ГЕОЭКОЛОГИЯ. ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ. ГИДРОГЕОЛОГИЯ. ГЕОКРИОЛОГИЯ, 2008, № 1, с. 78-84
ГРУНТОВЕДЕНИЕ
УДК 624.439:[502.55:665.6]
ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА МЕРЗЛЫХ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ,
ЗАГРЯЗНЕННЫХ НЕФТЬЮ
© 2008 г. Л. В. Шевченко, И. В. Ширшова
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова Поступила в редакцию 20.12.2006 г.
Представлены результаты экспериментальных исследований по выявлению влияния нефтезагряз-нения на механические свойства мерзлых глинистых грунтов. Показано, что исследуемые глины имеют предел насыщения и при загрязнении их 5-7% нефти прочностные свойства мерзлых глин изменяются: величина предельно-длительного эквивалентного сцепления уменьшается на 30-60% в зависимости от степени загрязнения и отрицательной температуры.
ВВЕДЕНИЕ
Экологические проблемы в северных районах добычи нефти, связанные с разливами нефти и загрязнением окружающей среды, как правило, усугубляются в связи с суровыми климатическими условиями и экономически неразвитой инфраструктурой. Для северных районов одинаково опасны и зимние, и летние разливы нефти [2, 10]. Американскими учеными [14] в рамках программы СЯКЕЬ был проведен 15-летний эксперимент по изучению последствий разливов сырой нефти во внутренней области штата Аляска. Сравнение последствий зимнего и летнего разливов показало, что зимний наносит более существенный ущерб экологии вследствие большой продолжительности. При летнем разливе нефть опускается вглубь, а на поверхности достаточно быстро восстанавливается растительность. В криолитозоне в связи с низким энергетическим потенциалом сохранность нефти в почвах и грунтах может составлять десятки лет [11]. В экономически бедных северных районах загрязненные грунты не срезаются и не вывозятся, а используются как материал в дорожном строительстве и при строительстве линейных сооружений и т.п. В связи с этим возникла необходимость изучения свойств загрязненных грунтов.
Современные представления о загрязнении грунтов нефтью
Миграция нефти в дисперсных грунтах и изменение их свойств в результате загрязнения при положительной температуре неоднократно освещались в научной литературе. Однако из-за сложности состава и свойств нефти и использования различных методик приготовления образцов, загрязненных ею, однозначных зависимостей свойств грунтов от содержания нефти не удалось получить. К настоящему времени сформирова-
лись две различные точки зрения на положение нефти в дисперсных грунтах. Согласно более ранней принимается, что часть компонентов нефти растворяется в жидкой компоненте грунтов или смешивается с ней, образуя эмульсию, но основная часть нефти представляет собой несмешива-ющуюся с водой жидкую фазу, которая по законам физики должна приобретать форму капли. В связи с этим многими исследователями принимается, что во влагонасыщенных грунтах нефть занимает центральную часть поры и не соприкасается с минеральными частицами. В маловлажных грунтах часть нефти может соприкасаться с минеральными частицами и сорбироваться их активными центрами. Сорбция органических соединений на природных воздушно-сухих глинах наблюдается в полевых и лабораторных условиях [1]. Т.Т. Клубова [5], изучив контактные явления, протекающие на границе нефть - минеральная масса коллектора, приходит к выводу, что основным механизмом взаимодействия органического вещества и минералов осадочных пород является сорбция органических ионов или радикалов поверхностью минералов именно теми ее участками, где вследствие дефектов в структуре создается дефицит положительных зарядов. "Заключенная между минеральными частицами остаточная вода имеет структуру льда. В пустоты этой ледяной пленки входят молекулы углеводородов нефти, заполняя их".
