Wpływ zanieczyszczenia paliwami ropopochodnymi na zmiany parametrów filtracyjno-konsolidacyjnych i strukturalnych w gruntach spoistych

Produkty ropopochodne stanowią grupę potencjalnych zanieczyszczeń, które w obecnych czasach mogą być realnym zagrożeniem dla środowiska przyrodniczego, w tym dla podłoża obiektów inżynierskich. Prowadzone dotychczas badania nad wpływem węglowodorów na zachowanie się gruntów mineralnych wskazują jednoznacznie, że związki te występując w przestrzeni porowej ośrodka gruntowego w znaczący sposób modyfikują jego właściwości geologiczno-inżynierskie. Modyfikacje te wyrażone są zmianą wartości poszczególnych parametrów fizycznych oraz mechanicznych gruntu zanieczyszczonego, często w kierunku mniej korzystnym z punktu widzenia projektanta. Fakt ten rodzi potrzebę kontynuowania badań naukowych przeprowadzonych dotychczas przez innych autorów, ze szczególnym uwzględnieniem możliwości zastosowania metod badawczych niewykorzystywanych dotychczas w badaniach gruntów zanieczyszczonych. W niniejszej pracy podjęto próbę dokonania oceny wpływu paliwa lotniczego Jet A1 oraz oleju mineralnego 15W40 na zmianę filtracyjno-konsolidacyjnych oraz mikrostrukturalnych cech past gruntowych przygotowanych z gruntów spoistych, które występują powszechnie na obszarze kraju. Gruntami tymi są: iły mio-plioceńskie z rejonu Bud Mszczonowskich, iły zastoiskowe z rejonu Plecewic oraz gliny lodowcowe z rejonu Warszawy. W celu oceny wpływu składu granulometrycznego ośrodka gruntowego na uzyskiwane wartości parametrów konsolidacji oraz filtracji sporządzono mieszanki gruntowe, które podobnie jak grunty naturalne zostały poddane kontaminacji paliwami ropopochodnymi. Cechy gruntu takie jak przepuszczalność oraz odkształcalność są bardzo ważne z punktu widzenia geologii inżynierskiej, gdyż to one odpowiadają za zachowanie podłoża gruntowego i są ściśle związane z konsolidacją gruntów spoistych. Znajomość charakterystyk konsolidacyjnych ośrodka gruntowego oprócz prognozowania przebiegu osiadania podłoża budowlanego w czasie może być również wykorzystywana przy pośredniej ocenie zdolności filtracyjnych materiału ilastego przeznaczanego na potrzeby formowania mineralnych naturalnych oraz sztucznych barier izolacyjnych. Postępujący rozwój technologiczny umożliwia obecnie wykonywanie badań konsolidacji przy zastosowaniu stopniowego (incremental loading-IL), jak i stałego przyrostu obciążenia (continous loading-CL). Zaletą badań CL jest stały pomiar ciśnienia porowego oraz krótki czas procedury laboratoryjnej. Pozytywna aplikacja badań CL w analizach przeprowadzanych z udziałem gruntów niezanieczyszczonych wskazuje, że metoda ta mogłaby stanowić również przydatne narzędzie w ocenie filtracyjno-konsolidacyjnych cech gruntów spoistych zanieczyszczonych węglowodorami. Zrealizowany program badań laboratoryjnych pozwala podzielić niniejszą rozprawę na dwie części. W pierwszej części scharakteryzowano podjęty problem badawczy oraz przedstawiono obecny stan wiedzy na temat zachowania się gruntów mineralnych zanieczyszczonych węglowodorami. W części tej przedstawiono także geologiczno-inżynierskich właściwości badanych gruntów spoistych. Charakterystyka geologiczno-inżynierska materiału gruntowego umożliwiła ocenę zróżnicowania gruntów spoistych wytypowanych do badań laboratoryjnych pod względem granulometrycznym oraz mineralnym. W prezentowanej części pracy omówiono również procedurę przygotowywania past gruntowych do badań tematycznych, jak również sposób aplikowania zanieczyszczeń ropopochodnych do przestrzeni porowej badanych próbek. Podsumowaniem pierwszej części niniejszej rozprawy jest ocena wpływu zanieczyszczenia przygotowanych past gruntowych paliwami ropopochodnymi na uzyskiwane wartości wybranych parametrów fizycznych ośrodka gruntowego. Drugą część pracy poświęcono omówieniu zagadnień, które są bezpośrednio związane z podjętym problemem badawczym. Na początku omówiono założenia teoretyczne konsolidacji CL, a także przedstawiono wyniki badań konsolidometrycznych typu CRL, które przeprowadzono z udziałem past gruntowych niezanieczyszczonych, jak również zanieczyszczonych paliwem lotniczym Jet A1 oraz olejem mineralnym 15W40. Celem badań konsolidometrycznych typu CRL było sprawdzenie, czy przebieg konsolidacji CL w obrębie zanieczyszczonego ośrodka gruntowego odpowiada istniejącym rozwiązaniom teoretycznym. Ocenę zgodności rozwiązań teoretycznych z obserwacjami doświadczalnymi dokonano w oparciu o uzyskiwane wartości ciśnienia porowego ub, parametru ciśnienia wody w porach CCL, umownego czasu konsolidacji t(T=1) oraz względnego czasu konsolidacji TCL. Podsumowaniem tej części pracy jest ocena wpływu kontaminacji węglowodorami na uzyskiwane wartości współczynnika konsolidacji cv oraz modułu ściśliwości M0 gruntów spoistych. W przeprowadzonych analizach uwzględniono wpływ właściwości paliwa ropopochodnego, jego zawartości w porach gruntu, przyjętej prędkości obciążenia, jak również właściwości gruntu zanieczyszczonego. Po omówieniu zagadnień związanych z konsolidacją CL zanieczyszczonego ośrodka gruntowego przedstawiono wpływ zawartości paliwa lotniczego Jet A1 oraz oleju mineralnego 15W40 w porach gruntu na zachodzące zmiany zdolności izolacyjnych past gruntowych. Ocenę tę dokonano w oparciu o znajomość wartości współczynnika filtracji. Parametr ten wyznaczono na podstawie pomiarów pośrednich (badania CRL, ilościowa analiza obrazów mikrostruktury) oraz bezpośrednich (pomiary w permeametrze). Ostatnie rozdziały poświęcono omówieniu zmian mikrostruktury przygotowanych próbek w następstwie zanieczyszczenia węglowodorami. Zagadnienia mikrostrukturalne omówiono zarówno w ujęciu jakościowym, jak również ilościowym.

