Твердые составляющие грунта

Грунты и основания гидротехнических сооружений

профессор, д.т.н. П.Л.Иванов /избранные главы/

Основные представления о твердой составляющей грунта 

/следует учитывать, осуществляя  вывоз грунта /*

Природные грунты — это в основном продукты физического и химического выветривания скальных горных пород литосферы, поэтому твердые частицы представлены отдельными минералами или обломками скальных горных пород. В песчаных и более крупнозернистых грунтах встречаются в основном породообразующие минералы, такие, как кварц, полевой шпат, слюда и др. В глинистых грунтах в результате существенного химического выветривания содержится значительное количество очень мелких глинистых (вторичных) минералов — монтмориллонита, каолинита, гидрослюды и др.
Диапазон изменения крупности частиц грунтов значительный. Частицы, близкие по крупности, объединяют в определенные группы, называемые гранулометрическими фракциями (или просто фракциями), которым присвоены соответствующие наименования (табл. 1.1).

Грунты состоят из фракций разной крупности. Процентное содержание в грунте по массе фракции определяет зерновой (гранулометрический) состав грунта.
Зерновой состав для фракций, больших 0,1 мм (или > 0,25 мм), определяют просеиванием пробы грунта через комплект сит. Для более мелких фракций (< 0,10) применяют методы, основанные на определении размеров частиц грунта по скорости их выпадения из суспензии (метод седиментации), используя зависимость Стокса для скорости падения шара в вязкой жидкости. Суспензию из пробы грунта и воды помещают в высокий стеклянный сосуд (цилиндр) и тщательно взмучивают. Чем мельче частицы, тем медленнее они оседают в спокойной жидкости. Скорость падения частиц грунта оценивают по уменьшению плотности суспензии различными способами: ареометрическим, пипеточным и отмачиванием. Следует отметить, что вследствие использования формулы Стокса этими способами определяют не действительные размеры частиц, а диаметр шара, который падал бы в жидкости (воде) с такой же скоростью, как и сложная по форме частица.
Зная процентное содержание каждой фракции, для удобного графического представления зернового состава грунта строят кривые однородности (рис. 1.1). По оси абсцисс откладывают логарифмы диаметра частиц, а по оси ординат — процент содержания частиц, меньших данного диаметра. Разность ординат двух точек кривой однородности показывает, чему равно процентное содержание в грунте частиц, диаметры которых находятся в пределах промежутка, соответствующего разности абсцисс этих двух точек (рис. 1.1). Чем более крутыми получаются кривые однородности, тем более однороден грунт. Для характеристики неоднородности крупнообломочного или песчаного грунта введен коэффициент неоднородности (степень неоднородности)
K_60/10 = d₆₀/d₁₀ (1.1)
где d₆₀ — диаметр частиц, меньше которого в данном грунте содержится (по массе) 60% частиц (иногда этот диаметр называют контролирующим); d₁₀  — диаметр частиц, меньше которого в грунте содержится 10% частиц (эффективный диаметр) (рис. 1.1). Чем больше K_60/10, тем неоднороднее грунт, при степени неоднородности, близкой к 1, грунт идеально однороден.

Рис 1.1. Кривые однородности грунтов:
1 — грунт однородный; 2—грунт, менее однородный;
3 —грунт, не имеющий в своем составе
ряда промежуточных фракций

