классификация частиц грунта по их размерам построение кривой.

Твёрдые частицы представляют систему разнообразных по форме, составу и размерам (от нескольких сантиметров до мельчайших частиц коллоидного порядка, т. е. менее 1 мК) твёрдых минеральных зёрен.

Минералогический состав твёрдых частиц зависит, главным образом, от состава материнской породы грунтов. Так, одни минералы (кварц, полевой шпат) менее активно взаимодействуют с водой, окружающей минеральные частицы, другие (монтмориллонит) значительно сильнее, причём и характер взаимодействия их будет иным. На их свойства существенно влияют поверхностные явления, интенсивность которых для различных минералов неодинакова.

 

Кору выветривания верхней оболочки Земли образуют, главным образом следующие элементы:

- кислород O – 49,3%,

- кремний Si – 25,7%,

- алюминий Al – 7,5%,

- железо Fe – 4,7%,

- кальций Ca, натрий Na, калий K, магний Mg – около 10,4%.

Из них большинство находится в форме окислов, из которых 58,2% - окиси кремния SiO₂ и 16% - окиси алюминия Al₂O₃.

Можно выделить четыре основные группы минеральных образований:

- первичные минералы (кварц, полевые шпаты, слюда и др.);

- глинистые (вторичные) минералы (монтмориллонит, каолинит, иллит и др.), образовавшиеся в процессе выветривания магматических и метаморфических пород;

- соли – сульфаты (гипс, ангидрит и др.), карбонаты (кальцит, доломит и др.), галоиды;

- органические вещества.

Форма твёрдых частиц грунтов весьма разнообразна от компактной шарообразной до пластинчатой листообразной и тонкоигольчатой. Как правило, крупные фракции (диаметром более 0,05 мм) имеют округлую или остроугольную компактную форму, а мелкие и мельчайшие частицы глинистых грунтов – пластинчатую и реже игольчатую форму.

Большинство тонких фракций глин содержит много мономинеральных частиц, относящихся к трём группам минералов: монтмориллониты, иллиты и каолиниты. Все эти минералы имеют ярко выраженное пластинчатое строение и пластинчатую молекулярную структуру, но обладают разной поверхностной энергией. Наиболее активными являются монтмориллониты, наименее – каолиниты. Кристаллы группы монтмориллонита не только имеют наибольшую удельную поверхность (каолинит ~ 10 м²/г, а монтмориллонит ~ 800 м²/г), но и наибольшую адсорбционную способность и свойство сильно набухать в воде, втягивая молекулы воды внутрь кристаллической решётки, особенно, если они насыщены натрием Na (связь между пакетами атомов монтмориллонита ослаблена, так как слои атомов двух соседних пакетов обращены друг к другу одноимённо заряженными атомами кислорода с наличием отталкивающих сил между ними, куда и проникают молекулы воды, раздвигая кристаллическую решётку монтмориллонита).

 

Самые мелкие фракции глин (менее 1 мК) обладают свойствами коллоидов. Для кварца коллоидная активность близка к нулю, для каолинита составляет около 0,4, для иллита – 0,9, монтмориллонита – от 1,5 до 7,2, в зависимости от насыщения кальцием или натрием.

Различие не только в удельной поверхности, но и в молекулярной структуре глинистых минералов создаёт различия в их взаимодействии с водой, второй составной частью любых природных грунтов.

Модуль объёмного сжатия частиц минералов, слагающих грунты (в МПа):

,

где A – некоторое число в пределах от 1 до 9.

Частицы многих минералов обладают ярковыраженной анизотропией сжимаемости (неодинаковой сжимаемостью по разным направлениям), различающейся до 10 раз. Поэтому, если все частицы ориентированы более или менее одинаково, модуль сжимаемости будет неодинаков по направлениям вдоль ориентации и поперёк неё. Если же частицы скелета расположены беспорядочно, то грунт практически изотропен по сжимаемости. За счёт смятия в точках контакта и вследствие сдвига частиц объёмный модуль сжимаемости скелета на два-четыре порядка меньше, чем модуль сжимаемости отдельной частицы, и находится у разных грунтов в зависимости от их влажности и сложения в пределах от A до A·10² МПа.

Относительное содержание в скелете частиц различных размеров (обычно в процентах) называют зерновым, гранулометрическим или механическим составом грунта.

