Фракции частиц при гранулометрическом анализе почв

В почвах и породах могут находиться частицы диаметром как менее 0,001 мм, так и более нескольких сантиметров. Для подробного анализа весь возможный диапазон размеров делят на участки, называемые фракциями. Единой классификации частиц не существует.

Исторически первая классификация фракций предложена А. Аттербергом в 1912 и была основана на изучении физических свойств монофракциальных смесей. Их анализ показал резкие качественные различия, в частности, в липкости при достижении размеров 0,002, 0,02 и 0,2 мм.

Шкала Аттерберга легла в основу более новых зарубежных классификаций. В СССР и России была принята несколько иная классификация Н. А. Качинского.

Вместе с этими в классификации Качинского выделяются фракции физического песка и физической глины, соответственно, крупнее и мельче 0,01 мм.

2. Структура горных пород определяется размерами, количественным соотношением минеральных частиц, взаимодействием частиц между собой и с другими компонентами горных пород. Под текстурой горных пород понимают пространственное расположение и соотношение минеральных частиц в породах. Структуру и текстуру горных пород необходимо рассматривать совместно, и некоторые исследователи объединяют структуру и текстуру грунтов понятием «строение грунтов», выделяя макро-, мезо- и микростроение грунтов. Под макростроением понимают структуру и текстуру грунтов, различаемые невооруженным глазом или с помощью лупы (например, минеральные частицы размерами более 2 мм, макропористость и видимая слоистость грунтов). Мезостроение грунтов изучается под микроскопом (например, минеральные частицы размерами более 0,001 мм, микроагрегаты глинистых частиц и пространственное расположение этих частиц) Микростроение грунтов изучается с помощью электронного микроскопа (например, минеральные частицы размерами менее 0,001 мм, детали структуры и текстуры грунтов).

На строение грунтов оказывают влияние размеры частиц, их удельная поверхность, характер структурных связей, минеральный состав грунтов и условия формирования (наличие давления, водно-солевой состав и состояние воды и т.п.). При изменении этих факторов происходит постепенное изменение строения грунтов, что приводит к изменению характера структурных связей и взаимодействия между компонентами грунтов.

Первичные минеральные частицы, образующие структуру грунтов, характеризуются гранулометрическим составом, а структурные элементы из агрегированных частиц - агрегатным составом.

По текстурной характеристике выделены микроагрегаты и микроблоки соответственно с беспорядочной и ориентированной группировкой частиц.

Для засоленных глинистых грунтов результаты определения гранулометрического и микроагрегатного составов существенно различаются. Это объясняется тем, что соли в таких грунтах образуют агрегаты, центрами которых являются минералы солей. При разрушении агрегатов частиц увеличивается число глинистых частиц.

3. Пластичность — это способность грунта под воздействием внешних усилий изменять форму (деформироваться) без разрыва сплошности и сохранять приданную ему форму после того, как действие внешней силы устранено.
При инженерно-геологических исследованиях обычно в качестве показателей пластичности используют влажность предела текучести (или верхний предел пластичности) и влажность предела раскатывания (нижний предел пластичности). Интервал влажности между пределами пластичности характеризуется числом пластичности. Кроме того, по показателям пластичности и естественной влажности судят о консистенции грунта. Пределы и число пластичности косвенно характеризуют минералогический состав и дисперсность грунта. Существуют различные методы определения пределов пластичности:
1) методы для определения верхнего предела пластичности с помощью конуса и нижнего предела по влажности на границе раскатывания грунта в шнур (ГОСТ 5183—64 и ГОСТ 5184—64);
2) конусные методы для определения верхнего и нижнего пределов пластичности.
Конусные методы позволяют определить предельное напряжение сдвига.
Величина предельного напряжения сдвига не зависит от нагрузки на конус и угла при вершине конуса.
Для определения пределов пластичности рекомендуется использовать пластометр Ребиндера, конус Бойченко и др.
Наиболее распространенными являются классификации связных грунтов по числу пластичности и показателю консистенции согласно СНиП П-Б.1-62.
Показатели пластичности и естественной влажности характеризуют консистенцию грунта.
По показателю консистенции связные грунты классифицируют следующим образом:
Супеси: твердые, пластичные, текучие
Суглинки и глины: твердые, полутвердые, тугопластичные, мягкопластичные,
текучепластичные, текучие.

4. Усадка грунтов. Усадкой называют свойство влажных глинистых грунтов уменьшаться в объеме при высыхании. При усадке грунта он переходит в твердое или полутвердое состояние; в нем появляются трещины, нарушаются связи жесткого структурного сцепления; прочность грунта в толще ослабляется (с_с > 0). С пределом усадки увязывают наблюдаемое при высыхании грунта изменение его цвета (посветление).

Размокание. Проба грунта на размокание. Для инженерно-геологической характеристики грунта весьма показательна его способность к размоканию. Сущность испытания заключается в наблюдении за оставшейся частью образца, помещенного в воде на металлической сетке. Для этого испытания существуют специальные приборы, действующие на принципе весов или поплавка

Набухание и усадка. Грунты, увеличивающиеся в объеме при повышении их влажности, называются набухающими. При набухании происходит подъем поверхности. Набухание происходит за счет увеличения толщины водных пленок, окружающих частицы. При снижении влажности в этих грунтах они уменьшают свой объем и дают усадку.

