Надежность фундаментов, удешевление работ по их устройству в значительной степени зависят от умения грамотно установить инженерно-геологические условия площадок строительства и свойств грунтов основания. Для этого нужно правильно их классифицировать (определить наименование).
Краткое содержание статьи
Визуально-тактильный метод определения типа грунта
Визуальные методы описаний являются основой качества инженерно-геологических работ. Непосредственно в поле специальные манипуляции позволяют классифицировать глинистые и песчаные породы. С этой целью свежие образцы грунта режут ножом, скатывают в шнур, кольцо, шарик, растирают породу на ладони.
Таблица 4
| Породы | Ощущение при растирании породы пальцами на ладони руки | Виды растертой массы на ладони, при наблюдении в лупу, а также простым глазом | Состояние сухой породы | Состояние влажной породы | Отношение породы к скатыванию | Другие признаки |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Глина | Очень трудно растираются в порошок | Однородная тонкопорошковая масса, не содержащая частиц крупнее 0,25 мм | Твердые комья не рассыпаются от удара молотком в порошок и при давлении рукой | Пластичное, липкое и мажущее | При раскатывании образует прочный длинный шнур диаметром менее 1 мм. Легко скатывается в шарики. При их сдавливании в лепешку края последней не трескаются | При резании ножом в сыром состоянии дают гладкую поверхность, на которой не видно песчинок |
| Суглинки | Растертая на ладони масса не дает ощущения однородного порошка | Среди преобладающих пылевато-глинистых частиц ясно видны песчаные частицы крупнее 0,25 мм | Комья легко разваливаются при ударе молотком и при давлении рукой | Пластичное | Может скатываться в длинный шнур диаметром более 1 мм. Скатывается в шарики, которые при сдавливании в лепешку трескаются по краям | То же, но чувствуется присутствие песчинок |
| Супесь | Неоднородный порошок, в котором явно чувствуется присутствие песка | Преобладают песчаные частицы крупнее 0,25 мм, более мелкие являются примесью | Комья легко рассыпаются от давления рукой и при растирании | Слабо пластичное | Трудно скатывается или нескатывается шнур. Шарик образует трещины на поверхности и осыпается | При резании ножом в сыром состоянии дают шероховатую поверхность |
| Песок | Ощущение песчаной массы | Состоит нацело из зерен песка | Сыпучее | При переувлажнении переходит в текучее состояние | Не скатывается в шнур и в шарик |
Полевой метод гранулометрического исследования грунта
Полевой метод отмучивания (метод Рутковского) применяют для определения процентного содержания песчаных частиц в глинистых грунтах. Он позволяет выделить три основные группы фракций: песчаную, пылеватую и глинистую, без тщательного определения размеров частиц внутри каждой группы.
Данный метод является приближенным и наиболее прост в полевых условиях. Он основан на определении содержания в грунте:
- глинистых частиц — по их способности набухать в воде и увеличиваться в объеме;
- песчаных частиц — на учете различной скорости падения в воде. Песчаные частицы как более крупные выпадают в осадок раньше глинистых.
Метод отмучивания буквально означает следующее: грунт нужно залить водой и взмутить. Для определения количества глины подождать сутки или двое пока она набухнет и посмотреть, как грунт увеличился в объеме. Для определения количества песка мутную воду слить и посмотреть, сколько песка осталось в осадке.
Исследование производят в мерной мензурке, перемешивают грунт стеклянной палочкой (рис. 6).
Грунт доводится до воздушно-сухого состояния и осторожно растирается в порошок резиновым пестиком в ступке.
Если грунт содержит частицы крупнее 5 мм, то сначала производится ситовый анализ. Растертая проба грунта взвешивается и пропускается через сита 2; 1 и 0,5 мм для выделения фракций более 2 мм; от 2 до 1 мм и от 1 до 0,5 мм и менее. Данные заносятся в таблицу приведенную в качестве примера в описании ситового метода (см. ниже).
