Введение

Результатами пролива нефти могут служить аварийные ситуации при эксплуатации сооружений, добычи, хранении или транспортировке. Распространение нефтепродуктов в результате разлива происходит по поверхности земли с испарением летучих компонентов нефтепродуктов при дальнейшем просачивание в глубь грунта под действием силы гравитации [1]. В поровое пространство попадает загрязняющее вещество, которое приводит к негативному влиянию на механические и физические характеристики грунта. Скорость проникновения в глубь грунта нефтепродуктов зависит от свойств загрязняющих веществ, типа грунта, гранулометрического состава, концентрации загрязнении и времени [2]. Нефть является одним из самых распространенных веществ, загрязняющих окружающую среду [3]. Целью статьи является определения коэффициента фильтрации песчаных грунтов различной крупности, загрязненных дизельным топливом.

Объект исследования: пески крупной, средней и мелкой фракции, загрязненные дизельным топливом.

Предмет исследования: изменение фильтрационных свойств песчаного грунта, загрязненного дизельным топливом.

Методы исследования

Были проанализированы научные исследования отечественных и зарубежных авторов на тему изменения коэффициента фильтрации песчаных грунтов при загрязнении их нефтепродуктами различной концентрации. Проведены лабораторные испытания по определению коэффициента фильтрации в песчаных грунта различной крупности при загрязнении их нефтепродуктами различной концентрации согласно ГОСТ 25584–2016 «Методы лабораторного определения коэффициента фильтрации». Проведены лабораторные исследования по определению изменению гранулометрического состава песчаных грунтов при помощи ситового метода, сита с размерами ячейки 0,5; 0,25; 0,1 мм согласно ГОСТ 12536–2014 «Грунты. Методы лабораторного определения гранулометрического (зернового) и микроагрегатного состава». Адаптированы аналитические формулы Хазена, Заумбрея, Слихтера для расчета коэффициента фильтрации песчаных грунтов при загрязнении их нефтепродуктами различной концентрации.

Результаты

Определение коэффициента фильтрации в загрязненных грунтах является важной составляющей для прогнозирования осадок во времени и изменении несущей способности основания фундаментов. Поэтому необходимо понять, как загрязнение песчаных грунтов различными видами нефтепродуктов влияет на гранулометрический состав песчаных грунтов и их фильтрационные свойства. Автор [3] в своем лабораторном исследовании подтвердил, что при загрязнении нефтепродуктами происходило агрегирование частиц грунта, то есть изменение гранулометрического состава, наблюдалось уменьшение порового пространства с вытеснением из грунта воды. Автор [4] говорит, что коэффициент фильтрации загрязненного грунта снизился. При загрязнении нефтью частицы агрегируют, некоторое поровое пространство заполняется нефтью и количество пор уменьшается, доступных для прохождения воды. В исследовании авторов [2] рассматривали действие нефти на песчаный грунт в концентрациях 4, 8, 12 %. Было обнаружено, что при загрязнении нефтью происходит агрегирование песчаных фракций, а также изменение шероховатости поверхности песчинок грунта. При увеличении концентрации нефтепродукта в грунте происходит увеличение контактов между частичками, а также заполнение больших пор в песчаном грунте, приводящее к снижению коэффициента фильтрации на 20–80 %. Зависимость от увеличения количества нефтепродуктов к коэффициенту фильтрации песчаных грунтов показана на рис. 1:

Рис. 1. Зависимость от увеличения количества нефтепродуктов к коэффициенту фильтрации песчаных грунтов [2]

Было выполнено исследование изменение гранулометрического состава песчаных монофракционных грунтов крупной, средней и мелкой фракции при загрязнении их дизельным топливом в концентрациях 2 %, 6 % и 12 % в воздушно-сухом состоянии. В результате исследования была подтверждена гипотеза о процессе агрегирования и диспергирования. Результаты изменения гранулометрического состава показана в таблице 1.