Относительное набухание определяется в одометре и представляет собой отношение разности высот образца после набухания и в природном состоянии к высоте ненабухающего образца, обжатого природным давлением. У "ненабухающих" грунтов это отношение менее 0,04, сильнонабухающими называются грунты, если оно более 0,12. Давление набухания соответствует давлению, возникающему в грунте в одометре, если ему не дать увеличиваться в объеме.

Подъем поверхности основания из набухающих грунтов определяют методом послойного суммирования. В основании фундамента учитывается противодействие от веса незамоченного грунта. На нижней границе зоны набухания принимается условие, при котором суммарное вертикальное напряжение от веса грунта и внешней нагрузки равно давлению набухания.

5. Крупнообломочные грунты состоят из несцементированных кусков скальных и полускальных пород; обычно содержат более 50 % обломков пород размером свыше 2 мм. Свойства грунтов 1 класса определяются свойствами мелкоземной части (песка, глины, пыли).

II класс - грунты с несовершенным каркасом, содержащие обломочных частиц от 10 до 65 %.

Свойства крупнообломочных грунтов II класса определяются как свойствами содержащегося в них мелкозема, так и свойствами обломочных частиц. В таких грунтах влияние обломочных частиц тем больше, чем выше их содержание. При небольшом количестве обломков последние не соприкасаются и «плавают» в мелкоземе, а при увеличении их содержания обломочные частицы, соприкасаясь друг с другом, образуют структуры, приближающиеся к контактным.

III класс - грунты каркасные, содержащие обломочных частиц более 65 %.

Грунты этого класса характеризуются наличием контактов между обломочными частицами, что предопределяет их доминирующее влияние на физико-механические свойства грунтов.

Каркасность структуры грунтов этого класса в значительной степени зависит от состояния глинистого мелкозема.

Крупнообломочные грунты II класса следует подразделять на две категории: связные, если заполнитель (размером мельче 2 мм) - глинистая или суглинистая порода, и сыпучие, если заполнитель - песчаный грунт.

Рассматриваемые грунты классифицируются также по свойствам скелетных фракций:

грунты с водостойкой скелетной частью (коэффициент размягчаемости выше 0,78), которая может быть представлена обломками изверженных и метаморфических пород, не изменяющих свои прочностные свойства при увлажнении, - гранит, базальт, диорит и др.;

грунты с неводостойкой скелетной частью (коэффициент размягчаемости ниже 0,75), включающей обломки легковыветривающихся, размягчающихся при увлажнении горных пород, - мел, опока, мергель, алевролит, аргиллит и др.

Физико-механические свойства крупнообломочных грунтов определяются их гранулометрическим составом и показателями плотности-влажности.

Повышение содержания глинистого заполнителя в составе крупнообломочного грунта приводит к снижению его прочностных (угол внутреннего трения j, сцепление С) и деформативных (модуль упругости Е) характеристик (табл. 1, 2).

Модуль упругости исследуемых грунтов, содержащих более 25 % глинистого мелкозема, практически не зависит от прочности обломочной составляющей и определяется их гранулометрическим составом и кон систенцией мелкозема, находящегося в контакте с обломочными частицами.

Высокие значения модуля упругости крупнообломочных грунтов, получаемые при относительно низкой влажности содержащегося в них мелкозема, снижаются при повышении влажности и увеличении количества мелкозема и не могут вследствие этого служить надежной характеристикой для рассматриваемых грунтов.

Динамические модули упругости для крупнообломочных грунтов превосходят по величине статические - Е _ст. Однако с увеличением влажности грунта разница в значениях указанных модулей упругости уменьшается и при влажности глинистой составляющей 0,7 - 0,8 W _т отношение приближается к 1 (см. табл. 2).

Крупнообломочные грунты обладают высокой водопоглощающей способностью, интенсивность которой уменьшается с увеличением начальной влажности глинистого заполнителя. Наибольшей скоростью водопоглощения обладают крупнообломочные грунты с каркасной структурой и с несовершенным каркасом, содержащие менее 40 - 50 % мелкозема.

Крупнообломочные грунты II и III классов, содержащие при уплотнении глинистый мелкозем (размером мельче 0,05 мм) в твердой и полутвердой консистенции, обнаруживают склонность к просадочным явлениям и снижению первоначальной прочности при увлажнении.

Степень снижения прочностных свойств крупнообломочных грунтов оценивается коэффициентом сдвигоустойчивости, определяемым по отношению сопротивляемости грунта сдвигу после увлажнения и его начальной (до увлажнения) сдвиговой прочности (приложение 2).

Крупнообломочные грунты, содержащие глинистый мелкозем в твердой или полутвердой консистенции, характеризуются наименьшим коэффициентом сдвигоустойчивости, причем его величина снижается в процессе водонасыщения по мере увеличения в смеси содержания глинистого мелкозема (рис. 2).

