерация сероводорода способствует образованию вторичного сульфидного минерала - гидротроилита (FeS-wI-bO), который ухудшает водные и механические свойства грунтов. Растворенные в норовом растворе газы в зависимости от состава формируют химическую агрессивность. Газы СО2 и H2S хорошо растворяются в воде и повышают ее агрессивность по отношению к строительным материалам подземных конструкций зданий и сооружений. Известно, что развитие процесса карстообразования в карбонатных породах резко усиливается при увеличении содержания в порах растворенного углекислого газа. Окисление H2S способствует росту содержания сульфат-иона и снижению величины pH подземных вод ниже 4, что вызывает коррозию металла, бетонов, а также природных камней, которые применялись для строительства фундаментов и подземных частей сооружений в XVII-XIX вв.. известняков и песчаников на карбонатном цементе. Окисление метана, образовывающегося в результате биохимической генерации, сопровождается образованием СО2 и воды, что формирует углекислую агрессию вод по отношению к бетону, строительным растворам, изготовленным на основе извести и гидравлического вяжущего [118].

Характеристики газовой компоненты грунта

Газоносностью называется общее количество свободных и адсорбированных газов, содержащихся в единице массы или объема грунта в природных условиях. В соответствии с этим выделяют два показателя [50]: объемную и массовую газоносность.

Газосодержание грунта Г, %, характеризует относительный объем газа, содержащийся в порах грунта. Оно численно равно отношению объема газа, занимаемого в порах грунта, к объему всего грунта:

где Vr - объем газа, занимаемый в порах грунта; объем грунта. Величина Г измеряется в %, зависит от влажности и меняется от нуля (при отсутствии газов и полном водонасыщении) до величины, соответствующей пористости данного грунта (при полном заполнении пор воздухом).

Массовая газоносность Г*,, см3/г, характеризует общее содержание свободных адсорбированных газов в единице массы грунта (ш) и численно равна объему газа, содержащемуся в 1 г грунта при данных условиях Плавлении):

Для оценки степени заполнения нор газом используют коэффициент воздухосодержания или аэрации G.., который равен отношению объема газа в порах (К,) к общему объему пор (Vп) грунта:

Если в порах кроме воздуха содержится и вода, то коэффициент аэрации рассчитывают через степень влажности грунта по формуле Gr = 1 - Sr. Измеряется Gr в долях единицы и меняется в пределах от 0 (при отсутствии газа в порах) до 1 (при полном насыщении пор газом) [50].

 
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
     

    Популярные страницы