Таблица 1

Результаты изменения гранулометрического состава

При загрязнении крупного песка дизелем с концентрацией 2 % содержание крупной фракции снижается на 5 %, что доказывает процесс диспергирования. Средняя фракция при загрязнении 2 % произошло агрегирование от массы навески на ~9 г и диспергирование ~11 г. Мелкая фракция при загрязнении 2 % так же подверглась как агрегированию, так и диспергированию. Увеличение фракции произошло на 4 %, уменьшение фракции произошло на 6 %.

При загрязнении крупного песка дизелем с концентрацией 6 % содержание крупной фракции снижается на 1 %, что доказывает процесс диспергирования. Средняя фракция при загрязнении 6 % так же произошло агрегирование от массы навески на ~9 г и диспергирование ~11 г. Мелкая фракция при загрязнении 6 % так же подверглась как агрегированию, так и диспергированию. Увеличение фракции произошло на 11 % и уменьшение фракции произошло на 3 %.

При загрязнении крупного песка дизелем с концентрацией 12 % содержание крупной фракции снижается на 1 %, что доказывает процесс диспергирования. Средняя фракция при загрязнении 12 % так же произошло агрегирование от массы навески на ~14 г и диспергирование ~1,5 г. Мелкая фракция при загрязнении 12 % подверглась только агрегированию. Увеличение фракции произошло на 96 %.

Изменение коэффициента фильтрации было определено для песчаных грунтов различной фракции при загрязнении дизельным топливом в концентрации 2 %, 4 %, 6 %, 8 %, 10 %, 12 %, в плотном и рыхлом сложении. Испытание проводилось по ГОСТ 25584–2016 с гидравлическим градиентом I=1. Зависимость коэффициента фильтрации песчаного грунта различной крупности от концентрации дизельного топлива представлена в таблице 2.

Таблица 2

Зависимость коэффициента фильтрации (см/с) песчаного грунта крупной, средней и мелкой фракции от концентрации дизельного топлива

По полученным данным лабораторных испытаний можно сделать вывод, что с увеличением концентрации дизельного топлива в песке крупной, средней и мелкой фракции наблюдается снижение коэффициента фильтрации в плотном и рыхлом сложении. Коэффициент фильтрации в плотном сложении меньше, чем в рыхлом при одинаковых значениях концентрации дизеля. Коэффициента фильтрации крупной и средней фракции при концентрации 2 % в рыхлом сложении снижается на 43 %, в плотном сложении коэффициент фильтрации у крупной фракции снизился на 39 %, у средней 15 %, у мелкой 12 %, фильтрация у мелкой фракции в рыхлом сложении снижается на 16 %. Графики зависимости коэффициента фильтрации от дизеля показаны на рис. 2.

Рис. 2. Графики зависимости коэффициента фильтрации k _f (см/с) от концентрации дизеля (%): а — песок крупной, средней и мелкой фракции в рыхлом сложении; б — песок крупной, средней и мелкой фракции в плотном сложении

Адаптированы аналитические формулы Хазена, Заумбрея, Слихтера для расчета коэффициента фильтрации песчаных грунтов при загрязнении их дизелем при концентрации 2 %, 4 %, 6 %, 8 %, 10 %, 12 %. Форма кривой коэффициента фильтрации k _f (см/с) от концентрации дизеля (%) указывает на экспоненциальную зависимость. Аналитические формулы были посчитаны на основе коэффициента фильтрации, полученные путем лабораторных испытаний. Общий вид формулы Хазена будет выглядеть следующим образом:

, (1)

где с — эмпирический коэффициент ≪чистоты и однородности≫ песков, принимаемый для загрязненных пеков крупной фракции равным 800, песков средней и мелкой фракции равным 400; —диаметр частиц (%); ω — параметр экспоненты, отвечающий за «кривизну» функции; с- концентрация нефтепродукта, (%); κ — коэффициент отношения чистого коэффициента фильтрации к загрязненному коэффициенту фильтрации при с=0 %.

Общий вид формулы Зауэрбрея будет выглядеть следующим образом:

, (2)

где β — эмпирический коэффициент, зависящий от крупности и однородности грунта; — диаметр частиц (мм); n — пористость грунта (д.е.); с — концентрация нефтепродукта, (%); ω — параметр экспоненты, отвечающий за «кривизну» функции; κ — коэффициент отношения чистого коэффициента фильтрации к загрязненному коэффициенту фильтрации при с=0 %.