Наибольшей просадочностью характеризуются крупнообломочные грунты, содержащие от 15 до 40 % глинистого мелкозема в твердой или полутвердой консистенции (рис. 3).

Просадочность крупнообломочного грунта выражается через модуль просадки l _пр (мм/м) (приложение 3).

Снижение просадочных деформаций насыпей, сооружаемых из крупнообломочных грунтов с каркасной или несовершенной каркасной структурой, достигается путем эффективного уплотнения грунтов при повышенных нагрузках и влажности глинистого мелкозема.

6. Песчаный грунт более чем на половину состоит из частиц песка размером меньше 5 мм, форма которых приближена к шарообразной. Пространство между отдельными песчинками называется порами, они заполняются водой и воздухом. В отличие от глинистых песчаные грунты имеют гораздо более низкую пористость – от 0,2 до 0,5, они хуже удерживают в себе влагу. Размер пор достаточно большой для того, чтобы капиллярные силы притяжения не могли связывать песчинки, поэтому песчаный грунт является несвязным, то есть он рассыпается. В сухом состоянии он совершенно не держит форму, слепленный из песка шар рассыпается сам собой. Насыщенный влагой песок может удерживать форму, но при малейшем давлении тоже рассыпается.

Песчаные грунты удерживают в себе меньше влаги, и, благодаря этому свойству, они в меньшей степени подвержены морозному пучению, в большинстве случаев их можно считать непучинистыми. Это очень большое достоинство: при возведении фундамента на таком грунте глубина промерзания не имеет значения и даже мелкозаглубленный фундамент будет абсолютно устойчивым.

Главная характеристика песчаного грунта – его несущая способность – зависит от содержания в нем влаги и от его степени уплотнения:

• чем больше в нём содержится воды, тем он слабее
• чем сильнее уплотнен, тем больше несущая способность.

Все песчаные грунты хорошо и быстро уплотняются под действием нагрузки, их осадка происходит быстро. По степени уплотнения они делятся на плотные и средней плотности. Плотным можно считать такой грунт, который находится на глубине 1,5 м и более: под постоянным давлением вышележащих слоев он максимально уплотнился и является хорошим основанием для фундамента. Грунт средней плотности – это тот, который находится выше 1,5 м и тот, который был уплотнен искусственно. Он имеет чуть меньшую несущую способность и больше подвержен осадке.

Песчаные грунты разделяют на группы в зависимости от крупности песчинок.

• Гравелистый песок – самый крупный, он состоит из песчинок размером от 0,25 мм до 5 мм, и имеет высокую несущую способность: плотный гравелистый грунт более 6 кг/см2, гравелистый грунт средней плотности – 5 кг/см2.
• Крупный песок имеет размер частиц от 0,25 мм до 2 мм и показывает другие свойства: плотный крупный песок имеет несущую способность 5-6 кг/см2, средней плотности – 4 кг/см2. Свойства крупного и гравелистого песчаных грунтов практически не зависят от наличия влаги и ее количества, их несущая способность остается постоянной.
• Средний песок имеет песчинки размером от 0,1 мм до 1 мм, его несущая способность в плотном состоянии 4-5 кг/см2, в состоянии средней плотности 3-4 кг/см2. При насыщении влагой такой грунт снижает свою несущую способность еще на 1 кг/см2.
• Мелкий песок (или пылеватый) имеет размер частиц меньше 0,1 мм и по своим свойствам уже приближается к глинистому грунту: максимальная несущая способность в потном состоянии 3 кг/см2, при средней плотности – 2,5 кг/см2. При насыщении влагой его прочность падает до 1 кг/см2.

Таким образом, самым лучшим основанием для фундамента будет гравелистый или крупный песок, который обеспечивает отличную несущую способность и практически не теряет своих свойств при увлажнении.

7. Свойства пылевато-глинистых грунтов находятся в большой зависимости от влажности. Если в талом грунте содержится только прочносвя-занная вода, то грунт находится в твердом состоянии. При наличии рыхлосвязанной воды грунт становится пластичным. При свободной воде в порах грунт переходит в текучее состояние.

Таким образом, при насыщении водой пылевато-глинистый грунт вначале размягчается, потом переходит в пластичное и, наконец, текучее состояние.

Пластичность — это способность грунта деформироваться под действием внешних усилий без разрыва сплошности и сохранять форму после прекращения действия этих усилий. Пылевато-глинистые грунты находятся в пластичном состоянии в определенном диапазоне влажности, границы которого называются пределами пластичности: w P—нийний предел пластичности (предел раскатывания) соответствует влажности, ниже которой грунт переходит в твердое состояние; wL— верхний предел пластичности (предел текучести) отвечает влажности, выше которой грунт переходит в текучее состояние.

Особенностью грунтов как пористых тел является их способность фильтровать воду. Фильтрация зависит от степени уплотнения грунтов. Водопроницаемость характеризуется коэффициентом фильтрации К.

Основными пааметрами механических свойств грунтов являются прочность и деформационные характеристики грунтов: угол внутреннего трения ф, удельное сцепление с, модуль деформации Е и предел прочности на одноосное сжатие скальных грунтов Rc.