Другую точку зрения четко сформулировал В.А. Королев [3, 6]: растворенные в воде нафтеновые кислоты и другие полярные компоненты нефти, содержащие молекулы кислорода, серы, азота и др., могут диффундировать через пленки связанной воды дисперсных пород и вытеснять воду из активных центров минеральных частиц и адсорбироваться на поверхности глинистого грунта. Гидрофобизированные нефтепродуктами глинистые и пылеватые дисперсные грунты со-
храняют точечные или переходные контакты при последующем водонасыщении. Действие нефтяного загрязнения при определенных условиях может заключаться в образовании пленок на поверхности частиц и их "склеивании", что фиксируется на микрофотографиях, на которых прослеживается увеличение и уплотнение минеральных частиц загрязненного грунта и уменьшение крупных пор. Взаимодействие компонентов, составляющих дисперсные грунты, с нефтью, качество и количество новых контактов между грунтовыми агрегатами и минеральными частицами, преобразование микро- и макроструктуры грунтов будет определять изменение их свойств. Экспериментальным подтверждением [4] этого может служить увеличение теплопроводности грунтов (имеющих влажность меньше, чем максимальная влагоемкость) при загрязнении их нефтью вследствие вытеснения загрязнителем менее теплопроводного воздуха. Однако при влажностях, близких к полному влагонасыще-нию, теплопроводность пород уменьшается вследствие замены воды более низко теплопроводной нефтью. Однозначно предсказать влияние нефти на свойства дисперсных грунтов сложно, так как большое значение имеет не только степень загрязнения грунтов нефтью, но и гранулометрический и минеральный состав грунтов и свойства самой нефти. Еще более сложно предсказать влияние нефти на изменение механических свойств дисперсных грунтов. В.А. Королев [6] указывает, что, с одной стороны, возможно снижение деформируемости загрязненных грунтов, так как загрязнитель упрочняет контакты между структурными элементами, способствует набуханию глинистых минералов, закупоривая поры и препятствуя отжатию поровой воды. С другой стороны, возможно увеличение деформируемости при понижении прочности контактов за счет эффекта Ребиндера, а также при растворении цементирующего вещества и при уменьшении трения на контактах частиц. При этом необходимо учитывать и свойства самого загрязнителя, так как, например, легкие нефтепродукты, имеющие вязкость меньшую, чем вязкость воды, понижают вязкость грунта. Из-за сложности процессов, развивающихся в грунтах при добавлении разных загрязнителей, нет единого мнения об изменении структуры грунтов, размеров пор и частиц, а также их плотности. Экспериментально установлено Р.Г. Мотенко и др. [8], что при загрязнении дисперсных грунтов нефтью происходит изменение их гранулометрического состава: при добавлении в грунт 2.5% нефти - агрегация частиц размером менее 0.005 мм, а при загрязнении 10% нефти - диспергация микроагрегатов; при увеличении загрязнения от 0 до 1.5% плотность глин уменьшается от 2.74 до 2.60 кг/м3. При изучении механических свойств дисперсных грун-
тов, загрязненных нефтью, авторы установили, что напряжение сдвига и пластичность находятся в нелинейной и неоднозначной зависимости от количества загрязнителя.
Миграция нефти в мерзлых грунтах и ее влияние на изменение их свойств в научной литературе освещены недостаточно полно. К настоящему времени установлено, что нефть не только накапливается в криолитозоне, но и движется внутри мерзлого грунта не единым фронтом, а отдельными фракциями с разной скоростью [2, 12]. С увеличением степени заполнения пор грунта льдом и незамерзшей водой накопление нефти снижается, но не прекращается. Меняется механизм переноса компонентов нефти. В мерзлых грунтах с неполной степенью заполнения пор льдом и незамерзшей водой преобладает объемный перенос нефти под действием капиллярных сил по сплошным поровым каналам и микротрещинам. В грунтах с полным заполнением пор растворимые в воде компоненты нефти мигрируют по пленкам незамерзшей воды, что экспериментально подтверждается увеличением в 5 раз интенсивности переноса углеводородных компонентов в глинистых грунтах по сравнению с песчаными, что объясняется увеличением содержания незамерзшей воды в более дисперсных глинах [12]. T. White, I. Coutard [15] с помощью сканирующей электронной микроскопии удалось выявить, что при циклическом промерзании-оттаивании грунтов происходит перемещение льда, воды, дизельного топлива и скелета грунта, уменьшение внутриагрегатной пористости и увеличение межагрегатной как функции увеличения концентрации дизельного топлива в пылеватом суглинке. И после 4 циклов промерзания-протаи-вания микростроение загрязненных грунтов значительно отличается от микростроения незагрязненных. Однако при промораживании (в условиях подтока воды) загрязненных нефтью супесей Арк.В. Павлов и др. [9] наблюдали подобие криогенных текстур при близких значениях начальных влажностей. На основе проведенных экспериментов авторы статьи предлагают свое суждение о процессах, развивающихся в загрязненных грунтах. Они полагают, что при увлажнении сухого грунта минеральная частица полностью покрывается водой и поэтому не контактирует с нефтью и не гидрофобизируется. "Нефть в этом случае, будучи не смешивающейся с водой жидкостью, должна занимать положение в виде капель в центре крупных пор, контактируя лишь с поровым льдом". Влияние нефтезагрязнения на механические свойства мерзлых грунтов практически не изучалось. В отечественной литературе есть лишь данные об уменьшении почти в два раза условно-мгновенной прочности на одноосное сжатие при -10° супесчаных грунтов, загрязненных дизельным топливом [13].
Методика экспериментальных исследований
В лабораторных условиях изучалось влияние степени загрязнения (концентрации нефти - г, %) на величину эквивалентного сцепления (С, МПа) мерзлых глин. Эквивалентное сцепление - это прочностная комплексная характеристика, которая отражает прочность структурных связей между компонентами мерзлых грунтов и их внутреннее трение. Испытания проводились в течение суток при отрицательных температурах -2.8° и -5.8° с 4-8-кратной повторностью. Эквивалентное сцепление мерзлых загрязненных нефтью глин и чистых (незагрязненных) изучалось шариковым штампом при постоянной нагрузке. По глубине погружения шарика под действием нагрузки рассчитывалась величина эквивалентного сцепле
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.