《Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C》：Geotechnical and Microstructural Assessment of Gas Condensate–Contaminated Clayey Gravel
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本研究系统评估了0-8%（干重）气态凝析物污染对黏粒砾石土壤的工程性质影响，包括Atterberg极限、改良Proctor压实、直接剪切强度、无侧限抗压强度（UCS）和加州承载比（CBR）。结果表明，污染显著降低土壤物理力学性质，尤以UCS下降68.8%和CBR下降52.3%最为突出，提示需制定针对性缓解措施以保障油气存储设施安全。
阿明·法拉马基（Amin Falamaki）|阿卜杜萨拉姆·达什蒂（Abdosalam Dashti）|阿吉莱·卡杰（Aghileh Khajeh）|阿米尔·侯赛因·瓦基利（Amir Hossein Vakili）|阿米尔·侯赛因·卡里米（Amir Hossein Karimi）
伊朗德黑兰Payame Noor大学土木工程系，邮政信箱19395-3697
摘要
本研究探讨了天然气凝析液污染对粘性砾石（GC）土壤岩土工程性质的不利影响，这一挑战涉及环境和岩土工程领域。土壤样本被系统地污染了不同浓度的天然气凝析液（分别为0%、2%、4%、6%和8%的干重），并进行了全面的岩土工程测试，包括阿特伯格界限（Atterberg limits）、改良普罗克特压实试验（modified Proctor compaction）、直剪试验（direct shear）、无约束抗压强度（UCS）和加州承载比（CBR）。测试结果显示，在最大污染浓度下，土壤的一致性逐渐降低：液限降低了15.2%（从30.9%降至26.2%），塑限降低了13.5%（从21.0%降至18.16%）。改良普罗克特压实试验发现，在4%的污染浓度下存在一个临界阈值，此时最大干密度最初增加了1.2%，但在更高浓度下下降了4.5%；同时最佳含水量减少了28.6%。强度特性测试显示，无约束抗压强度（UCS）下降了68.8%（从938.49 kPa降至293.07 kPa），加州承载比（CBR）在相对密度为100%时下降了52.3%。直剪试验表明剪切强度参数显著减弱，内聚力下降了53%，摩擦角下降了25%。这些发现强调了天然气凝析液污染对土壤稳定性的严重影响，并突显了在天然气凝析液储存场所实施缓解措施的紧迫性。
引言
在各种建筑工地（包括建筑物基础、道路项目、路堤以及海上结构如石油平台）中，土壤的岩土工程性质在确定设计、开挖和施工方法方面起着关键作用（Ahmed等人，2024年）。由于土壤初始的岩土工程性质较差和/或受到污染，在开始任何现场活动之前，通常需要改善其物理特性、机械强度和抗侵蚀能力（Choobbasti等人，2019年；Ghadakpour等人，2020年；Koutenaei等人，2021年）。如果不采取这些措施，可能会导致严重的结构故障和灾难性损失。土壤改良方法因项目需求而异，从浅层处理的化学稳定化方法到深层土壤加固的喷射灌浆、桩基和微型桩基技术都有应用（Fakhrabadi等人，2021a年；Vakili等人，2025年）。迄今为止，岩土工程和土木工程文献中的许多研究都集中在使用废弃物和回收添加剂来改善土壤性质，旨在替代传统的稳定剂和常规方法（Afrakoti等人，2020年；Cabalar和Alosman，2021年；Cabalar等人，2024年；Demir和Cabalar，2024年；Fakhrabadi等人，2021b年；Roshan等人，2022年）。然而，在决定适当的土壤改良方法之前，必须仔细研究土壤的一般特性，特别是在可能存在污染物的受污染场地（Eseller-Bayat等人，2019年）。
土壤污染在许多地区和国家都是一个严重且普遍存在的问题。污染物会显著且负面地改变土壤及其周围环境的岩土工程和环境特性（Ahmadi等人，2021年；Khan等人，2021年；Li等人，2024a年；Tóth等人，2024年）。多项研究已经探讨了包括原油、机油、柴油和煤油在内的各种污染物对土壤性质的影响，研究表明，土壤变化的程度取决于污染物的化学成分、数量和土壤类型（Dangsaraky等人，2025年；Li等人，2024b年；Moradi等人，2024年；Nasiri和Amiri，2025年；Zou等人，2024年）。范德华力（van der Waals forces）负责物理吸附，而共价键（covalent bonding）负责化学吸附，这使得污染物分子能够附着在土壤颗粒表面（Qin等人，2024年）。
污染物渗透带来的风险可以通过两种方式解决。首先，污染物可以改变土壤的岩土工程和环境性质，包括土壤的一致性、变形和强度。其次，它们会通过降低工程结构的承载能力和/或增加结构基础的总体和差异沉降来危及结构的安全性，可能导致结构故障（Al-Soudany等人，2025年）。