Если грунт крупных песчаных частиц не содержит, то высушенную и растертую пробу без ее взвешивания пропускают через сито 0,5 мм. Далее в анализе участвует грунт с размерами частиц мене 0,5 мм.
Общий объем просеянного для анализа грунта составляет 30–40 см³. Проба для исследования выделяется квартованием. Для этого распределяют грунт тонким слоем по листу плотной бумаги, проводят ножом (линейкой или шпателем) в продольном и поперечном направлениях борозды, разделяя поверхность грунта на квадраты, и отбирают понемногу грунт из каждого квадрата.
Определение содержания глинистой фракции (диаметр частиц менее 0,005 мм)
1. Подготовленный для анализа грунт засыпают в мензурку (емкостью не менее 100 см³) в таком количестве, чтобы после уплотнения постукиванием 15–16 раз о мягкое основание (ладонь, книгу, тетрадь) в цилиндре получился постоянный объем пробы VН = 10 см³.
2. Грунт в мензурке разрыхляется, доливается 50–60 см³ водопроводной или профильтрованной дождевой (речной) воды и
производится перемешивание суспензии стеклянной палочкой с резиновым наконечником до тех пор, пока на стенках мензурки не перестанут образовываться мазки глины.
3. Для того, чтобы частички глины не слипались друг с другом (коагулировали) к полученной суспензии прибавляется 2,5–3 см³ раствора хлористого кальция (концентрация 5,5 г СаСl2 на 100 см³ воды). Суспензия размешивается, в нее добавляется вода для заполнения мензурки до 100 см³, после чего суспензия оставляется для отстаивания на 24–48 часов.
4. После отстаивания по делениям на мензурке определяется объем набухшего грунта. Содержание глинистых частиц в грунте n (%) вычисляется по
эмпирической формуле:
VK — VH
n = 22,7 ×
VH
где VН — начальный объем грунта до набухания, (10 см³); VК — объем грунта после набухания, см³; 22,7 — эмпирический коэффициент.
Определение содержания песчаных частиц
1. Берется та же мензурка, в которой определялось набухание глинистого сырья (с тем же грунтом и водой). Проба тщательно размешивается стеклянной палочкой, далее отстаивается 90 секунд (из расчета, что частицы песка размером более 0,05 мм проходят 1 см пути за 5 секунд). По истечении указанного времени суспензию в объеме 70–75 см³ выливают в стеклянную банку, причем необходимо следить за тем, чтобы уже осевшие на дно частицы не поднимались и не оказались слитыми.
2. Оставшуюся суспензию снова доливают водой до 100 см³, взмучивают и сливают через 90 секунд то же количество в ту же банку. Отмучивание производят до тех пор, пока жидкость не станет прозрачной. После этого доливают воду до 30 см³, взмучивают и через 30 секунд вновь сливают в цилиндр всю жидкость над осадком песчаной фракции, и так далее до полного осветления жидкости.
3. После окончания отмучивания доливают мензурку водой до 100 см³, дают песку отстояться и определяют его объем (в см³). Принимая, что 1 см³ осевших частиц равен 10% первоначальной пробы, вычисляют количество песка умножением величины объема осадка (в см³) на 10.
Определение содержания пылеватых частиц
Определение производят по разности между 100% и количеством в процентах глинистых и песчаных частиц, результаты анализа заносят в таблицу.
| Фракции грунта, % | Сумма | ||
|---|---|---|---|
| Пыль | Глина | Песок | |
| 100% | |||
Классифицировать грунт по таблице 2 предложенной Охотиным В.В.
Недостатком метода Рутковского является прямо пропорциональная зависимость между величиной набухания и содержанием глинистых частиц в породе. В действительности эта зависимость значительно сложнее, так как объем набухшей в воде породы определяется не только количеством глинистых частиц, но также их минеральным составом (содержанием каолинита, монтмориллонита, гидрослюды и т. д.). Анализ по Рутковскому не подходит для неразбухающих в воде глин.
