Определение гранулометрического состава глинистых пород по микроагрегатному и дисперсному анализу. Коэффициент микроагрегатность и его значение

Оглавление

Введение 2
1. Общие сведения 3
2. Определение гранулометрического и микроагрегатного состава
глинистых пород 6
3. Коэффициент микроагрегатности и его значение 16
Заключение 18
Список использованных источников 19

Введение

Гранулометрический состав грунта – это определенное содержание по весу разнофракционных частиц, выражающееся в их процентном отношении к массе сухих проб, взятых для анализа.
Отборы конкретных образцов осуществляют согласно требований ГОСТа 12071-2000, где микроагрегатный состав определяется по весовому содержанию твердых водостойких составляющих частиц.
Методы анализа гранулометрического состава изложены в межгосударственном стандарте — ГОСТе 12536-79.
Актуальность определения гранулометрического состава грунта обуславливается широким спектром работ, для выполнения которых необходимы сведения о водорастворяемых частицах.
Такой анализ проводится для решения следующих вопросов:
определения классификации грунтов на определенной территории;
оценки пригодности грунтового состава для применения в качестве насыпных сооружений для земляных плотин, дамб и дорог;
расчета обратных фильтров;
вычисления степени водопроницаемости несвязанных и рыхлых смесей;
выбора наиболее подходящих отверстий для установки фильтров скважин бурового типа;
оценки грунтов для возможности их использования как наполнителя при изготовлении цементно-бетонных смесей и стройматериалов;
вычисления потенциально возможного проседания почвы в фильтрующих плотинах, выемках и котлованах.
Общие сведенияМетоды определения состава грунтовой смеси. Для определения состава используется принцип расчленения грунтовой смеси на определенные группы, схожие по своему составу и специально отобранные для пробы. Размеры частиц определяется в миллиметрах, а вес – в граммах.
Существуют различные методики определения такого состава, главными из которых являются ситовой, ареометрический, пипеточный и отмучивание.[7]
Ситовой метод
В его основе – использование набора сит с отверстиями, размерами 0,25; 0,1; 1; 0,5; 5; 2; 10 мм (Рис.1), а также специальной машины для просеивания с поддоном.
Благодаря такому просеиванию удается определить и визуально увидеть состав грунта, а также процентное соотношение имеющихся в нем минералов и компонентов.
Рис. 1 – Сита для определения гранулометрического состава
Для будущего анализа среднюю пробу определяют методом квартования (разделения взятых проб). [7]
Ареометрический метод
Основан на учете изменения плотности суспензии, которая замеряется по мере отстаивания с помощью специального прибора – ареометра.
Предварительно отбирается проба, где используется метод квартования, при котором смесь проходит дополнительно через сито, с диаметром отверстий до 1 мм.
После определения процентного содержания смесей грунта при помощи ареометра, вычисляют содержание каждой отдельной фракции. Здесь используют метод последовательного вычитания меньшей величины из большей. Пробу отбирают с учетом природной влажности. [5]
Метод отмучивания
Суть методики заключается в определении содержания пылеобразных и глинистых частиц по изменению масса песка после предварительного отмучивания частиц. Для выполнения испытания используется сушильный шкаф, цилиндрическое ведро или сосуд и секундомер.
Рис.2
Цилиндрическое ведро
Параллельно из воды удаляются все посторонние частицы и глинистые примеси. Промывку производят несколько раз. После того, как вода в ходе промывки станет чистой, можно приступать к сливу суспензии через нижнее отверстие в сосуде.
Далее остается только вычислить содержание в песке отмучиваемых глинистых частиц по формуле: ,где:
m – вес высушенной навески до процесса отмучивания
m1 — вес высушенной навески после процесса отмучивания
Пипеточный метод
При таком способе содержание глинистых и пылеобразных частиц определяется путем выпаривания суспензии (получаемой при промывке песка и взвешивании сухого остатка), отобранной с помощью пипетки.
