2.1.2. Твердая фаза. Определение вида несвязных грунтов

Свойства твердой фазы (скелета грунта) зависят в первую очередь от крупности частиц, их минералогического состава и формы.

Гранулометрический состав. В природных грунтах размер зерен изменяется в очень широком диапазоне  от долей микрона до нескольких сантиметров. Совокупность частиц определенных размеров называют фракцией. В инженерной практике выделяют четыре основные фракции

крупнообломочную — размер частиц более 2 мм;

песчаную — размер частиц 2…0,05 мм;

пылеватую — размер частиц 0,05…0,005 мм;

глинистую — размер частиц менее 0,005 мм.

Дополнительно выделяют нередко и другие фракции, например, коллоидную с размером частиц менее 0,001 мм.

Процентное отношение выделенных в данном объеме грунта фракций к его общей массе называется гранулометрическим составом. Грансостав исследуют в основном двумя методами.

Содержание крупных фракций определяют ситовым методом, т.е. путем просеивания грунта через стандартные сита, имеющие отверстия определенных размеров. Взвешивая раздельно остатки грунта на ситах, получают массу каждой фракции, которые выражают в процентах к общей массе всех фракций.

Содержание мелких фракций, которые невозможно просеять, исследуется ареометрическим методом. Ареометрический метод основан на изменении плотности водной суспензии по мере выпадения из нее минеральных частиц. В стеклянный цилиндр, заполненный водой, засыпают пробу грунта и взбалтывают так, чтобы все частицы пришли во взвешенное состояние. Затем туда вертикально опускают ареометр  вытянутую стеклянную колбу с помещенным в нижнем конце грузом и нанесенной специальной шкалой. С течением времени происходит выпадение сначала крупных, а затем более мелких частиц грунта из суспензии в осадок, в результате чего уменьшается плотность суспензии, и ареометр постепенно погружается вниз. Включив в начале опыта секундомер, берут отсчеты по шкале ареометра через определенные интервалы времени. Диаметры частиц и их процентное содержание можно получить по специальным номограммам, составленным на основе решения Стокса о скорости выпадения частиц в жидкости.

В результате анализа  ситового и ареометрического  определяется количественное содержание в грунте всех фракций, выраженное в процентах по отношению к общей исследуемой массе. Результаты представляют либо в виде стандартной таблицы, либо графически в виде кривой гранулометрического состава грунта (рис. 2.1).

Рисунок 2.1.  Общий вид кривой гранулометрического состава

По оси абсцисс откладывают диаметры частиц, по оси ординат проценты. Шкала диаметров принимается логарифмической, поскольку приходится иметь дело с числами в очень широком диапазоне  от 10^3 мм до нескольких сантиметров. Точка на кривой грансостава показывает, сколько в грунте содержится частиц диаметром меньше данного (в процентах по массе). Так, точка A на кривой грансостава показывает, что частиц диаметром меньше 5 мм в грунте содержится 60%. Кривая грансостава всегда будет монотонной возрастающей.

Данные гранулометрического состава используются для определения разновидностей несвязных грунтов  крупнообломочных и песчаных  как показано в табл. 2.1. Здесь отличие валунов, галечника и гравия с одной стороны от глыб, щебня и дресвы с другой состоит в том, что первые грунты имеют окатанные частицы, а вторые  неокатанные, угловатые. По данной таблице подбор подходящего условия ведется сверху вниз, и выбирается первое удовлетворившее наименование.

Для связных (глинистых) грунтов  супесей, суглинков и глин  характерен свой гранулометрический состав, в частности, определенное содержание частиц глинистой фракции (табл. 2.2). Однако согласно действующим стандартам разновидности глинистых грунтов устанавливаются в первую очередь по числу пластичности (см. п. 2.4), а данные таблицы 2.2 носят вспомогательный характер.

По кривой грансостава можно также оценить однородность грунта. Чем круче кривая, тем однороднее грунт. Количественно это оценивается коэффициентом неоднородности (степенью неоднородности):

,

где d₆₀ и d₁₀ — диаметры частиц, меньше которых в грунте содержится соответственно 60 и 10% частиц грунта.

При грунт считается однородным, при — неоднородным.

Таблица 2.1.  Классификация крупнообломочных и песчаных грунтов

Разновидность грунтов	Размер частиц d, мм	Содержание частиц, % по массе
Крупнообломочные грунты
валунный (глыбовый)	> 200	> 50
галечниковый (щебенистый)	> 10	> 50
гравийный (дресвяный)	> 2	> 50
Песчаные грунты
гравелистый	> 2	> 25
крупный	> 0,50	> 50
средней крупности	> 0,25	> 50
мелкий	> 0,10	 75
пылеватый	> 0,10	< 75

Таблица 2.2.  Примерное содержание глинистой фракции в глинистых грунтах

Разновидность грунтов	Размер частиц d, мм	Содержание частиц, % по массе
Глинистые грунты
супесь	< 0,005	3…10
суглинок	< 0,005	10…30
глина	< 0,005	> 30

Минералогический состав также играет определенную роль, оказывая влияние на физико-механические свойства грунтов.

Крупные фракции, образовавшиеся в основном в результате физического выветривания (т.е. без изменения химического состава) из различных генетических типов скальных пород, по общим физическим и механическим свойствам мало отличаются друг от друга.

В то же время на мелкие частицы существенно влияет их минералогический состав. Так, присутствие в глинистых грунтах минерала монтмориллонит обеспечивает свойство набухания, т.е. увеличения грунта в объеме при замачивании. Это вызвано тем, что кристаллическая решетка монтмориллонита имеет подвижную молекулярную структуру, куда проникают молекулы воды, обуславливая тем самым указанное свойство. В результате строительные конструкции подвергаются дополнительному давлению до 0,5 МПа. Соответственно, при высыхании такие грунты дают усадку.

Кристаллическая решетка другого глинистого минерала  каолинита  имеет неподвижную молекулярную структуру, и грунты с большим содержанием каолинита практически не набухают.

Таким образом, молекулярная структура глинистых минералов создает различия в их взаимодействии с водой, второй составляющей частью любых природных грунтов.

Форма твердых частиц грунтов очень разнообразна: шарообразная, пластинчатая, листообразная и тонкоигольчатая. Не останавливаясь более подробно, скажем лишь, что крупные фракции диаметром более 0,05 мм имеют округлую или остроугольную форму, а мелкие и мельчайшие частицы глинистых грунтов  пластинчатую или игольчатую.