Гранулометрический анализ грунтов ситовым методом
Гранулометрический (зерновой) состав грунта определяют по суммарному содержанию в нем частиц различной крупности, выраженных в процентах по отношению к массе сухой пробы грунта, взятой для исследования. Определение гранулометрического состава грунта заключается в его разделении на фракции и установлении их процентного содержания.
Для определения гранулометрического (зернового) состава крупнообломочных и песчаных грунтов используется ситовый метод (ГОСТ 12536-79). Он является основным в практике инженерно-геологических исследований. Исследование производится при помощи стандартного комплекта сит (рис.5).
Этот метод позволяет определять содержание в грунте фракций диаметром более 0,1 мм, не требует применения сложной аппаратуры, прост для использования и дает достаточно точные результаты. Сущность метода заключается в рассеве пробы грунта при помощи стандартного комплекта из семи сит с отверстиями диаметром 10; 5; 2; 1; 0,5; 0,25; 0,1 мм. Последние два сита применяются обычно при ситовом анализе с промывкой водой, которому подвергают глинистые пески. Для устранения загрязнения мелких сит применяют сжатый воздух.
Перед началом исследования гранулометрического состава песчаных грунтов сухим ситовым методом образец грунта доводят до воздушно-сухого состояния. Комки грунта растирают резиновым пестиком (разделяющим, но не дробящим частицы) в фарфоровой ступке.
1. Среднюю пробу для исследования отбирают методом квартования.
Масса средней пробы должна составлять:
- для грунтов, не содержащих частиц размером более 2 мм, — 100 г;
- для грунтов, содержащих до 10% (по массе) частиц размером более 2 мм, — не менее 500 г;
- для грунтов, содержащих от 10 до 30% частиц размером более 2 мм, — 1000 г;
- для грунтов, содержащих свыше 30% частиц размером более 2 мм, — не менее 2000 г.
2. Отобранная проба взвешивается на весах с точностью до 0,01 г.
3. Сита с отверстиями диаметром 10; 5; 2; 1; 0,5 мм монтируют в колонку в порядке увеличения отверстий. На верхнее сито надевают крышку, на нижнее — поддон. При просеивании пробы весом более 1000 г следует высыпать грунт в верхнее сито в два приема.
Взвешенную пробу грунта просеивают сквозь набор сит с поддоном ручным способом путем неоднократного встряхивания. Фракции грунта, задержавшиеся на ситах, высыпают, начиная с верхнего сита, в ступку и дополнительно растирают пестиком с резиновым наконечником, после чего вновь просеивают на этих же ситах. Полноту просеивания фракций грунта проверяют встряхиванием каждого сита над листом белой бумаги. Если при этом на лист выпадают частицы, то их высыпают на следующее сито. Просев продолжают до тех пор, пока на бумагу перестанут выпадать частицы.
4. Фракции грунта, задержавшиеся после просеивания на каждом сите и прошедшие в поддон, следует перенести в заранее взвешенные фарфоровые чашечки и взвесить. Каждая чашечка с грунтом взвешивается на весах с точностью до 0,01 г. Допустимо использование одной и той же фарфоровой чашечки при последовательном взвешивании фракции.
Для контроля качества проведенного исследования, сравнивают суммы масс всех фракций с первоначальной общей массой грунта. Если полученный процент потерь более 1%, то исследование нужно повторить. Если менее 1%, то разницей можно пренебречь или распределить ее по всем фракциям пропорционально их массе.
5. В результате исследования должна появиться примерно вот такая таблица, которую нужно сравнить с таблицей 1 классификации крупно- и мелкообломочных грунтов.
| Вес | Фракции грунта, % | Сумма | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| >10 | 10–2 | 2–0,5 | 0,5–0,25 | 0,25–0,10 | <0,10 | ||
| Результаты взвешивания каждой фракции, г | |||||||
| Процентное содержание каждой фракции, % | |||||||
Для установления наименования грунта последовательно суммируется процентное содержание частиц исследуемого образца. Сначала крупнее 200 мм, затем крупнее 10 мм и т.д. Наименование грунта принимается по первому удовлетворяющему показателю.
