Методы определения гранулометрического состава грунтов (ГОСТ 12536-79)

1. Общие положения

Гранулометрическим (зерновым) составом называется весовое со­держание частиц различной крупности, выраженное в процентах по отношению к массе сухой пробы, взятой для анализа.

Выделяют шесть основных фракций (табл. 1).

Таблица 1

Фракции (частицы)	Размер частиц, мм
Валунные (глыбовые) Галечниковые (щебенистые) Гравийные (дресвяные) Песчаные Пылеватые Глинистые	Более 200 10 – 200 2 – 10 От 2 до 0,05 0,05 до 0,005 Менее 0,005

Определение гранулометрического состава заключается в разделении грунта на отдельные гранулометрические элементы. Методы определения гранулометрического состава грунтов можно разделить на прямые и косвенные.

К прямым относятся методы, основанные на непосредственном (микрометрическом) измерении частиц в поле зрения оптических и электронных микроскопов или с помощью других электронных и электронно-механических устройств. В практике прямые (микрометрические) методы не получили широкого распространения.

К косвенным относятся методы, которые базируются на использовании различных зависимостей между размерами частиц, скоростью осаждения их в жидкой и воздушной средах и свойствами суспензии. Это группа методов, основанных на использовании физических свойств суспензии (ареометрический, оптический и др.) или моделирующих природную седиментацию (пипеточный, отмучивания и др.).

Ареометрический метод основан на последовательном определении плотности суспензии грунта через определенные промежутки времени с помощью ареометра. По результатам определений рассчитывают диаметр и количество определяемых частиц по формуле или с помощью номограммы. Этим методом определяют содержание в грунте частиц диаметром менее 0,1 мм. Содержание фракций крупнее 0,1 мм определяют ситовым методом.

Устройство ареометра (рис. 1) основано на за­коне Архимеда: всякое погруженное в жидкость тело теряет в своем весе столько, сколько весит вытесненная им жидкость. При постоянном объеме тела, погруженного в жидкость, более тяжелой жидкости будет вытеснено меньше, а более легкой – больше. Таким образом в легкую жидкость тело будет погружено на большую глубину, в тяжелую на меньшую. Следовательно, чем больше концентрация суспензии, тем больше ее плотность и меньше глубина, на которую погружается в нее ареометр.

Рис.1. Устройство ареометра

При отстаивании суспензии частицы грунта, подчиняясь закону силы тяжести, падают на дно сосуда, и плотность суспензии умень­шается. Соответственно ареометр по мере выпадения частиц постепен­но погружается в суспензию глубже и глубже.

Пипеточный метод используется для определения гранулометрического состава глинистых грунтов в комбинации с си­товым. Этот метод основан на разделении частиц грунта по скорости их падения в спокойной воде. Скорость осаждения частиц (v, см/с) определяется по формуле Стокса:

где r – радиус частиц, см; γ_s – плотность частиц, г/см³; γ_w –плотность воды, г/см³; g – ускорение свободного падения, см/с²; η – коэффициент вязкости воды.

Через определенные интервалы времени пипеткой из суспензии грунта с различных глубин отбирают пробы, которые затем высуши­вают и взвешивают.

К косвенным методам также относится и полевой метод Рутковского, который дает приб­лиженное представление о гранулометрическом составе грунтов. В основу метода положены:

1) различная скорость падения частиц в воде в зависимости от их размера;

2) способность глинистых частиц набухать в воде.

С помощью метода Рутковского выделяют три основные фракции: глинистую, песчаную и пылеватую. В полевых условиях на практике этот метод целесообразно применять для определения песков пылеватых и супесей.

В особую группу выделяют методы определения размеров частиц с помощью ситовых наборов. Они занимают промежуточное положение между прямыми и косвенными методами и широко используются в практике самостоятельно или в комбинации с другими методами.

Гранулометрический состав песчаных и глинистых грунтов при исследованиях для строительства в лабораториях следует опреде­лять методами, предусмотренными табл. 2.

Ситовой метод — один из основных в практике исследований грунтов для строительства. Метод используется для оп­ределения гранулометрического состава крупнообломочных и песчаных грунтов, а также крупнозернистой части пылевато-глинистых грунтов.

Таблица 2

Грунты	Метод определения
Песчаные, при выделении зерен песка крупностью: от 10 до 0,5 мм от 10 до 0,1 мм Глинистые	Ситовой метод без промывки водой Ситовой метод с промывкой водой Ареометрический, пипеточный (применяется только для специальных целей)

Сущность метода заключается в рассеве пробы грунта с помощью набора сит. Для разделения грунта на фракции ситовым ме­тодом без промывки водой применяют сита с отверстиями диаметром 10; 5; 2; 1; 0,5 мм; с промывкой водой – сита с размером отверс­тий 10; 5; 2; 1; 0,5; 0,25; 0,1 мм. Ситовой метод с промывкой во­дой обычно применяют для определения гранулометрического состава мелких и пылеватых песков.