Метод заключается в перемешивании образца, залитого водой в специальном сосуде, а также ополаскиванием путем переливания суспензии во второе ведро. [4]
Определение гранулометрического и микроагрегатного состава глинистых породГранулометрический состав – относительное содержание в породе или почве элементарных частиц различной крупности, выраженное в процентах к массе сухой почвы. [1]
В гранулометрическом анализе выделяют следующие фракции элементарных частиц, мм: крупный и средний песок (1 – 0,25), мелкий песок (0,25 – 0,05), крупная пыль (0,05 – 0,01), средняя пыль (0,01 – 0,005), мелкая пыль (0,005 – 0,001), ил (меньше 0,001).
Частицы меньше 0,01 мм называют физической глиной. Процентное содержание физической глины положено в основу классификации почв по гранулометрическому составу.
Уточняющее название дается по двум преобладающим фракциям, из которых главной по величине является та, что стоит в определении на последнем месте.
Параллельно с анализом гранулометрического состава, итогом которого является определение названия почвы по гранулометрическому составу, анализируется и микроагрегатный состав почвы, целью которого является определение степени оструктуренности. Методика выполнения этих двух видов анализа во всем одинакова, за исключением подготовки почвы к анализу. [2]
Определение гранулометрического состава глинистого
грунта ареометрическим методом
Ареометрический анализ применяется для определения гранулометрического состава глинистых грунтов и основан на использовании разной скорости осаждения в воде различных по крупности частиц грунта.
Ареометрический метод является основным при гранулометрическом анализе грунтов используемых в строительных целях.
Цель работы – определить содержание в грунте различных фракций с размерами частиц менее 0,1 мм.
Определение гранулометрического (зернового) состава глинистых грунтов ареометрическим методом производят в соответствии с ГОСТ 12536-79[2] путем измерения плотности суспензии ареометром в процессе ее отстаивания при постоянных характеристиках материала частиц и среды, скорости падения частиц, пропорциональных квадрату их радиусов (диаметров) [7].
По мере выпадения частиц различной крупности в осадок уменьшается плотность суспензии грунта. Измеряя эту плотность через рассчитанные промежутки времени ареометром, можно установить содержание в суспензии (грунте) различных по крупности фракций.
Необходимое оборудование и материалы
Определение содержания частиц крупнее 1 мм
Методом квартования отбирают среднюю пробу грунта массой 200 (100) г в воздушно-сухом состоянии и просеивают сквозь набор сит с размером отверстий 10; 5; 2; 1 мм. [3]
Взвешивают фракции грунта, задержавшиеся на ситах и прошедшие в поддон.
Примечание. Если в образце нет крупных частиц, просеивание сквозь сито с размером отверстий 2 мм и более не производят.
Результаты заносятся в табл. 1.
Масса пробы грунта mпг = __________ г.
Таблица 1 - Журнал определения масс фракций грунта от 10,0 до 1 мм
Определение гигроскопической влажности и плотности частиц грунта
Пробы грунта для определения гигроскопической влажности Ws и плотности частиц ρs массой не менее 15 г каждая отбирают способом квартования из грунта в воздушно-сухом состоянии растертого, просеянного сквозь сито с сеткой № 1 и выдержанного открытым не менее 2 ч при данной температуре и влажности воздух.
Гигроскопическая влажность, соответствующая влажности грунта в воздушно-сухом состоянии, определяется так же, как и влажность грунта в естественном состоянии методом высушивания пробы грунта до постоянной массы.
Опробование суспензии грунта на коагуляцию
Методом квартования отбирается проба грунта массой около 2 г, которая пестиком растирается с 4–6 см3 дистиллированной воды в фарфоровой чашке. После чего в чашку доливается еще 14–16 см3 дистиллированной воды. Суспензия в чашке кипятится в течение 5–10 мин. Затем она выливается в пробирку емкостью 100–150 см3, в которую доливается дистиллированная вода в таком количестве, чтобы общий объем суспензии в пробирке был равен около 100 см3 для глин, 70 см3 – для суглинков и 50 см3 – для супесей. [6]
После взбалтывания суспензия выдерживается в покое сутки. Если выпавший за это время на дно пробирки осадок имеет рыхлую, хлопьевидную структуру, а жидкость над ним прозрачная, то это указывает на происшедшую коагуляцию суспензии.
