Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,441

PROPERTIES STRENGTH CHANGES REGULARITIES OF THE SAND CONTAMINATED DIESEL FUEL

Osovetskiy B.M. 1 Kachenov V.I. 1 Rastegaev A.V. 2 Afanas’ev R.A. 1 Pikulev D.A. 1
1 Perm State University
2 Perm National Research Polytechnic University
В результате проливов нефти и нефтепродуктов на земную поверхность, происходит частичное замещение поровой жидкости пород, вода замещается углеводородами. Эти замещения оказывают влияние на несущую способность грунтового основания, что влечет за собой аварийные ситуации на нефтеперерабатывающих установках, зданиях и сооружениях. Для установления влияния типа поровой жидкости (вода и дизельное топливо) на изменение прочности песков использован метод сопоставления дисперсий и средних двух выборочных совокупностей. Одна выборочная совокупность формируется по данным прочностных свойств песков, поровым раствором которых является вода, другая – поровым раствором которых является дизельное топливо. Сущность этого способа сводится к тому, что если прочностные свойства песков этих выборок не отличаются между собой, тогда с точки зрения статистики они относятся к одной совокупности. А с точки зрения геологии дизельное топливо как загрязнитель не оказывает существенного влияния на прочностные свойства песков.
As a result of spills of oil and oil products on the earth´s surface, there is a partial replacement of the pore fluid rocks, the water is replaced by hydrocarbons. These substitutions affect the carrying capacity of the subgrade, which entails emergencies at oil installations, buildings and structures. To establish the influence of the type of pore fluid (water and diesel fuel) to change the strength of sand used and the method of comparing the variances average of two sample sets. A sampling frame is formed according to the strength properties of sand pore solution which is water, the other – porovym solution of which is diesel. The essence of this method is to ensure that if the strength properties of these sands samples do not differ, then from a statistical perspective, they belong to the same constellation. And from the point of view of geology diesel fuel, as a contaminant, has no significant effect on the strength properties of sands.
soils
physical and mechanical properties
the strength properties
pollute
1. Grigor'eva I.Ju. Neftjanoe zagrjaznenie gruntov: inzhenerno-geologicheskij i jekologo-geologicheskij aspekty. Saarbrucken: LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG (Germanija), 2010. 198 p.
2. Kachenov V.I., Seredin V.V., Karmanov S.V. K voprosu o vlijanii neftjanyh zagrjaznenij na svojstva gruntov. Geologija i poleznye iskopaemye Zapadnogo Urala. 2011. no. 14. pp. 164–165.
3. Kopylov Ju.N. Izmenenie svojstv peschanogo i glinistogo grunta v rezul'tate vozdejstvija motornogo masla. // Sbornik nauchnyh statej molodyh uchenyh i studentov. Tambov: Izd-vo TGTU, 2003. pp. 31–33.
4. Lejbovich L.O., Seredin V.V., Pushkareva M.V., Chirkova A. A., Kopylov I. S. Jekologi-cheskaja ocenka territorij mestorozhdenij uglevodorodnogo syr'ja dlja opredelenija voz-mozhnosti razmeshhenija ob#ektov neftedobychi. Zashhita okruzhajushhej sredy v neftegazovom komplekse. 2012. no. 12. pp. 13–16.
5. Pushkareva M.V., Seredin V.V., Lejbovich L.O., Chirkova A.A., Baharev A.O . Korrekti-rovka granic zon sanitarnoj ohrany (ZSO) pit'evogo vodozabora..Zdorov'e naselenija i sreda obitanija. 2011. no. 10. 46 p.
6. Pushkareva M.V., Maj I.V., Seredin V.V., Lejbovich L.O., Chirkova A.A., Vekovshinina S.A Jekologicheskaja ocenka sredy obitanija i sostojanija zdorov'ja naselenija na territo-rijah neftedobychi Permskogo kraja. Zashhita okruzhajushhej sredy v neftegazovom komplekse. 2013. no. 2. pp. 40–45.
7. Seredin V.V. K voprosu o prochnosti zasolennyh glinistyh gruntov // Inzhenernaja geologija. 2014. no. 1. pp. 66–69.
8. Seredin V.V Sanacija territorij, zagrjaznennyh neft'ju i nefteproduktami.. Geojekologija, inzhenernaja geologija, gidrogeologija, geokriologija. 2000. no. 6. 525 p.
9. Seredin V.V., Andrianov A.V K voprosu o metodike opredelenija prochnostnyh harakteristik gruntov..Sovremennye problemy nauki i obrazovanija. 2013. no. 6. 946 p.
10. Seredin V.V., Kachenov V.I., Siteva O.S., Paglazova D.N. Izuchenie zakonomernostej koaguljacii glinistyh chastic.//Fundamental'nye issledovanija. 2013. no. 10–14. pp. 3189–3193.
11. Seredin V.V., Jadzinskaja M.R. Zakonomernosti izmenenij prochnostnyh svojstv glinistyh gruntov, zagrjaznennyh nefteproduktami. Inzhenernaja geologija. 2014. no. 2. pp. 26–32.
12. Inzhenerno-geologicheskie i geojekologicheskie uslovija pribrezhnoj zony kamskogo vodo-hranilishha, osvaivaemoj dlja stroitel'stva ob#ektov neftedobychi / Chemus A.A., Krasil'nikov P.A., Penskij O.G., Gershanok V.A., Karaseva T.V.// Sovremennye problemy nauki i obrazovanija. – 2012. no. 6; URL: www.science-education.ru/106-7777.
13. Krasil'nikov P.A., Konoplev A.V., Kustov I.V., Krasil'nikova S.A. Geoinformacion-noe obespechenie inzhenerno-jekologicheskih izyskanij // fundamental'nye issledovanija. 2013. no. 10 (chast' 14). pp. 3161–3165.

