Проблема изменения состава и свойств горных пород как многокомпонентных систем под воздействием производственной деятельности человека составляет одно из основных направлений исследований в современной инженерной геологии. В результате геологической деятельности человека возникают ранее неизвестные техногенные процессы, приводящие к изменению литолого-петрографических свойств пород и значительному преобразованию инженерно-геологических условий. Существенную роль в этих процессах играет биотическая компонента грунтов, а именно, микроорганизмы. Исключительную роль микроорганизмов в биогеохимических процессах отмечали В.И. Вернадский, С.Н. Виноградский, Б.Л. Исаченко и другие отечественные исследователи.
При стабильном состоянии грунтов микроорганизмы способны нивелировать колебания газового состава, состава поровых вод и твердого компонента, возникающие при изменениях атмосферного давления и движении газов из мантии к поверхности, при подтоке подземных вод и нисходящем движении атмосферных вод. Значение микробиологической деятельности может существенно возрасти при нарушении стабильного состояния грунта, а также при техногенном воздействии.
Влияние микробиологических процессов на инженерно-геологические условия было изучено на примере одной из плотин Волжско-Камского каскада. Выполненный комплекс исследований показал, что в теле и основании плотины достаточно активно протекали микробиологические процессы, на что указывали следующие факторы:
- образование в подпочвенном воздухе очагов с повышенным содержанием метана, летучих органических соединений (продуктов бактериального разложения органического вещества) и углекислого газа (продукта бактериального окисления метана и летучих органических соединений);
- двух-шестикратное увеличение выноса из дренажной системы взвеси c большим количеством гидроксидов железа в летний период года по сравнению с зимним периодом;
- запах сероводорода в дренажных колодцах и появление в их осадках новообразованных сингенетичных минералов кальцита и пирита;
- повышенное (108-122 мг/дм3) по сравнению с характерным для Пермского края (30-40 мг/дм3) содержание в дренируемых водах органического вещества;
- рост содержания гидрокарбонат-ионов в водах, фильтрующихся через тело плотины, как результат бактериального разложения водорастворенного органического вещества, очаговость распределения в теле плотины основных ионов бактериального цикла азота, появление в аллювиальном водоносном горизонте очага с повышенным содержанием ионов железа;
- наличие торфа в основании плотины, который может быть источником органических веществ для микроорганизмов, а его гумусовые вещества могут вовлекаться микроорганизмами в круговорот металлов и способствовать восстановлению устойчивых соединений железа.
Указанные признаки говорят о протекании двух типов микробиологической активности в плотине — аэробного и анаэробного.
Деятельность микроорганизмов может приводить к изменению инженерно-геологических условий среды за счет следующих процессов и факторов:
- образование газов, повышающее напряженное состояние и вызывающее разрыхление грунтов;
- вынос отдельных элементов из грунтов, приводящий к разрушению их минерального скелета и снижению их механической прочности;
- изменение под действием микроорганизмов микроагрегатного и химического состава грунтов, диспергация глинистых агрегатов, повышение гидрофильности и как результат ухудшение прочностных и деформационных свойств;
- выделение микроорганизмами экзометаболитов, проявляющих поверхностно-активные свойства и снижающих прочность структурных связей в грунтах.
Проведенные исследования показали, что вынос вещества под воздействием микроорганизмов увеличивается в 2-6 раз, однако в составе этого вещества преобладают не сами частицы грунта плотины, а вещество, новообразованное на окислительном биогеохимическом барьере из водорастворенных ионов металлов, среди которых доминирующую роль играют ионы железа. В то же время длительный вынос железа, являющегося в том числе и цементом частиц грунта, может отрицательно повлиять на его физико-механические свойства.
Лабораторные испытания показали, что в результате протекания микробиологических процессов происходит ухудшение физико-механических свойств грунтов, что может повлиять на безопасность плотины:
- модуль деформации грунта снижается до 1,1-2 раз;
- сцепление частиц грунта снижается в 3 раза;
- угол внутреннего трения снижается до 1,1-1,7 раза;
- увеличивается набухаемость грунта.
Таким образом, биотические свойства грунтов имеют весьма существенное значение в инженерно-геологических исследованиях. Для того, чтобы применить адекватные меры защиты сооружений необходимо при проведении проектно-изыскательских работ проводить исследования грунтов на их микробиологическое заражение. При этом необходимо не только установить присутствие в грунтах различных физиологических групп микроорганизмов, но и дать оценку степени их агрессивности.
В существующих нормативных документах отсутствует оценка степени агрессивности микробиоты грунтов по отношению к строительным материалам. Сложность таких оценок обусловлена тем, что агрессивность микробиоты подземного пространства зависит не только от количества и видового состава биодеструкторов, но и от температуры, влажности, аэрации, наличия или отсутствия в грунте органических веществ, антропогенных факторов и т.д. Большое разнообразие микроорганизмов в грунте, их способность адаптироваться к меняющимся условиям среды делают количественную оценку микробиоты, с точки зрения опасности для материалов, практически неразрешимой задачей. Но для принятия технических решений по защите инженерных сооружений от агрессивного воздействия микрофлоры грунтов и подземных вод такая оценка необходима.