Принципи визначення гранулометричного складу ґрунтів

Дотепер у практиці лабораторних випробувань є ряд методів гранулометричного аналізу ґрунтів, основаних на різних принципах. Нижче описуються лише ті з них, які найширше використовуються в дорожньо-будівельних лабораторіях.

Ситовий метод полягає в розділенні уламків і частинок ґрунту по величині шляхом просіювання його через набір сит із отворами різного діаметру. Залишки на ситах зважуються і відносяться до загальної наважки ґрунту. Ситовий метод застосовується лише для визначення вмісту частинок більше 0,1 або 0,07 мм.

Метод відкаламучування ґрунтується на врахуванні швидкості падіння частинок у спокійній воді після їх скаламучування, оскільки великі частинки швидше осаджуються у воді, а дрібні – повільніше.

Найбільшого поширення набув метод відкаламучування, розроблений А.Н. Сабаніним. У дрібних піщаних і супіщаних ґрунтах ним виділяються наступні фракції частинок (в мм): 0,25 - 0,05, 0,05 - 0,01 і менше 0,01.

Для ґрунтів із значною кількістю глинистих частинок відкаламучування робиться рідко через дуже малу швидкість осідання цих частинок.

Метод відбору проб суспензії піпеткою (піпеточний метод) також базується на врахуванні швидкості падіння частинок у спокійній воді. У цьому випадку приготовану суспензію зкаламучують і залишають у спокої на деякий час, після чого піпеткою (об'ємом 20 – 30 см³) відбирають з визначеної глибини пробу суспензії. Така проба містить лише ті частинки, які не встигли осісти за вказаний час відстоювання. При наступних пробах, взятих піпеткою через більші проміжки часу від початку відстоювання суспензії, отримують дрібніші частинки. Визначивши масу висушених проб і знаючи розмір відібраних частинок ( що розраховується по строку відставання суспензії та глибині взятих проб), після перерахунку отримаємо данні про вміст частинок цього розміру в усьому об’ємі суспензії.

Ареометричний метод передбачає заміри густини суспензії, що відстоюється, через зазначені проміжки часу за допомогою ареометра. Густина виміряна ареометром, залежить від вмісту твердих частинок в суспензії. Чим вище вміст їх у суспензії тим вище її густина. Отримавши значення густини, що зменшується, через задані проміжки часу, за допомогою розрахункових формул чи номограм, вираховують кількість частинок зазначеного розміру, відповідаючій часу взятого відліку.

4.3.2. Пластичні властивості зв’язних ґрунтів

Дрібнозернисті ґрунти (особливо глинисті мінерали) мають велику специфічну поверхню й тим самим спроможність зв’язувати велику кількість води.

Таблиця 5. Відношення пластичності в функції індексу пластичності I_р (SN 670 008, 1997)

Пластичність	Індекс (число) пластичності I_р
Не пластичні	0…4
Мало пластичні	4…7
Приблизно пластичні	7…10
Пластичні	10…20
Дуже пластичні	>20

Пластичність ґрунту (таблиця 5) визначається через число (індекс) пластичності I_р як різниця вмісту води за масою на границі текучості й розкочування (рис. 7):

Рис. 7. Вміст води, індекси ліквідності та консистенції зв’язного ґрунту: границя текучості W_L ґрунту – це та вміст води за масою, при якій матеріал переходить від в’язко-текучого до пластичного стану. Аналогічно позначається границя розкочування W_Р – це перехід від пластичного до напівтвердого стану.

Границя текучості й розкочування визначаються згідно SN 670 345, 1989. Це дозволяє дрібнозернисті ґрунти, або дрібнозернисту складову крупнозернистого ґрунту визначати однією групою класифікації ґрунтів SN 670 005, 1997 (польові випробовування), та SN 670 008, 1997 (лабораторні випробовування).

На основі границі текучості й розкочування й відомого природного вмісту води W в ґрунті можна визначити наступні признаки, що знайдуть застосування в ґрунтовій механіці. (рис. 8):

Показник консистенції (consistency index): .

Відносна консистенція (relative consistency:) .

При I_c = 0 ґрунт має текучий стан, а при I_c =1 він пластичний.

В подальшому можна визначити так звану границю усадки W_S. При випробовуванні зразок з природною вологістю зазнає зменшення об’єму (усадка) при висиханні, а при досягненні деякої вологості об’єм залишається сталим.

Рис. 8. Діаграма пластичності до лабораторних класифікацій мілко зернистого ґрунту (SN 670 008, 1997)

Таблиця 4.7. Класифікація глинистих ґрунтів за пластичними властивостями

№ п/п	Різновид глинистих ґрунтів	Число пластичності, І_р	Вміст піщаних часток (2-0,5 мм), %
	Супісок : · піщанистий; · пилуватий.	1-7 1-7	≥50 <50
	Суглинок: · легкий піщанистий; · легкий пилуватий; · важкий піщанистий; · важкий пилуватий.	7-12 7-12 12-17 12-17	≥40 <40 ≥40 <40
	Глина: · легка піщаниста; · легка пилувата; · важка.	17-27 17-27 >27	≥40 <40 не регламентується

Піщані ґрунти водонепроникні і не схильні до накопичення вологи при промерзанні. Проте через малу опірність розмиву дощовою водою і розвіюванню вітром укоси насипів і виїмок в піщаних ґрунтах необхідно укріплювати.

Супіщані ґрунти містять невелику кількість глинистих частинок, достатню для додання їм зв'язності в сухому стані. При зволоженні супіщані ґрунти зберігають опір навантаженням, необхідне для стійкості земляного полотна.

Глинисті ґрунти володіють значною зв'язністю і дуже малою водопроникності, в зв’язку з чим вони поволі насищаються водою і також поволі просихають. Ущільнені при оптимальній вологості глинисті ґрунти практично водонепроникні і мало схильні до здимання.

Пилуваті ґрунти з великим звістом дрібних фракцій (менше 0,25 мм) схильні зимовому вологонакопиченню, морозному здиманню і володіють великою величиною капілярного підняття, унаслідок великої поверхневої активності дрібних частинок.

Органічні ґрунти - торфи і мули - володіють значною схильністю до об'ємних змін при коливаннях вологості.

До особливих ґрунтів належать: торф та заторфований ґрунт, сапропель, мул, лес, аргіліт та алевроліт, мергель, глинистий мергель, трепел, тальковий та пірофілітовий ґрунт, дочетвертичні глинисті ґрунти, глинистий сланець і сланцева глина, чорнозем, техногенний ґрунт.

Чорноземи - ґрунти з вмістом гумусу і рослинних залишків, які розклалися, досягають у верхньому шарі 10 % та мають зернисту і грудкувату структуру. Чорнозем містить велику кількість пилуватих і глинистих часток, відрізняється підвищеною вологоємкістю, липкістю, пластичністю; при зволоженні різко набухає і знижує міцність на стиск.

Визначення типу ґрунту

Ґрунт визначається згідно параметрів матеріалу (класифікація за зерновим складом, пластичність, вміст органічної складової) та його стану (консистенція, щільність, чутливість). Класифікація ґрунтів в модельних класах робить очікувані властивості видимими і служать як основа для проектування інженерних конструкцій.

Позначення	Англійська	Українська
Складові частини ґрунту
G	Gravel	Щебінь
S	Sand	Пісок
M	Silt	Дрібнозернистий пісок
C	Clay	Глина
O	Organic	Органіка
Pt	Peat	Торф
Гранулометричний склад
W	Well graded	Добре фракціонований
P	Poorly graded	Погано фракціонований
Пластичність
L	Low	Низька
H	High	Висока

Таблиця 7. Символи для визначення характеристик ґрунту (SN 670 008, 1997). Для L – границя текучості менше, а для Н – більша за 50%.

Швейцарські норми для ідентифікації ґрунтів ґрунтуються в головному на американській класифікації ґрунтів USCS (ЗКСҐ), яка пухкі породи групує по гранулометричному складу, наявність органічних домішок та пластичних властивостей (таблиця 7).

ЗКСҐ класифікація описує ґрунт через групові символи, що складається з однієї або двох подвійних букв, в залежності від дрібнозернистості та з огляду на діаграму пластичності (рис. 36). Це додається через групову назву, яка додатково містить в собі розрахунок гранулометричного складу (таблиця 6).

Доля мілких фракцій визначається гранулометричний склад менший за 0,06 мм (глинисті фракції та фракції дрібнозернистого піску). Дрібнозернисті ґрунти містять в собі більше 50% мілкої фракції (d₅₀<0,06 мм). В щебені та піску менше 50% дрібнозернистих фракцій (d₅₀≥0,06 мм). Якщо ґрунтова маса складається зі щебеню чи піску без, або з малим вмістом мілко зернистої фракції (тобто коли d₅>0,06 мм), то можна таку породу називати чистою. Щебінь чи пісок визначається як добре фракціонований, коли умови відповідають таблиці 8.

	Щебінь	Пісок
Ступінь нерівномірності	С_u≥4	С_u≥6
Число кривизни	1≤С_c≤3	1≤С_c≤3

Таблиця 8. Критерії для фракціонування щебеню й піску (SN 670 008, 1997)

SN 670 009 (1995) визначається геологічними термінами для, знайденої при зондуванні чи розвідці, пухкої породи, та доповнюється геотехнічною класифікацією пухкої породи згідно ЗКСҐ. Ця генетична класифікація дає особливі вказівки про щільність ґрунту, його структуру й ступінь однорідності.

SN 670 010 (1998) дає для кожного типу ґрунтів згідно ЗКСҐ діапазон розкиду гранулометричного стану; середнє значення стандартної похибки ґрунтових характеристик; реалістичні граничні значення водопроникності та геотехнічні описи в таблиці 6.

Значення в таблиці 6 не повинні безоглядно використовуватись. Для великих й амбіційних будівельних проектів, а також у випадках, коли помилкова оцінка підстилаючи ґрунтів і міцності на зсув може призвести до тяжких наслідків, потрібно виконувати ґрунтовні дослідження ґрунтів. Важливо завжди мати достатню інформацію щодо водного режиму (ґрунтові води, скріплена вода, вода в порах під надлишковим тиском, гідродинамічний тиск), що спостерігається при проблемах стійкості та суфозії.