Неблагоприятное воздействие нефти и нефтепродуктов на окружающую среду – общеизвестный факт [7, 10, 11, 18]. В результате проливов нефти и нефтепродуктов на земную поверхность, происходит частичное замещение поровой жидкости пород, вода замещается углеводородами. Эти замещения оказывают влияние на несущую способность грунтового основания, что влечет за собой аварийные ситуации на нефтеперерабатывающих установках, зданиях и сооружениях [3, 4, 6, 16]. Поэтому актуальными являются вопросы изучения изменения свойств грунтов, подвергшихся нефтяному воздействию.

Исследованиями изменений физико-механических свойств грунтов при загрязнении их нефтью и нефтепродуктами занимались многие ученые. Среди них В.В. Середин, В.И. Каченов, С.В. Карманов [4], Н.Н. Бракоренко и Т.Я. Емельянова [1], Ю.А. Нефедьева [9], А.П. Казёнников [3], Ю.Н. Копылов [5], Л.В. Шевченко и И.В. Ширшова [17] и другие.

Объектом исследований являлись пески, мелкие, средние и крупные. В качестве поровой жидкости использовалось дизельное топливо (вязкостью кинематической η = 3 мм2\с при t = 40 °С) и вода дистиллированная (вязкостью η = 0.658 мм2\с при t = 40 °С).

Методика исследований включала в себя высушивание песка, разделение его на фракции (мелкую, среднюю и крупную). Пробы песка формировались следующим образом: из каждой фракции отбиралось 200 грамм песка, в который добавляли дистиллированную воду и дизельное топливо в объемах от 5 % до 28 %. Затем полученную смесь уплотняли под нагрузкой σ = 0.15МПа.

Результаты исследований прочностных свойств песков приведены в табл. 1.

Испытание грунтов на сдвиг проводили методом одноплоскостного среза на приборе ГГП-30 при нормальных напряжениях равных σ = 0.05 МПа, σ = 0.10 МПа и σ = 0.15МПа. Первичная обработка результатов испытаний производилась путем построения паспортов прочности, с которых снимались значения сцепления (с) и углов внутреннего трения (φ).

Таблица 1

Прочностные свойства песков, поровым раствором которых является вода и дизельное топливо

Наименование песка

Содержание раствора, % от массы сухого грунта

Прочностные свойства

Дизтопливо (Км)

Вода (Кв)

Удельное сцепление (с), кгс/см2

Угол внутреннего трения (φ), град.

