УДК 631 - Московский государственный университет

УДК 631.4 : 504.54
ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГРУНТОВ,
ЗАГРЯЗНЁННЫХ НЕФТЕПРОДУКТАМИ
А.П. Казёнников – аспирант
ФГОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства»,
г. Москва, Россия
В процессе несоблюдения технологических процессов добычи, переработки,
транспортировки и распределения ежегодно теряется около 50 млн. т или примерно 2 % от
всей добытой нефти, а загрязнение почв и грунтов нефтью и нефтепродуктами в
некоторых регионах в десятки раз превышает ПДК. Нефтяное загрязнение почв и грунтов
относится к числу наиболее опасных, поскольку оно принципиально изменяет их
свойства, а очистка от нефтепродуктов - процесс весьма трудоёмкий и дорогой.
При ликвидации последствий загрязнений почв и грунтов используются различные
строительные и мелиоративные машины, движители и рабочие органы которых
непосредственно контактируют с почвами и грунтами. Обеспечение тягово-сцепных
условий работы техники и сопротивление почв и грунтов рабочим органам при разработке
в результате влияют на производительность дорожно-строительной и мелиоративной
машины.
Для
изучения
физико-механических
свойств
грунтов,
загрязнённых
нефтепродуктами, были проведены полевые испытания на землях стационара кафедры
мелиорации и рекультивации земель Московского государственного университета
природообустройства вблизи деревни Селково Сергиев Посадского района Московской
области (около 30 км по Новоуглическому шоссе на север от города Сергиев Посад).
Опыты проводились на осушенных землях поймы р. Дубны (октябрь 2006 – июнь
2007 гг.), и на ранее возделываемой залежи западного склона высоты 242 восточнее
деревни Селково (июнь – август 2007 г.).
Были получены данные по сопротивлению пенетрации в естественных условиях на
влажных и сухих лёгких пойменных грунтах и тяжёлых суглинках.
Для определения основных физико-механических свойств грунта в полевых
условиях использовался прибор Литвинова. Для определения весовой влажности образцы
взвешивались на электронных весах с точностью до 0,01 г.
Сушка проб грунта происходила в стандартном сушильном шкафу в течение 8...10 ч
при температуре ~100°С.
Измерение сопротивления пенетрации проводилось при помощи пенетрометра со
статической нагрузкой. Прототипом прибора для измерения величины сопротивления
пенетрации являлся пенетрометр Голубева с углом при вершине рабочего конуса 9°30'. В
комплекте прибора имелся набор стандартных грузов.
Рабочее тело пенетрометра представляет собой цилиндрический шток, с жёстко
закреплённым на переднем конце при помощи резьбы конусом, и комплект грузов.
Суммарная масса рабочего тела пенетрометра составляла 10 кг.
В качестве измерительного инструмента применялась стандартная металлическая
линейка с началом отсчёта 0 и ценой деления 1 мм.
При проведении опытов по определению скорости фильтрации был использован
хронометр-секундомер.
Схема проведения натурных испытаний была построена таким образом, чтобы
полученные величины сопротивления пенетрации отображали характеристики грунтов в
естественном состоянии и при загрязнении грунтов нефтепродуктом. Для этого были
обустроены две группы площадок: с естественной влажностью и загрязнённых. Для
получения данных о водопроницаемости была подготовлена третья группа площадок
увлажняемых водой.
Перед началом эксперимента на всех площадках были взяты образцы для
последующего определения весовой и объёмной влажности грунта, а также других
физико-механических характеристик грунтов.
В качестве загрязнителя грунтов использовалось дизельное топливо марки Л,
относящееся к тяжёлым видам жидкого углеводородного топлива и являющееся основным
для автотракторных дизельных двигателей внутреннего сгорания. Дизельное топливо
марки Л является наиболее распространённым на большей части России в различных
климатических зонах. Характеристики топлива соответствуют ГОСТ.
Для загрязнения массива грунта использовался налив в ограждающее кольцо, что
позволяет обеспечить практически одновременное начало впитывания по всей
поверхности контакта грунта с загрязнителем, а также исключить его боковое растекание
по поверхности. Таким образом, ставилась задача смоделировать возможную ситуацию
при техногенном аварийном загрязнении: разрушение ёмкости топливохранилища, разрыв
напорного магистрального топливопровода, авария при перевозке нефтепродуктов
автомобильным или железнодорожным транспортом в цистернах и т.д.
На основании полученных данных были построены графики скорости фильтрации.
По аналогичной методике на контрольных площадках осуществлялся налив воды в
кольца.