Гранулометрический состав грунтов является определяющим фак­тором для физико-механических свойств грунтов. От него зависят пластичность, пористость, водопроницаемость, сжимаемость, сопротивление сдвигу грунтов и др.

Гранулометрический состав служит для классификации грунтов.

2. Классификация грунтов

Согласно действующему ГОСТу по гранулометрическому составу классифицируются крупнообломочные и песчаные грунты (табл. 3).

Глинистые грунты подразделяются по числу пластичности (табл. 4). В строительной практике также используют упрощенную класси­фикацию грунтов по содержанию глинистых частиц (табл. 5).

Таблица 3

Грунты	Размер частиц d, мм	Масса воздушно-сухого грунта, %
Крупнообломочные
Валунный грунт (при преобладании неокатанных частиц – глыбовый)	d > 200	> 50
Галечный грунт (при преобладании неокатанных частиц – щебенистый)	d > 10	> 50
Гравийный грунт (при преобладании неокатанных частиц – дресвяный)	d > 2	> 50
Песчаные
Песок гравелистый	d > 2	> 25
Песок крупный	d > 0,5	> 50
Песок средней крупности	d > 0,25	> 50
Песок мелкий	d > 0,1	≥ 75
Песок пылеватый	d > 0,1	< 75

Примечание. Для установления наименования грунта последовате­льно суммируют проценты частиц исследуемого грунта: сначала кру­пнее 200 мм, затем крупнее 10 мм, далее крупнее 2 мм и т.д. Наи­менование грунта принимается по первому удовлетворяющему показа­телю в порядке расположения наименования в таблице.

Таблица 4

Грунт	Число пластичности, Jp
Супесь Суглинок Глина	1 ≤ Jp ≤ 7 7 < Jp ≤ 17 Jp > 17

Таблица 5

Грунт	Содержание глинистых частиц, %
Глина Суглинок Супесь Песок	Более 30 30 – 10 10 – 3 Менее 3

3. Графическое изображение гранулометрического состава грунтов

Существует несколько способов для графического изображения гранулометрического состава, из которых чаще всего используется способ интегральной кривой и диаграммы – треугольника.

Интегральная кривая – это график, отражающий суммарное содержание фракций мельче определенного диаметра (рис. 2). Для построения кривой по оси абсцисс используют полуло­гарифмический масштаб, т.е. откладывают не диаметры частиц, а их логарифмы. В начале координат ставят число 0,001, а затем прини­мая lg10 = 1 равным 5 см, откладывают вправо четыре раза по 5 см, делая отметки, ставя против них последовательно числа 0,01; 0,1; 1; 10. Расстояние между каждыми двумя метками делят на 9 частей пропорционально логарифмам чисел 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 (табл. 6).

Таблица 6

Число	Логарифм	Доля отрезка (от 5 см)
2 3 4 5 6 7 8 9	0,301 0,477 0,602 0,699 0,778 0,845 0,903 0,988	1,5 2,4 3,0 3,5 3,9 4,2 4,5 4,9

По оси ординат отмечают суммарное содержание фракций в про­центах в нарастающем порядке от наименьшего диаметра к наиболь­шему.

Интегральная кривая гранулометрического состава дает возмож­ность оценить степень неоднородности гранулометрического соста­ва C_u

где d₆₀ и d₁₀ – размер частиц, соответствующий ординатам 60 % и 10 % соответственно на интегральной кривой.

Согласно действующему ГОСТу, если C_u< 3 – грунт однородный, если С_u > 3 – неоднородный.

Диаграмма – треугольник Фере (рис. 3) позволяет изображать содержание трех основных фракций — песчаной, пылеватой и глинистой. В треугольнике Фере использовано свойство равностороннего треугольника – сумма перпендикуляров, опущенных из какой-либо точки внутри треугольника на три стороны, равна высоте треугольника.

Рис. 2. Интегральная кривая грансостава грунта

Если разделить стороны и высоту треугольни­ка на 100 частей и откладывать содержание в грунте глинистых, пылеватых и песчаных частиц (в процентах) от разных сторон треугольника, то получим изображение гранулометрического состава грунта в виде точки. Этот способ позволяет наносить на один чертеж очень боль­шое число анализов.

На рис. 3 изображены результаты гранулометрического анализа трех образцов грунта со следующим содержанием основных фракций в процентах. Образец 1: содержание песка 20, пыли 40, глины 40; образец 2: содержание песка 5, пыли 35, глины 60; образец 3: содержание песка 55, пыли 15, глины 30.

Рис. 3. Треугольник Фере