Общий вид формулы Слихтера будет выглядеть следующим образом:

, (3)

— диаметр частиц (мм); m — коэффициент, зависящий от пористости; с- концентрация нефтепродукта, (%); μ — коэффициент вязкости, зависящий от температуры воды; ω — параметр экспоненты, отвечающий за «кривизну» функции; κ — коэффициент отношения чистого коэффициента фильтрации к загрязненному коэффициенту фильтрации при с=0 %.

Параметр экспоненты, отвечающий за «кривизну» функции был определен путем логарифмической функции от процента концентрации дизельного топлива. Коэффициент отношения чистого коэффициента фильтрации к загрязненному коэффициенту фильтрации при с=0 % был определен для песков крупной, средней и мелкой фракции в плотном и рыхлом сложении, представлен в таблице 3.

Таблица 3

Графики зависимости коэффициента фильтрации песчаных грунтов в рыхлом сложении от концентрации дизеля, посчитанные при помощи аналитических формул Хазена, Заумбрея, Слихтера, показаны на рисунке 3. По построенным графикам от результатов, полученных лабораторными испытаниями, с результатами, посчитанные при помощи формул, видно, что максимальное отклонение при загрязнении дизельным топливом в концентрации 4 % для крупного песка в рыхлом сложении составляет 21 %, песка средней крупности в концентрации 4 % дизельного топлива — 27,5 %, песка мелкой фракции в концентрации 2 % дизельного топлива — 10 %.

Рис. 3. Графики зависимости коэффициента фильтрации k _f (см/с) от концентрации дизеля (%): а — песок крупной в рыхлом сложении; б — песок средний в рыхлом сложении; в- песок мелкий в рыхлом сложении

Графики зависимости коэффициента фильтрации песчаных грунтов в плотном сложении от концентрации дизеля, посчитанные при помощи аналитических формул Хазена, Заумбрея, Слихтера, показаны на рисунке 4. По построенным графикам от результатов, полученных лабораторными испытаниями, с результатами, посчитанные при помощи формул, видно, что максимальное отклонение при загрязнении дизельным топливом в концентрации 6 % для крупного песка в плотном сложении составляет 32 %, песка средней крупности в концентрации 2 % дизельного топлива — 8 %, песка мелкой фракции в концентрации 6 % дизельного топлива — 29 %.

Рис. 4. Графики зависимости коэффициента фильтрации k _f (см/с) от концентрации дизеля (%): а — песок крупной в плотном сложении; б — песок средний в плотном сложении; в- песок мелкий в плотном сложении

Выводы

1. По результатам проведенных лабораторных исследований была подтверждена гипотеза агрегирования и диспергирования частиц песчаных грунтов, загрязненных дизельным топливом в концентрации 2 %, 6 %, 12 %.
2. При загрязнении крупного песка дизелем с концентрацией 2 % содержание крупной фракции снижается на 5 %, что доказывает процесс диспергирования. Средняя фракция при загрязнении 2 % и 6 % подверглась процессам агрегирования, изменение массы навески произошло на ~9 г, и диспергирования, изменение массы навески произошло на ~11 г. Мелкая фракция при загрязнении 2 % так же подверглась как агрегированию, так и диспергированию. Увеличение фракции произошло на 4 %, уменьшение фракции произошло на 6 %.
3. При загрязнении крупного песка дизелем с концентрацией 6 % и 12 % содержание крупной фракции снижается на 1 %, что доказывает процесс диспергирования. Мелкая фракция при загрязнении 6 % так же подверглась как агрегированию, так и диспергированию. Увеличение фракции произошло на 11 % и уменьшение фракции произошло на 3 %.
4. Средняя фракция при загрязнении 12 % так же произошло агрегирование от массы навески на ~14 г и диспергирование ~1,5 г. Мелкая фракция при загрязнении 12 % подверглась только агрегированию. Увеличение фракции произошло на 96 %.
5. По данным лабораторных видно, что с увеличением концентрации дизельного топлива в песке крупной, средней и мелкой фракции наблюдается снижение коэффициента фильтрации в плотном и рыхлом сложении. Коэффициент фильтрации в плотном сложении меньше, чем в рыхлом при одинаковых значениях концентрации дизеля.
6. Коэффициента фильтрации крупной и средней фракции при концентрации 2 % в рыхлом сложении снижается на 43 %, в плотном сложении коэффициент фильтрации у крупной фракции снизился на 39 %, у средней 15 %, у мелкой 12 %, фильтрация у мелкой фракции в рыхлом сложении снижается на 16 %.
7. Адаптированы аналитические формулы Хазена, Заумбрея, Слихтера для расчета коэффициента фильтрации песчаных грунтов при загрязнении их дизелем при концентрации 2 %, 4 %, 6 %, 8 %, 10 %, 12 %.
8. По построенным графикам от результатов, полученных лабораторными испытаниями, с результатами, посчитанные при помощи формул, видно, что максимальное отклонение при загрязнении дизельным топливом в концентрации 4 % для крупного песка в рыхлом сложении составляет 21 %, песка средней крупности в концентрации 4 % дизельного топлива- 27,5 %, песка мелкой фракции в концентрации 2 % дизельного топлива -10 %.
9. По построенным графикам от результатов, полученных лабораторными испытаниями, с результатами, посчитанные при помощи формул, видно, что максимальное отклонение при загрязнении дизельным топливом в концентрации 6 % для крупного песка в плотном сложении составляет 32 %, песка средней крупности в концентрации 2 % дизельного топлива- 8 %, песка мелкой фракции в концентрации 6 % дизельного топлива -29 %.