При разделении на фракции пробы грунта, суспензия которой при опробовании на коагуляцию не коагулирует, для промывания смывания осадков и разбавления суспензии должна применяться дистиллированная вода с добавлением на 1 л 0,5 см3 25 % - ного раствора аммиака.
Ареометрический анализ[4]
Для ареометрического анализа из грунта, прошедшего сквозь сита с отверстиями >5; 2; 1 мм, методом квартования берется навеска: для глин массой около 20 г, для суглинков – 30 г, для супесей – 40 г.
Подготовка грунта к анализу зависит от способности его суспензии к коагуляции.
Для грунта, у которого суспензия не коагулирует, подготовка к анализу заключается в следующем:
проба грунта переносится в колбу емкостью 750–1000 см3, при этом остаток пробы в чашке смывается струей воды из промывалки в колбу;
колба доливается водой, чтобы общее ее количество в десять раз превышало массу пробы (для промывания, смывания и разбавления суспензии применяется дистиллированная вода с добавлением на 1 л 0,5 см3 25%-ного раствора аммиака);
грунт, залитый водой, выдерживается одни сутки;
после суточной выдержки в колбу следует прибавить 1 см3 25 %-ного раствора аммиака, закрыть колбу пробкой с обратным холодильником или воронкой диаметром 4–5 см и кипятить суспензию в течение 1 ч (кипячение не должно быть бурным). После кипячения необходимо охладить суспензию до комнатной температуры;
охлажденная суспензия сливается в стеклянный цилиндр емкостью 1 л через сито размером отверстий 0,1 мм, вставленное в воронку диаметром 14 см; при этом оставшиеся на внутренней поверхности колбы частицы грунта смываются водой;
объем суспензии в мерном цилиндре доводится до 1 л.
Для грунта, у которого суспензия коагулирует, подготовка к анализу заключается в следующем:
проба грунта переносится в колбу, куда добавляется дистиллированная вода;
взвесь взбалтывается и сливается сразу в стеклянный цилиндр емкостью 1 л сквозь сито с диаметром отверстий 0,1 мм, помещенное в воронку диаметром 14 см;
задержавшиеся на сите частицы грунта сливаются струей воды в фарфоровую чашку, где они тщательно растираются пестиком;
взвесь из чашки сливается через сито в цилиндр (растирание осадка в чашке продолжается до полного осветления воды над частицами в чашке);
частицы грунта, задержавшиеся на сите, надлежит добавить к частицам, оставшимся на дне фарфоровой чашки, перенести их в заранее взвешенный фарфоровый тигель или стеклянный стаканчик, выпарить на песчаной бане, высушить в сушильном шкафу до постоянного веса;
высушенные до постоянного веса частицы грунта следует просеять сквозь сита с размером отверстий 0,5; 0,25 и 0,1 мм.
При анализе грунтов, содержащих органические вещества, частицы следует просеять сквозь набор сит с размером отверстий 10; 5; 2; 1; 0,5; 0,25; 0,1 мм.
Частицы грунта, прошедшие сквозь сито с размером отверстий 0,1 мм, следует перенести в цилиндр с суспензией. Фракции грунта, задержавшиеся на ситах, следует взвесить. Суспензию в мерном цилиндре необходимо довести до объема 1 л;
при анализе грунта, суспензия которого при опробовании на коагуляцию коагулирует, перед доливанием воды в цилиндр добавляют в него 25 см3 4 или 6,7 % - ного пирофосфорно-кислого натрия:
4 % – из расчета на безводный пирофосфорно-кислый натрий (Na4P2O7); 6,7 % – из расчета на водный пирофосфорно-кислый натрий (Na4P2O7*10H2O).