Песок мелкий

7,0

0,07

31

14,0

0,10

29

21,0

0,12

29

28,0

0,07

33

7,0

0,06

29

14,0

0,08

28

21,0

0,08

28

28,0

0,02

33

Песок средней крупности

10,0

0,07

29

15,0

0,06

31

20,0

0,08

30

25,0

0,03

33

10,0

0,12

25

15,0

0,04

29

20,0

0,08

28

25,0

0,03

33

Песок крупный

5,5

0,05

34

11,0

0,05

33

16,5

0,06

32

22,0

0,09

31

5,5

0,06

28

11,0

0,12

25

16,5

0,10

27

22,0

0,07

29

Примечание: содержание дизтоплива в мелком (К м м), в среднем (К м с) и крупном(К м к) песках

Обсуждение результатов исследований

Анализ результатов исследований показывает, что значение углов внутреннего трения в песках, загрязненных дизельным топливом, равно или меньше углов внутреннего трения песков, поровым раствором которых являлась вода (рис. 1). Это обусловлено, вероятно, тем, что углеводороды, находясь в порах, выполняют роль «смазки» между частицами песка.

osov01a.tif

Рис. 1. Паспорт прочности песка крупного с содержанием поровой жидкости 11 %

Для установления влияния объема поровой жидкости на значения прочностных свойств песков исследованы взаимосвязи между сцеплением, углом внутреннего трения и количеством порового раствора в песках разной крупности геологическим и статистическим методами.

Геологический метод включал в себя построение диаграмм «прочность-вид и тип поровой жидкости» и анализ этих зависимостей с позиций причинно-следственных связей.

На рис. 2 приведены данные по изменению сцепления и угла внутреннего трения в зависимости от типа и количества порового раствора в песках мелких.

osov01b.tif osov01c.tif

Рис.2. Изменение сцепления (с) и угла внутреннего трения (φ) в зависимости от влажности и содержания дизтоплива в песках мелких

Из рис. 2 видно, что при увеличении содержания воды и дизельного топлива от 7 до 21 % наблюдается уменьшение угла внутреннего трения. Это вероятно связано с эффектом «смазки» между частицами песка в зоне его разрушения. Процесс дальнейшего увеличения φ требует осмысления. Для сцепления характерна обратная зависимость.

На рис. 3 приведены данные по изменению сцепления и угла внутреннего трения в зависимости от типа и количества порового раствора в песках средней крупности.

osov01d.tif osov01e.tif

Рис. 3. Изменение сцепления (с) и угла внутреннего трения (φ) в зависимости от влажности и содержания дизтоплива в песках средней крупности

Из рис. 3 видно, что с увеличением содержания воды в поровом растворе песков средней крупности наблюдается закономерное уменьшение удельного сцепления и увеличение угла внутреннего трения. Полученная закономерность входит в противоречие с общепринятым положением о том, что с увеличением влажности в грунтах их углы внутреннего трения уменьшаются. Поэтому для данных типов грунтов будут продолжены экспериментальные исследования.

На рис. 4 приведены данные по изменению сцепления и угла внутреннего трения в зависимости от типа и количества порового раствора в песках крупных.

Из рис. 4 видно, что увеличением содержания воды в грунтах значения углов внутреннего трения закономерно снижается. Для дизельного топлива такой закономерности установить не удается. В целом полученные зависимости не противоречат положению о роли поровой жидкости в качестве «смазки» между частицами песка. Сцепления имеют обратную зависимость.

Из приведенного видно, что в мелких и крупных песках с увеличением объема поровой жидкости углы внутреннего трения уменьшаются, а сцепление увеличивается. Для песков средней крупности выявлена обратная зависимость.

При этом выявленные геологическим способом взаимосвязи просматриваются недостаточно четко, поэтому для установления (подтверждения) вышеописанных взаимосвязей проведен корреляционный анализ.

osov02a.tif osov02b.tif

Рис. 4. Изменение сцепления (с) и угла внутреннего трения (φ) в зависимости от влажности и содержания дизтоплива в песках крупных

Показателем тесноты связи является линейный коэффициент корреляции (r), который рассчитывался по зависимости:

osov01.wmf,

где: tx – нормированное значение признака, характеризующего степень загрязнения песков дизельным топливом;

ty – нормированные значения признака, характеризующего прочность песков;

n – объем выборки.

Результаты расчетов приведены в табл. 2.

Таблица 2

Свойства песков разной крупности

Песок мелкий

Песок средний

Песок крупный

 

К м м

С м м

φ м м

 

К м с

С м с

φ м с

 

К м к

С м к

φ м к

К м м

1

   

К м с

1

   

К м к

1

   

С м м

-0,5

1

 

С м с

-0,7

1

 

С м к

0

1

 

φ м м

0,7

0,94

1

φ м с

0,9

0,91

1

φ м к

0,4

0,90

1

После расчета коэффициентов корреляции (r ) проведена их оценка, в качестве показателя оценки использован критерий rк. – критическое значение коэффициента корреляции. При k = n – 2 = 2 степенях свободы и уровне значимости α = 0,05 составляет rк = 0,95.