При определении гранулометрического (зернового) состава песчаных грунтов ситовым методом с промывкой водой применяют водопроводную или профильтрованную дождевую (речную) воду. Главное отличие от сухого ситового метода в том, что грунт предварительно промывают водой.
1. Повторить пункты 1 и 2 сухого ситового метода.
3. Пробу грунта высыпать в заранее взвешенную фарфоровую чашку, смочить водой и растереть пестиком с резиновым наконечником. Затем залить грунт водой, взмутить суспензию стеклянной палочкой и дать отстояться 10–15 с. Слить воду с вместе с не осевшими частицами (взвесь) сквозь сито с отверстиями размером 0,1 мм. Взмучивание и сливание производить до полного осветления воды над осадком. Оставшиеся на сите частицы смыть водой из резиновой груши в фарфоровую чашку с исследуемым грунтом. Дать отстояться. Отстоявшуюся воду слить.
4. Промытую пробу грунта высушить до воздушно-сухого состояния и взвесить чашку с грунтом.
5. Вес частиц грунта размером менее 0,1 мм (взвесь слитая при промывке) определить по разности между первоначальным весом пробы, взятой для анализа, и весом высушенной пробы грунта после промывки.
6. Повторить пункты 3, 4, 5 сухого ситового метода с полным набором сит диаметром 10; 5; 2; 1; 0,5; 0,25; 0,1 мм.
Если при оценке гранулометрического состава ограничиваются выделением частиц грунта с размерами более 0,1 мм, то ситовый метод применяется как самостоятельный. Если же при оценке гранулометрического состава грунта выделяются частицы с размерами менее 0,1 мм, то является комбинированным с выделением пылеватой и глинистой фракций. Для этого в комплексе с ситовым методом используются методы отмучивания, ареометрический, пипеточный и другие методы.
Гранулометрический анализ грунтов ареометрическим методом
Ареометрический метод является основным при гранулометрическом анализе грунтов используемых в строительных целях. Он основан на измерении ареометром плотности суспензии в процессе ее отстаивания. Этим методом определяет содержание любых частиц размером менее 0,25 мм. Фракции с содержанием частиц крупнее 0,25 мм определяют предварительно ситовым методом. Под суспензией понимается специально приготовленный раствор, состоящий из воды и взвешенных в ней элементарных частиц грунта.
При проведении анализа так же как в методе Б. И. Рутковского используют зависимость, установленную Дж. Стоксом, между размером частиц и скоростью их падения в воде. При подготовке проб грунта к испытаниям для устранения влияния коагуляции производят специальную химическую обработку суспензии (стабилизацию), исключающую слипание частиц.
Анализ выполняется с помощью ареометра со шкалой 0,995–1,030 и ценой давления 0,001 (рис.7), устройство которого основано на законе Архимеда. Он состоит из луковицы, заполненной дробью, и стержня с измерительной шкалой. Ареометр погружается в суспензию и по его шкале через определенные промежутки времени делают отсчеты. Чем больше концентрация суспензии, тем больше её плотность и тем меньше глубина погружения ареометра. При отстаивании суспензии частицы грунта падают на дно сосуда и плотность суспензии уменьшается. Соответственно ареометр по мере выпадения частиц и снижению плотности жидкости постепенно погружается в суспензию глубже и глубже.
По результатам этих определений устанавливают размер фракций. Затем, с помощью простейших построений и расчетов устанавливают процентное содержание в исследуемом грунте частиц различной крупности, то есть гранулометрический состав грунта.
Отобрать методом квартования среднюю пробу грунта весом около 200 г находящуюся в воздушно-сухом состоянии. Также отобрать пробы грунта весом не менее 15 г для определения природной влажности и удельного веса.
Если грунт содержит частицы крупнее 10 мм, то сначала произвести ситовый анализ. Растертую пробу грунта взвесить и просеять через сита 10; 5; 2; 1 мм. Взвесить фракции грунта, задержавшиеся на ситах и прошедшие в поддон и занести результат в таблицу приведенную в качестве примера в описании ситового метода (см. выше).