已有研究考察了原油对粉砂土强度的影响，结果显示，在添加不超过6%的原油污染剂量时，土壤强度有所提高（Al-Adhamii等人，2020年）。然而，超过这一剂量后，强度会下降。同样，也有研究指出在2%的污染剂量下存在一个临界点，超过这个剂量后，继续添加原油会导致无约束抗压强度（UCS）降低（Oluremi等人，2015年）。相反，关于烃类污染土壤的岩土工程行为的研究也很广泛，研究表明，当原油污染含量达到10%时，无约束抗压强度（UCS）下降了约61%，表明油浓度与机械性能下降之间存在线性关系（Mustafa等人，2021年）。对于富含粘土的土壤，发现原油的污染临界浓度为16%，超过这个浓度后，内聚力和摩擦角均下降了约35-40%，这种现象归因于粘土双层中水分子的位移以及由此导致的颗粒间结合力的减弱（Ostovar等人，2020年）。烃类污染物的性质对土壤行为起着决定性作用。例如，当SC土壤被12%的机油污染时，UCS下降了近39%；而当SP土壤暴露在8%的柴油中时，强度下降了34%，这主要是由于颗粒间摩擦力的减小和土壤流动性的增加（Bojnourdi等人，2020年；Saberian和Khabiri，2018年）。此外，CH土壤在煤油污染下表现出剪切强度和抗压强度的持续下降，这归因于污染物的润滑作用；然而，在类似的污染条件下，SP土壤的内聚力却出现了意外增加，这表明可能存在粘土与烃类之间的相互作用，增强了颗粒间的结合（Karkush和Jihad，2020年；Sarmadi等人，2019年）。这些变化强调了污染物类型和土壤组成的重要性，因为在煤油污染的SP-SM土壤中，加州承载比（CBR）值下降了约40%（Rasheed等人，2014年）。表1总结了关于油污染土壤岩土工程性质的最新研究论文，其中包含了测试的土壤和污染物类型、每项研究中进行的主要岩土工程测试以及研究人员报告的关键发现。
尽管对传统烃类进行了大量研究，但在天然气处理过程中分离出的复杂轻质烃类混合物——天然气凝析液（C5-C12）的影响仍知之甚少（Galiulin等人，2014年）。这一知识空白在那些由于土壤中高浓度的氯化物/硫酸盐导致储罐腐蚀并发生凝析液泄漏的地区尤为关键，因为这种泄漏会带来重大的岩土工程和环境风险。由此产生的污染会改变地下土壤的性质，可能导致承载能力丧失、差异沉降和结构故障。与原油相比，天然气凝析液主要由较轻且更易挥发的烃类组成，粘度和密度较低。因此，天然气凝析液在土壤中的流动性更强，能够更深入地渗透并通过孔隙空间快速扩散，而富含重质成分（如树脂和沥青质）的原油则会在土壤中停留更长时间并更牢固地附着在颗粒上。尽管原油通常会导致土壤结构和强度的长期变化，但由于天然气凝析液的快速传输、短期毒性和潜在的地下污染风险，它带来了独特的环境和岩土工程挑战。这些差异强调了在岩土工程评估中特别关注天然气凝析液污染的必要性，而不能仅从原油研究的结果进行推断（Kababu等人，2022年；Speight，2011年）。
本研究通过系统评估凝析液污染（干重占比0-8%）对粘性砾石（GC）土壤岩土工程性质的影响，重点关注剪切强度的下降、压实特性和承载能力，旨在为凝析液储存基础设施的安全设计提供依据，并为天然气处理设施提供定制的修复策略数据，因为在这些设施中传统的烃类污染模型可能不适用。
部分内容摘录
土壤
本研究使用的土壤样本取自伊朗布什尔省，地理位置为北纬27°29′35.6″，东经52°38′08.9″。根据ASTM D422标准（ASTM，2007年）进行了颗粒大小分布分析，结果如图1a所示。这些结果为土壤分类提供了依据，根据统一土壤分类系统（USCS），该系统将材料识别为粘性砾石（GC）。通过进一步的塑性测试验证了这一分类。
天然气凝析液污染对阿特伯格界限的影响
图2展示了随着天然气凝析液污染浓度增加，阿特伯格界限的变化情况。结果显示所有一致性界限均逐渐降低：液限（LL）从30.9%降至26.2%，塑限（PL）从21.02%降至18.16%，塑性指数（PI）从9.88%降至8.04%。这些变化源于物理化学机制。凝析液中的非极性烃类分子（其干燥损失系数为0.75，通过凝析液干燥损失率与气体浓度的关系确定）
讨论
实验结果表明，天然气凝析液污染通过复杂的物理化学相互作用显著改变了粘性砾石土壤的岩土工程性质。在微观结构层面，烃类渗透破坏了土壤基质，覆盖了颗粒表面并排出了孔隙水，导致孔隙率增加和颗粒间作用力减弱。这种微观结构的退化在宏观上表现为工程性质的逐渐下降。
结论
这项全面的实验研究通过一系列标准化的实验室测试，系统评估了天然气凝析液污染（干重占比0-8%）对粘性砾石（GC）土壤岩土工程性质的影响。研究方法包括对受污染和未受污染样本的详细表征，使用先进的测试协议来量化基本土壤参数的变化。我们的发现揭示了显著的改变
作者贡献声明
阿明·法拉马基（Amin Falamaki）：撰写 – 审稿与编辑、监督、项目管理、方法论、概念化。阿卜杜萨拉姆·达什蒂（Abdosalam Dashti）：撰写 – 原稿撰写、方法论、调查、数据分析。阿米尔·侯赛因·瓦基利（Amir Hossein Vakili）：撰写 – 审稿与编辑、可视化、验证、监督、软件应用、方法论、调查。阿米尔·侯赛因·卡里米（Amir Hossein Karimi）：撰写 – 审稿与编辑、原稿撰写。阿吉莱·卡杰（Aghileh Khajeh）：撰写 – 审稿与编辑、可视化、验证、软件应用