Расчетную величину r сравнивают с табличным значением rк. Если r > rк, то найденное значение r значимо. Если же вычисленная величина r < rк то полагают, что коэффициент корреляции существенно не отличается от нуля, незначим, то есть статистической связи между исследуемыми признаками не наблюдается.

Сопоставляя расчетные значения (табл. 2, 3 и 4) коэффициентов корреляции (r) с (rк) наблюдаем, что во всех случаях r < rк , поэтому описанные ранее закономерности изменения прочностных свойств песков в зависимости от объема поровой жидкости требуют дальнейших исследований.

Для установления влияния типа поровой жидкости (вода и дизельное топливо) на изменение прочности песков использован метод сопоставления дисперсий и средних двух выборочных совокупностей. Одна выборочная совокупность формируется по данным прочностных свойств песков поровым раствором которых является вода, другая – поровым раствором которых является дизельное топливо.

Сущность этого способа сводится к тому, что если прочностные свойства песков этих выборок не отличаются между собой, тогда с точки зрения статистики они относятся к одной совокупности. А с точки зрения геологии, дизельное топливо как загрязнитель не оказывает существенного влияния на прочностные свойства песков.

В этом случае дисперсии и средние должны быть близки между собой (osov02.wmf ~ osov03.wmf и osov04a.wmf ~ osov05a.wmf). Близость дисперсий оценивается критерием Фишера F, а средних критерием Стьюдента t. Критерий Фишера представляет собой отношение двух дисперсий: osov06.wmf,

где osov07.wmf и osov08.wmf дисперсии одной и второй выборок.

При вычислении дисперсионного отношения Fp необходимо оценить, случайно ли расхождение между дисперсиями или нет. Для этого сравнивается расчетное значение Fp с табличным FT. При osov09.wmf; osov10.wmf степенях свободы и уровни значимости α = 0,05 FT ≈ 4,76.

Если Fp > FT, то можно утверждать, что имеется существенное различие в величине дисперсий, т.е. исследуемые выборки не относятся к одной генеральной совокупности.

В случае, если Fp < FT, то дисперсии двух выборок не имеют существенных отличий, поэтому они отражают одну генеральную совокупность.

Это есть необходимое, но не достаточное условие. При равенстве дисперсий двух выборок необходимо сделать следующий шаг, сопоставить средние значения исследуемых выборочных совокупностей.

Для оценки средних двух выборочных совокупностей требуется сопоставить разности двух выборочных средних (osov11.wmf) с величиной средней квадратичной ошибки (osov14.wmf) этих выборок: osov13.wmf,

где:osov14.wmf=osov15.wmf,

где: σ2 – дисперсия генеральной совокупности; n1 и n2 – объем двух выборок.

Критические значения критерия Стьюдента при k = n1 + n2 – 2 = 6 степенях свободы и уровне значимости α = 0,05 составляет tт = 2,45.

Оценка различия средних двух выборок сводится к тому, что сравниваются критерии расчетные и таблички, при tp > tт, исследуемые выборки не относятся к одной генеральной совокупности. При tp < tт, наоборот, эти выборки представляют одну совокупность.

Результаты расчетов критериев Фишера Fp и Стьюдента tp при уровне значимости α = 0,05 приведены в табл. 3.

Таблица 3

Результаты расчетов критериев Фишера Fp и Стьюдента tp при уровни значимости α = 0,05

Номенклатура

грунта

Критерий Фишера – Fp

Критерий Стьюдента – tp

Сцепление

Угол трения

Сцепление

Угол трения

Песок мелкий

1,33

1,54

0,58

0,57

Песок средний

3,60

3,74

0,28

0,93

Песок крупный

2,11

1,75

1,29

4,24

Из табл. 3 видно, что исследуемые совокупности по дисперсиям и средним значи-тельно не различаются между собой, поэтому их можно отнести к одной совокупности. Из этого следует, что при загрязнении песков дизельным топливом, его прочностные свойства значительно не изменятся.

Рецензенты:

Валерий В.С., д.г.-м.н., профессор, зав. кафедрой инженерной геологии и охраны недр Пермского государственного национального исследовательского университета, г. Пермь;

Наумова О.Б., д.г.-м. н., зав. кафедрой поисков и разведки полезных ископаемых Пермского государственного национального исследовательского университета, г. Пермь.

Работа поступила в редакцию 14.08.2014.