Гранулометрический состав весьма разнообразен. Размер частиц меняется от 10^-6 до 1000 мм. Это можно хорошо представить, если сравнить относительные размеры воздушного шарика и нашей планеты. Определение гранулометрического состава состоит в разделении составляющих грунт частиц на отдельные группы (фракции).

Методы гранулометрического анализа:

- ситовой (для крупных и средних фракций);

для мелких фракций (диаметром менее 0,05 мм):

- седиментационный (основан на разделении фракций грунта в искусственно приготовленных суспензиях вследствие разной скорости осаждения частиц различной крупности);

- ареометрический (основан на использовании свойства уменьшения плотности грунтовой суспензии по мере выпадения из неё в осадок различных фракций);

- центрифугирование (основан на разделении фракций на центрифуге);

- комбинированные.

На основании изучения физических свойств отдельных фракций предложено их классифицировать по размерам.

Классификация частиц грунтов.

Наименование частиц	Размеры частиц, d мм
Валунные	d > 200
Галечниковые (щебенистые)	200 ³ d > 10
Гравийные (дресвяные)	10 ³ d > 2
Песчаные:
крупные	2 ³ d > 0,5
средние	0,5 ³ d > 0,25
мелкие	0,25 ³ d > 0,05
Пылеватые:
крупные	0,05 ³ d > 0,01
мелкие	0,01 ³ d > 0,005
Глинистые	d £ 0,005

Деление частиц грунтов на фракции обусловлено тем, что грунты, состоящие из частиц одной фракции, обладают специфическими особенностями и свойствами.

Грунт, состоящий только из галечниковых частиц (щебня), весьма водопроницаем, имеет жёсткий скелет и высокую несущую способность. Такой грунт встречается редко.

Грунт, состоящий только из гравелистых частиц, также обладает большой водопроницаемостью, сравнительно жёстким скелетом и достаточно высокой несущей способностью. В некоторых случаях при динамических воздействиях он может уплотняться. Оба эти грунта не обладают связностью (сыпучи); капиллярное поднятие в них отсутствует.

Песчаные частицы слагают различные по крупности пески, которые обладают водопроницаемостью, не пластичны, имеют сравнительно жёсткий, мало сжимаемый при действии статической нагрузки скелет. В зависимости от плотности сложения частиц пески способны существенно уплотняться при динамических воздействиях. Они характеризуются небольшой высотой капиллярного поднятия (до 0,5 м) и в сухом состоянии являются сыпучими телами.

Грунт, состоящий только из глинистых частиц, практически водонепроницаем, во влажном состоянии характеризуется высокой пластичностью, может обладать большой сжимаемостью при действии статической нагрузки, при динамических воздействиях не уплотняется, но может терять свою прочность. После прекращения динамических воздействий прочность глинистого грунта частично или полностью постепенно восстанавливается, т. е. он обладает специфическими тиксотропными свойствами. Такой грунт при изменении содержания в нём воды изменяет объём – набухает при увлажнении и получает усадку при высыхании. Все эти свойства, характерные для глины, особенно ярко проявляются, когда она содержит некоторое количество весьма мелких коллоидных частиц и состоит из минерала монтмориллонита.

Пылеватые частицы составляют пылеватый грунт, который имеет в строительном отношении все недостатки песка и глины. Пылеватый грунт слабо водопроницаем, плохо отдаёт воду и обладает свойством плывунности – перемещается вместе с водой даже при малой скорости её движения. Капиллярное поднятие в нём развивается быстро и высота его обычно достигает 2 - 3,5 м.

Большинство естественных грунтов представляет собой смеси различных фракций.

В настоящее время принято изображать гранулометрический состав грунтов в виде так называемой кривой однородности, которая строится по результатам гранулометрического анализа (рис. 2.1):

 

Рисунок 2.1. Интегральная кривая гранулометрического состава.

По горизонтальной оси откладывают логарифмы диаметров зёрен в мК (что вызвано желанием оттенить в составе грунта содержание мелких, наиболее активных фракций), а по вертикальной оси – суммарное содержание в грунте частиц диаметром более данного. Отношение диаметров частиц, , соответствующих 60% и 10% содержанию частиц, характеризует неоднородность состава грунта и называется коэффициентом неоднородности. Чем больше этот коэффициент, тем грунт будет неоднороднее по составу; при коэффициенте неоднородности, меньше 3, грунт считается однородным.

⇐ Предыдущая12

Поделиться: