Методы определения гранулометрического состава грунта

Гранулометрический состав ― относительное содержание в грунте различных элементов. Элементами считаются мельчайшие частицы, не агрегированные между собой. Их количество влияет на физические свойства материала, а значит, и на возможности его применения.

Какие существуют элементы грунта

Элементы грунта – это неделимые частицы, связанные между собой химически. Классифицируются по нескольким параметрам: качественному составу (органические, неорганические и смешанные), агрегатному состоянию (твёрдые или аморфные), шершавости (гладкие и неокатанные). Но основной параметр ― диаметр такого зерна.

Виды элементов по размеру:

• Валуны и глыбы (от 20 см и выше).
• Галька и щебень (6–20 см).
• Гравий и дресва (2–10 мм).
• Песок (0,05–2 мм).
• Пылеватые и глинистые (0,002–0,05 мм).
• Ил (0,0001–0,001).
• Коллоидные (<0,0001).

Из них валуны и галька относятся к окатанным элементам, а глыбы и щебень ― нет. Близкие по величине крупинки вместе образуют фракции, к примеру: крупная галька (10–20 см), мелкая галька (1-6 см), средняя галька.

По более простой классификации элементы мельче 0,01 мм относятся к физической глине, а крупнее ― к физическому песку. Для земель всё это вместе объединяется под названием мелкозёма, а крупинки больше 1 мм называются скелетом почвы.

Что такое агрегаты в почве

Мелкие частички под действием связующих веществ иногда объединяются в более крупные. Это влияет на качество грунта: меньше проседает, лучше пропускает воду, становится плодороднее за счёт улучшения воздухообмена. Такие агрегаты делятся на две группы.

Макроагрегаты

Это комплексы из первичных частиц грунта, превышающие размером 0,25 мм. Могут достигать в обхвате 1 м, но в среднем это куски породы от 2,5 до 10 см. Среди них есть конгломераты (состоящие из обкатанных элементов) и брекчии (из неровных осколков).

Микроагрегаты

К ним относятся комплексы меньше 0,25 мм. Они сильно подвержены влиянию среды: при уменьшении влажности легко распадаются до первичных элементов.

Микроагрегатный состав определяется в дополнение к гранулометрическому. Два одинаковых по составу гранул материала при наличии в одном из них микроагрегатов ведут себя по-разному.

Какие бывают грунты по гранулометрическому составу

Рассмотрим 3 главных типа.

Крупнообломочные

Это грунты с фракцией выше 2 мм: валунный, галечниковый, гравийный. Соответствующий элемент должен составлять больше половины.

Более мелкие элементы тоже входят в состав. Если их доля превышает порог (для разных частиц от 25 до 50%), то они упоминаются в названии ― «песчано-гравийная смесь».

Песчанистые

Здесь диаметр крупинок колеблется в интервале от 0,1 до 2 мм. Песчанистые грунты делятся по фракциям и по однородности.

Глинистые

Грунты, состоящие из крупиц менее 10 мкм, называются глинистыми. В них присутствуют и более крупные зёрна. По содержанию глинистых включений глинистые почвы подразделяют:

• на супесчаные (до 10%);
• суглинистые (10–30%);
• глины (30% и выше).

Остальное занимают пылеватые и песчаные частицы.

Какими способами определяют фракционный состав грунта

Фракционный состав определяется прямыми и косвенными способами. Чтобы определить его напрямую, нужно замерить диаметр самих частиц. Методика применима для крупнообломочных пород, но в остальных случаях трудоёмка и затратна, поскольку для её осуществления требуется сложное оптическое оборудование.

Поэтому косвенные способы гранулометрии распространены гораздо больше. Рассмотрим научные методики анализа, которые применяют в лабораториях, а после обговорим, как можно предварительно отличить разные типы почв «на глаз».

Как точно узнать гранулометрический состав грунта

Есть три основных лабораторных способа установить пропорциональное содержание различных фракций в грунте: ситовый, ареометрический и пипеточный. Что они собой представляют и где используются?

Ситовый метод

Применяется в работе с фракциями больше 0,1 мм ― то есть, с песчанистыми и крупнообломковыми материалами. Порядок работы:

1. Растолочь образец в ступке, чтобы разбить комья до первичных частиц.
2. Пропустить образовавшуюся однородную массу последовательно через несколько сит с ячейками от 10 до 0,1 мм (от самой разреженного сетки к самой частой).
3. Каждую фракцию (сначала крупнее 10 мм, затем ― крупнее 5, но меньше 2, и т. д.) мыть проточной водой, пока смыв не будет прозрачным.
4. Крупицы раскладывают по группам, сушат, взвешивают.
5. Фракционный состав считают в процентах: вес каждой группы делят на суммарный вес всех групп и умножают на 100.

Ареометрический метод

Для грунтов с размером зерна до 0,1 мм применяется ареометрический метод. Ареометр ― это прибор, определяющий плотность жидкостей, поэтому пробу сначала разводят в воде. Для этого используются гранулы, прошедшие самое мелкое сито 0,1 мм, оставшиеся гранулы промываются водой. Берут около 30 граммов такого смыва и доливают туда 0,2 л дистиллированной воды.

Последний компонент суспензии ― 25-процентный аммиачный раствор. После она кипятится (суглинистые почвы в течение часа, остальные ― получаса) и охлаждается. Для стабилизации к ней добавляют раствор Na₄P₂O₇.

Смесь встряхивают. Для выяснения грансостава плотность данной смеси замеряется погруженным в неё ареометром через заданные временные интервалы (по мере оседания частиц: 1 мин, полчаса, 11 часов) и затем используется в формуле для расчёта соответствующих фракций, мм:

• 0,05–0,1;
• 0,01–0,05;
• 0,002–0,01.