Кристаллическая решетка твердых частиц грунта образована химическими элементами — ионами, несущими тот или иной электрический заряд. Внутри кристаллической решетки заряды ионов различных знаков уравновешиваются, тогда как на поверхности твердой частицы ионы уравновешиваются лишь частично с внутренней стороны по отношению к поверхности. Поэтому в целом такая частица грунта не является нейтральной и ведет себя как заряженное тело.
Это подтверждается простым опытом с пропусканием постоянного тока через глинистую водную суспензию. Глинистые частицы перемещаются в воде от отрицательного к положительному электроду. Это показывает, что глинистые частицы в целом несут отрицательные заряды или что их поверхность заряжена отрицательно.
Благодаря наличию заряда твердые частицы взаимодействуют с окружающей их средой, т. е. с жидкостью и газами. Так как заряды образуются на поверхности частиц, то их взаимодействие тем больше, чем больше поверхность частиц грунта. Для характеристики поверхностной активности грунта применяют понятие удельная поверхность грунта — отношение суммарной площади поверхности всех частиц к занимаемому ими объему (1/см).
С уменьшением размеров частиц удельная поверхность грунта существенно увеличивается. Так, поверхность кубических элементов, заполняющих объем, равный 1 см³, при размере ребер каждого элементарного кубика 1 мм будет 60 см², при размере 10^-2 мм достигает 6 м², а при размере 10^-5 мм (коллоидные частицы) — 600 м². Частицы глинистых минералов, например, монтмориллонита в 1 г имеют общую поверхность около 800 м². В результате все поверхностные явления в грунтах, состоящих из глинистых частиц (< 0,005 мм), имеют во много раз большее значение, чем в грунтах, содержащих только песчаные и даже пылеватые частицы (0,05... ... 0,005 мм). Как следствие, свойства таких грунтов резко различаются. Больше того, небольшая добавка к мелким песчаным частицам всего 1...3% глинистых частиц может изменить суммарную поверхность всех частиц грунта в сотни и тысячи раз и вызвать резкие качественные изменения. Поэтому за основу классификации видов грунтов по их гранулометрическому составу принимается содержание глинистых частиц (% по массе):

Пески......<3            Суглинки . . . 10. ..30
Супеси .... 3...10     Глины.....>30

Супеси, суглинки и глины обычно объединяют в категорию глинистых грунтов. Если в глинистых грунтах содержится пылеватых частиц больше, чем песчаных, то к наименованию грунта прибавляется слово «пылеватый». Для песчаных и более крупнозернистых (крупнообломочных) грунтов применяют более детальную классификацию на виды в зависимости от их гранулометрического (зернового) состава (табл. 1.2).
Наименование грунта принимают по первому удовлетворяющему показателю в порядке их расположения.
Форма твердых частиц грунта также существенно влияет на его свойства. Глинистые частицы имеют в основном пластинчатую и даже игольчатую форму, что увеличивает удельную поверхность частиц и способствует сжимаемости
глинистых грунтов. Форма песчаных и более крупных частиц в зависимости от истории образования (генезиса) грунта может меняться в широких пределах: от очень окатанных, гладких частиц, близких по форме к шару, до неокатанных, угловатых и пластинчатых.
Общепринятого метода оценки формы частиц не существует. В большинстве случаев оценивают форму зерен «на глаз» по предложенным различными авторами таблицам конфигурации частиц.

В качестве числовых характеристик поверхности и формы частиц чаще всего используют коэффициент округленности, или окатанности  £ и коэффициент сферичности ß
Коэффициент окатанности
£ = r_i/(nR), (1.2)
где r_i — радиус кривизны отдельных участков контура частицы; n — число участков, для которых определялись радиусы г; 
R — радиус круга, вписанного в контур частицы (рис. 1.2, а) 
 

Рис 1.2. Определение коэффициентов
окатанности и сферичности частиц

Коэффициент сферичности (рис. 1.2,6)
 ß=F_ч/F_R , (1.3)
где F_ч — площадь проекции каждого зерна; F_R — площадь круга, описанного вокруг проекции зерна.
В случае идеальной формы частиц, т. е. гладких шаров, коэффициенты сферичности и окатанности равны 1. Чем больше действительная форма частиц отличается от шара, тем ß меньше единицы. 

Коэффициент £ при негладкой, например бугристой, поверхности частицы,, даже близкой по форме к шару, может быть значительно меньше 1, поэтому для обобщенной оценки формы и характера поверхности частиц предложен коэффициент формы
К_ф = £ß ,  (1.4)

который для идеального гладкого шара равен 1.
Для определения формы частиц песка их фотографируют, увеличив с помощью микроскопа. Чтобы получить осредненные данные, коэффициент формы определяют для 50... 300 частиц.
Основным недостатком описанных способов является то, что коэффициенты £ и ß определяют по плоскостному изображению частиц. Частицы с ярко выраженными систематическими отклонениями формы от шарообразной, например при пластинчатой форме, укладывают на предметное стекло микроскопа определенной плоскостью поверхности, в этом случае всегда получается только «однобокое» изображение. Более достоверны объемные характеристики, например:
ß=F'_ч/F'_R ,  (1.5)
где F'_ч — площадь поверхности частицы; F'_R — площадь поверхности равного ей по объему или массе шара. Однако доступных методов прямого определения F'_ч не имеется.