Если в образце нет крупных частиц, то просеивание сквозь сита с размером отверстий 2 мм и более не делать, а сразу просеивать через сито 1 мм.
Из грунта, прошедшего сквозь сито с размером отверстий 1 мм отобрать методом квартования среднюю пробу, и взвесить ее в фарфоровой чашке с известной массой. Далее в исследовании участвует грунт с размерами частиц менее 1 мм.
Вес средней пробы должен быть для глин около 20 г, для суглинков — около 30 г, для супесей — около 40 г.
1. Проверка грунта на коагуляцию.
Отобрать методом квартования пробу грунта весом около 2 г. Растереть ее с 4–6 см³ дистиллированной воды в фарфоровой чашке пестиком с резиновым наконечником. Затем долить в чашку еще 14–16 см³ дистиллированной воды и прокипятить суспензию в течение 5–10 мин. Вылить суспензию в пробирку или в мерный цилиндр емкостью 100–150 см³ и долить дистиллированную воду в таком количестве, чтобы объем суспензии был равен 100 см³ для глин, 70 см³ — для суглинков и 50 см³ — для супесей. Взболтать суспензию и оставить в покое на сутки. Если суспензия за это время коагулирует, то выпавший на дно осадок будет иметь рыхлую, хлопьевидную структуру, а жидкость под осадком будет прозрачная.
2. Подготовка грунта к анализу. Преследует цель вымывания из грунта песчаных частиц и выделения для последующего анализа частиц размером менее 0,1 мм.
Для грунта, у которого суспензия коагулирует (смывание, промывание и разбавление суспензии делать дистиллированной водой):
- среднюю пробу грунта насыпать в колбу в колбу емкостью 750–1000 см³ и добавить воду;
- жидкость взболтать и слить взвесь в стеклянный цилиндр емкостью 1 л сквозь сито с размером отверстий 0,1 мм помещенное в воронку;
- задержавшиеся на сите частицы и агрегаты грунта смыть струей воды из спринцовки в фарфоровую чашку, где их нужно тщательно растереть пестиком с резиновым наконечником или пальцем в перчатке и тоже слить образовавшуюся в чашке взвесь в цилиндр сквозь тоже сито. Растирание осадка в чашке и сливание из неё взвеси сквозь сито в цилиндр следует продолжать до полного осветления воды над частицами, оставшимися на дне чашки;
- частицы грунта, задержавшиеся на сите, добавить к частицам, оставшимся на дне фарфоровой чашки, перенести их в заранее взвешенный фарфоровый тигель или стеклянный стаканчик, выпарить на песчаной бане и высушить в сушильном шкафу до постоянного веса;
- высушенные частицы грунта просеять сквозь сита с размером отверстий 0,5; 0,25 и 0,1 мм и взвесить;
- частицы грунта, прошедшие сквозь сито с размером отверстий 0,1 мм, перенести в цилиндр с взвесью. Суспензию в мерном цилиндре долить до объема 1 л. Перед доливанием воды в цилиндр добавьте в него 25 см³ четырехпроцентного безводного пирофосфорнокислого натрия или 6,7-процентного водного пирофосфорнокислого натрия.
Для грунта, у которого суспензия не коагулирует (смывание, промывание и разбавление суспензии делать дистиллированной водой с добавлением на 1 л 0,5 см³ двадцатипятипроцентного раствора аммиака):
- среднюю пробу грунта насыпать в колбу емкостью 750–1000 см³. Остаток пробы в чашке смыть в колбу струей воды из промывалки. Долить воды в колбу, чтобы общее ее количество в десять раз превышало массу пробы;
- грунт, залитый водой, выдерживается сутки. После чего в суспензию добавить 1 см³ двадцатипятипроцентного раствора аммиака и закрыть колбу пробкой с обратным холодильником или воронкой и кипятить суспензию в течение 1 часа (кипячение не должно быть бурным). После кипячения охладить суспензию до комнатной температуры;
- охлажденную суспензию слить в стеклянный цилиндр емкостью 1 л через сито размером отверстий 0,1 мм, вставленное в воронку. При этом оставшиеся на внутренней поверхности колбы частицы грунта смываются водой;
- объём суспензии в мерном цилиндре довести до 1 литра.