Пипеточный метод

Смесь готовится по примеру предыдущей методики. Ёмкость с нею встряхивается, после осаждения туда погружается особая пипетка с отверстиями по бокам, присоединённая к аспиратору и колбе, заполненной дистиллированной H₂O.

Тяжёлые гранулы (меньше 0,05, но больше 0,01) оседают вниз, более лёгкие и мелкие (от 0,001 до 0,002) плавают наверху. Гранулы средней фракции занимают пространство в толще суспензии. Соответственно, нужно забрать пробы на разной глубине (7, 10, 25 см), каждую затем просушить и взвесить, чтобы потом определить долю от общей массы.

Как приблизительно оценить грансостав грунта

Узнать гранулометрический состав, не прибегая к помощи лабораторий, можно только приблизительно: настолько, чтобы отнести грунт к тому или иному типу ― без точных пропорций. Обычно это нужно для мелкофракционных глинистых и песочных почв.

На ощупь

Самый простой способ ― растереть щепотку земли между пальцами. Глинистая не рассыпается, частички более мелкие, масса более однородная. Суглинистая более грубая, в ней можно различить крупинки песка. Супесчаная содержит гораздо меньше пылеватых и пластичных элементов.

Лепкой

Намочите образец и попытайтесь скатать в шар или «колбаску». Что вы будете наблюдать:

• глина, просохнув, сохранит форму, которую ей придали;
• из суглинка получится сделать «колбаску», но она растрескается снаружи и, вероятно, после высыхания распадётся совсем;
• с песком ничего не выйдет, он рассыпчатый и нелипкий.

Взвесью в воде

Положите пробу в банку с водой. Песочный компонент будет осаждаться в нижнем слое, глинистый ― наверху. Затем замерьте высоту всего осадка и его песчаной составляющей, посчитайте соотношение в процентах.

Так, если общая высота ― 10 см, а песок занимает 2,5 см, то его объём в грунте составляет где-то 25%. Соответственно, оставшиеся 75% ― глина. Такая пропорция характерна для глинистой почвы.

Напоминаем, что изложенные выше три способа неточны. При подготовке серьёзных работ на местности необходимо заказывать определение гранулометрического состава почвы в лаборатории. Какие это работы и какие требования предъявляются к грунтам для каждой из них?

Где можно использовать грунты, в зависимости от их фракционного состава

От соотношения зёрен разного диаметра в грунте зависит множество его показателей: пористость, способность пропускать и удерживать воду, вес, просадочность, прочностные характеристики. По этой причине гранулометрический состав грунта нужно учитывать как при его закупке в качестве стройматериала, так и в ходе строительной экспертизы на будущем объекте.

Рассмотрим основные сферы применения и виды грунтов, которые для них подходят.

Закладка фундамента или строительство дороги

Иногда хватает того грунта, который уже есть на месте (обычно он песчанистый или глиносодержащий, реже это скальная порода). Иногда почву нужно укреплять привезённым материалом или менять целиком, если она не подходит. Не подходят под фундаменты и дорожные полотна слишком мелкие фракции: мелкопесчаные почвы, лессы, лессовидные суглинки.

Самой крепкой основой служат грунты из гальки и щебня. Большие частицы более устойчивы к высоким нагрузкам, сквозь них хорошо проходит вода. Но кроме них в материале должны содержаться разные фракции ― тогда он лежит более плотно, меньше сдвигается.

Глина ― удачный материал для основания, поскольку её зёрна скрепляет коллоидная связь, связывая массу воедино, придавая пласту твёрдость. Она обладает малой водопроницаемостью. Минусы: колебания объёма, распирание в условиях высокой влажности и на морозе.

Разравнивание территорий

Эту задачу хорошо решают однородные мелкофракционные грунты ― песчаные, суглинистые, супесчаные, мелкогравийные, мелкие дресвы.

Заполнение пазух фундамента

Здесь основной критерий ― меньшая водопроницаемость, чем у остального грунтового основания. Поэтому снова подойдут любые мелкозернистые грунты.

Гидроизолирующая прослойка

Например, необходима при обустройстве колодцев. Глинистая земля будет в самый раз, так как хорошо уплотнится и не будет пропускать влагу.

Засыпание углублений

Канавы, ямы, прочие неровности в рельефе засыпаются любым дешёвым грунтом, например, котлованным. Каналы с трубами заполняются песком, гравием, дресвой ― неразбухающими материалами.

Временные и грунтовые дороги

Для грунтовки оптимальны заполнители со средним диаметром частиц 0,2–1 см. Это гравийные, галечные, дресвяные материалы. Высокое содержание глинистых и мелких песчаных частиц нежелательно, они быстро вымываются, что нарушает целостность дорожного покрытия.

Крупным песком или супесью можно заполнить дороги на время, если не предполагается проезд по ним тяжёлого транспорта.

Создание обочин и насыпей

Можно задействовать любые грунты, кроме галечных. Окатанные крупицы имеют худшее сцепление, такие насыпные сооружения будут съезжать.

Упрочнение почвы

Крупнообломочные материалы (щебёнка, гравий, галька) проседают меньше всего, особенно если неоднородны по грансоставу.

Приготовление бетонных растворов

Бетон низких марок делается на основе крупнообломочных грунтов: гравийного, щебёночного. Допустимо наличие в них песка. Главное, чтобы они не содержали пыли и частиц глины. Такие включения покрывают обломки крупного диаметра, ухудшая их сцепление друг с другом.

Обращайтесь в строительную лабораторию SATIS EXPERT за детальным испытанием, особенно если вам предстоят такие ответственные работы, как возведение бетонных конструкций.