Hydrocarbons are a group of potential contaminants, which may be a real threat to the natural environment, including the ground for engineering objects. Research conducted so far on the influence of petroleum products on the behavior of mineral soils clearly indicate, that these compounds significantly modify the geological and engineering properties of contaminated soil. These modifications are expressed in the change in the value of physical and mechanical parameters of polluted soil, often in a less favorable direction from the designer's point of view. This fact raises the need to continue scientific research carried out so far by other authors, with particular emphasis on the possibility of applying research methods not used so far in the study of contaminated soil. In this work, an attempt was made to assess the impact of aviation fuel and mineral oil on the change of filtration, consolidation and microstructural features of ground pastes prepared from cohesive soils. These soils are: mio-pliocene clays from the Budy Mszczonowskie region, ice-dammed clays from the region of Plecewice and glacial tills from the area of Warsaw. In order to assess the influence of the grain size distribution of the soil on the values of consolidation and filtration parameters, soil mixtures were prepared. Features of the soil such as permeability and compressibility are very important from the point of view of engineering geology, because they are closely related to the consolidation behavior of cohesive soils. Knowledge of consolidation characteristics of cohesive soils can be used to indirectly assess the filtration capabilities of sealing barriers. Progressive technological development enables nowadays to carry out consolidation tests with incremental (IL tests) and constant load increase (CL tests). An advantage of the CL tests is the constant measurement of the pore water pressure and the short time of the laboratory procedure. A positive application of CL tests in analyzes conducted with non-contaminated soil indicates, that this method could also be a useful tool in the assessment of filtration and consolidation properties of cohesive soils contaminated with hydrocarbons. The completed laboratory research program allows to divide this dissertation into two parts. In the first part, the research problem was characterized and the current state of knowledge was presented. This part presents also engineering-geological properties of tested soils. The geological and engineering characteristics of the soil material made it possible to assess the variability of the investigated soils in terms of granulometry and mineral composition. Presented part of the work discusses the procedure of preparing soil pastes for thematic studies, as well as the method of applying petroleum pollutants to the pore space of the tested soils. The summary of the first part of this dissertation is an assessment of the impact of contamination with hydrocarbons on the values of selected physical parameters of tested soils. The second part of the work is devoted to the discussion of issues, that are directly related to the research problem. At the beginning, the theoretical assumptions of CL consolidation were discussed, as well as the results of CRL tests. The purpose of the CRL tests was to check whether the course of CL consolidation of soil contaminated by hydrocarbons corresponds to existing theoretical solutions. The Evaluation of the theoretical solutions compatibility with the experimental observations was made on the basis of the values of pore water pressure ub, parameter of pore water pressure CCL, specific time of consolidation t(T=1) and relative time of consolidation TCL. The summary of this part of dissertation is the assessment of the impact of hydrocarbon contamination on the values of the coefficient of consolidation cv and the values of modulus of compressibility M0. The following factors were taken into account in the analysis: physical properties of aviation fuel/mineral oil, hydrocarbons content in the pores of tested soil samples, load velocity during CRL test, engineering-geological properties of contaminated soils. After discussing the issues related to the CL consolidation of the contaminated soil samples, the impact of the hydrocarbons contamination on the insulating properties of soil pastes was presented. This assessment was based on the values of coefficient of permeability, that were obtained during laboratory tests. This parameter was determined on the basis of indirect measurements (CRL tests, quantitative microstructure image analysis) and direct measurements (measurements in the permeameter). The last chapters discuss changes in the microstructure of prepared soil samples. These changes arose as a result of contamination soil samples with hydrocarbons. Microstructural issues are discussed both in qualitative and quantitative terms.