Литература:

1. И. В. Кумпаненко, Н. А. Иванова, Н. Ю. Ковалева, Н. А. Сахарова, К. А. Шиянова, А. В. Рощин: Исследование просачивания в грунт нефти и нефтепродуктов при их разливах // Химическая физика. 2021. Т. 40. № 1. С. 45–54. DOI: 10.31857/S0207401X21010088
2. Hamid Rajabi, Mohammad Sharifipour. Geotechnical properties of hydrocarbon-contaminated soils:a comprehensive review // Bulletin of Engineering Geology and the Environment/2019. Vol.78. Pp. 3685–3717.URL: https://doi.org/10.1007/s10064–018–1343–1
3. Григорьева Ия Юрьевна. И. Ю. «Можно ли добиться эффективной очистки нефтезагрязнённых песков с помощью растений и почему?» // электронный журнал «Геоинфо» 2019г.
4. Hamed Haghsheno, Mahyar Arabani. Geotechnical properties of oil‑polluted soil: a review //Environmental Science and Pollution Research (2022) 29:32670–32701 https://doi.org/10.1007/s11356–022–19418–1
5. Красильников П. А., Середин В. В., Леонович М. Ф. Исследование распределения углеводородов по разрезу грунтового массива // Фундаментальные исследования. — 2015. — № 2–14. — С. 3100–3104.
6. Середин В. В., Ядзинская М. Р. Исследование механизма агрегации частиц в глинистых грунтах при загрязнении их углеводородами // Фундаментальные исследования. — 2014. — № 8–6. — С. 1408–1412.
7. Rajab M. Abousnina, Allan Manalo, Weena Lokuge, Jim Shiau Oil contaminated sand: An emerging and sustainable construction material // International Conference on Sustainable Design, Engineering and Construction, Procedia Engineering, 2015. Vol. 118. Pp.1119–1126
8. Аль-Адили Акиль, Йали Кавтар, Шакир Али. Исследование влияния загрязнения нефтью песчаного и гипсосодержащего грунтов на прочность//ОФМГ. 2017.№ 4. C.30–35
9. Дашко Р. Э. и Ланге И. Ю. Инженерно-геологические аспекты негативных последствий контаминации дисперсных грунтов нефтепродуктами // Записки Горного института.2017. Т.228. С. 624–630. DOI 10/25515/PML 2017/6/624
10. Осовецкий Б. М., Растегаев А. В., Ибламинов Р. Г., Каченов В. И., Ядзинская М. Р. Изучение влияния масла моторного как поровой жидкости на прочностные свойства песков// Современные проблемы науки и образования. -2014. -№ 4. — С.637.