3. Проведение испытания
Суспензию взболтать мешалкой в течение 1 мин до полного исчезновения осадка со дна цилиндра, не допуская выплескивания суспензии. Запустить секундомер по окончанию взбалтывания.
Первый отсчет по ареометру для определения содержания в суспензии частиц менее 0,05 мм берут через одну минуту после конца взбалтывания. Второй отсчет для определения частиц менее 0,01 мм берут через 30 мин и третий отсчет для определения частиц менее 0,005 мм берут через 3 ч после конца взбалтывания.
Осторожно опускают в цилиндр с грунтовой суспензией ареометр, который должен свободно плавать, не касаясь стенок цилиндра. Опускание ареометра в цилиндр производят за 10-12 секунд до замера плотности. Продолжительность взятия отсчета не должна превышать 5-7 секунд.
Контроль за температурой суспензии осуществляют за 5 минут до начала отсчетов и затем после взятия каждого отсчета. Если температура суспензии не равна 20°С, то к показаниям ареометра вводится температурная поправка к отсчетам по табл. 3 (ГОСТ 12536-79). Калибровка самого ареометра делается по приложению 2 того же ГОСТа.
Обратите внимание, что при первом замере ареометр покажет плотность суспензии в которой находятся частички от 0,05 мм до 0,005 мм. При втором замере частички размером 0,05 мм осядут, а ареометр замерит плотность суспензии с частиками от 0,01 до 0,005 мм. Третий замер будет произведен, когда осядут частички 0,01 мм. Поэтому при обработке результатов анализа для определения количества частиц, например, размером 0,05 мм нужно будет из суммарного количества частиц первого замера вычесть суммарное количество частиц второго замера и т. д.
4. Обработка результатов.
Прежде всего необходимо определить вес абсолютно сухой пробы грунта qo, пошедшей в анализ по формуле:
q1
qo = ,
(1 + 0,01W),
где qo — вес абсолютно сухой пробы, г; q1 — вес пробы в воздушно-сухом состоянии или природной влажности г; W — гигроскопическая или природная влажность, %.
Далее определяют вес фракций A, задержавшихся на ситах в 10; 10–5; 5–2; 2–1; 1–0,5 мм при рассеве грунта без промывки водой:
qn
A = × 100
qo
И вес фракций Z задержавшихся на ситах в 0,5–0,25; 0,25–0,1 и менее 0,1 мм после промывки:
qn
Z = × (100 – k) ,
qo
где А — вес фракций, задержавшихся на данном сите, %; qn — вес данной фракции, высушенной до постоянного веса, г; qo — вес абсолютно сухой пробы грунта, г; X — содержание промытых фракций, высушенных до постоянного веса, %; k — суммарное содержание фракций размером более 1 мм, %.
По данным замеров ареометром вычисляют суммарное содержание грунта Zc в % по формуле:
γcRn
Zc = × (100 – k) ,
γc — γвqo,
где Zc — суммарное содержание всех фракций грунта менее данного диаметра, %; γc — удельный вес грунта, г/см³; γв — удельный вес воды, равный 1 г/см³; qo — вес абсолютно-сухой пробы, г; Rn — показание ареометра с поправками; k — суммарное содержание фракций размером более 1 мм, %.
Определив суммарное процентное содержание фракций грунта с помощью ареометра, вычисляют процентное содержание каждой фракции грунта последовательными вычитаниями из большей величины меньшей. Фракцию 0,1–0,05 мм находят по разности из 100%, вычитают сумму всех фракций, определяемых с помощью ареометра и ситовым анализом.
Результаты анализа регистрируют в журналах по формам, рекомендуемым ГОСТ 12536-79.