После проведения замеров величины пенетрации на площадках были проведены
поперечные раскопы, на которых чётко просматриваются в грунте контуры смоченных
водой и дизельным топливом тел. При проведении опытов по впитыванию дизельного
топлива в грунт было отмечено его обильное высачивание на поверхность за внешним
контуром ограничительного кольца.
Отмечено, что геометрические формы смоченных дизельным топливом и водой тел в
грунте имеют различный вид.
При проведении эксперимента пенетрации основной целью являлось получение
данных для количественной и качественной оценки изменения физико-механических
свойств грунта при попадании в него нефтепродукта.
Пенетрация (от латинского «penetro») – дословно «проникаю, достигаю». Метод
пенетрации позволяет определить сопротивление грунта при внедрении в него инородного
тела, в нашем случае конуса, под нагрузкой.
Стол пенетрометра устанавливался на подготовленной площадке при помощи трёх
регулируемых опор и выравнивался в горизонтальной плоскости при помощи двух жёстко
закреплённых на рабочем столе уровней, которые обеспечивали приложение
сосредоточенной нагрузки строго по нормали к испытуемой поверхности грунта.
Закреплённый на штанге рабочий конус пенетрометра устанавливался в направляющую
втулку и выравнивался таким образом, чтобы жало конуса касалось поверхности грунта,
но не проникало в него. После этого штанга жёстко фиксировалась во втулке зажимным
маховиком. От базы направляющей втулки до базы штанги измерялся первый параметр Hi
(мм), далее на штангу устанавливался комплект грузов.
Резко повернув маховик, рабочее тело пенетрометра освобождали от фиксации и,
под действием приложенной нагрузки конус проникал в грунт до полной остановки.
Комплект грузов снимался и, аналогично первому параметру Hi (мм), измерялся второй
параметр Нг (мм).
Штанга с конусом извлекалась из грунта, затем цикл повторялся.
Разность параметров Hi и Н2 даёт показатель ДН (мм), который определяет величину
пенетрации.
Сопротивление пенетрации – это величина, показывающая отношение приложенной
нагрузки к площади приложения. По определению П.А. Ребиндера, нагрузку необходимо
относить к боковой поверхности заглубленного конуса.
Но в этом случае получаемые абсолютные величины имеют очень малую
размерность и не удобны для применения. В.А.Кудряшов предложил определять
сопротивление пенетрации, как отношение приложенной нагрузки к площади
поперечного сечения заглубленного конуса на уровне грунта:
Полученные по этой методике величины более удобны для применения.
Установлена тесная корреляция между результатами вычислений сопротивления
пенетрации по разным методикам (R = 0,98). Это позволяет говорить о том, что методика,
предложенная В.А.Кудряшовым вполне применима для определения сопротивления
пенетрации.
Метод пенетрации конусом на загрязнённых и увлажнённых водой грунтах
проводился на площадках после проведения опытов по измерению скоростей фильтрации
дизельного топлива и воды и полностью аналогичен пенетрации на грунтах с
естественной влажностью.
На основании полученных данных были построены графики величины пенетрации,
из которых видно, что попадание нефтепродукта в грунт ведёт к увеличению величины
пенетрации, и как следствие, к уменьшению сопротивления пенетрации по сравнению с
грунтом естественной влажности.
Полученные в ходе опытов данные были обработаны методами статистики по
критериям Фишера и Стьюдента. Статистика F критерия числовых рядов полученных
величин пенетрации грунтов естественной влажности, увлажнённых и загрязнённых
нефтепродуктом во всех случаях меньше критических значений Fa при уровнях
значимости
а = 0,05, а = 0,01 позволяет говорить о том, что результаты экспериментов
могут быть приняты для дальнейшей аналитической обработки.
Данные будут
использованы в ходе последующей работы по определению влияния загрязнения грунтов
нефтепродуктами на производительность мелиоративных и строительных машин.
На основании вышеизложенного можно утверждать, что:
1. Впитывание в грунт дизельного топлива и воды происходит с различной
скоростью.
2. Процесс формирования смоченных дизельным топливом и водой тел в массиве
грунта происходит под действием различных сил смачивания.
3. По объёму пролитого нефтепродукта возможно предварительное определение
распространения загрязнителя в грунте (концентрическая поуровневая глубина
просачивания) в зоне локального загрязнения.
4. Попадание нефтепродукта в грунт ведёт к изменению сопротивления пенетрации
по сравнению с грунтами естественной влажности и увлажнёнными.
5. Присутствие нефтепродукта в грунте влияет на его физико-механические
свойства, изменяются взаимные связи макро- и микроагрегатов, изменяются адгезионные
и когезионные свойства, уменьшается сопротивление внешней нагрузке, от которых
зависит производительность землеройных машин.