Суспензия в цилиндре тщательно перемешивается мешалкой в течение 1 мин до полного исчезновения осадка на дне. Момент окончания перемешивания суспензии фиксируется по секундомеру.
Определяется время взятия отчета по ареометру после окончания перемешивания суспензии.
За 10 – 12 с до замера плотности суспензии в нее осторожно опускается ареометр, который должен свободно плавать, не касаясь стенок цилиндра. Затем берется отсчет по ареометру.
Таблица 2 - Определение времени замера плотности
Продолжительность взятия отсчета не должна превышать 5–7 с.
Контроль за температурой суспензии необходимо осуществлять замером температуры с погрешностью до 0,5°С в течение первых 5 мин (до начала опыта) и затем после каждого замера плотности супензии ареометром. [7]
При температуре, отличающейся от плюс 20°С, к снимаемым отсчетам по ареометру следует внести температурную поправку, определяемую по табл. 3.
Таблица 3 - Температурные поправки к отсчету по ареометру
К данным по плотности суспензии (отчетам по ареометру) необходимо внести поправки на нулевое показание ареометра, высоту мениска и диспергатор.
Для определения поправки на нулевое показание ареометра его опускают в мерный цилиндр с дистиллированной водой, имеющей температуру 20°С, и производят отчет плотности воды. Полученный отчет принимают за единицу плотности. Разность между принятой единицей и замеренным отсчетом по ареометру равна поправке, которую вводят в расчет. Поправку прибавляют к каждому отсчету по шкале ареометра, если ареометр при проверке показывает менее 1,000, и вычитают, если ареометр показывает более 1,000.
Поправку на высоту мениска вводят в расчет, если ареометр градуирован на заводе по нижнему краю мениска. Для этого ареометр опускают в цилиндр с дистиллированной водой, имеющей температуру 20°С. Производят отсчеты по нижнему и верхнему краям мениска.
Разница между замеренными отсчетами и будет поправка на высоту мениска. Поправку прибавляют к каждому отсчету по шкале ареометра при замерах плотности суспензии. Если ареометр градуирован по верхнему краю мениска, то поправка не требуется.
Для определения поправки на диспергатор ареометр опускают в мерный цилиндр с налитой 950 см3 дистиллированной водой, имеющей температуру 20°С, и производят отсчет по верхнему краю мениска. Добавляют в цилиндр диспергирующее вещество. Затем доливают в цилиндр воду до 1 л, смесь взбалтывают, вторично опускают в нее ареометр и производят отсчет по верхнему краю мениска. Разность между вторым и первым отсчетом есть поправка на диспергатор. Поправку вычитают из каждого отсчета по шкале ареометра при замерах плотности суспензии.
Пример расчета
Коэффициент микроагрегатности и его значениеКоэффициент микроагрегатности, по А.К. Ларионову, представляет собой разность содержания глинистой (0,002 мм) фракции, определенного при гранулометрическом анализе с дисперсной и агрегатной подготовкой образца (Кма). Но если А.К. Ларионов предложил считать Кма только для одной фракции (0,002 мм), то на данный момент стали вести расчеты для всех шести: средне-крупнопесчаной (1,00–0,25 мм), тонко мелкопесчаной (0,25–0,05), крупнопылеватой (0,05–0,01), мелкопылеватой (0,010–0,002), грубоглинистой (0,002–0,001) и тонкоглинистой ( 0,001мм).
По разности содержания соответствующих фракций, определенного при дисперсной и агрегатной подготовке образца (получаем шесть Кма1–6), коэффициентов микроагрегатности: можно оценить степень агрегированности грунта, определить количество и размеры агрегатов. [7]
Значения коэффициентов микроагрегатности с отрицательным знаком показывают количество агрегатов соответствующей размерности (содержание фракции уменьшается за счет разрушения этих агрегатов), с положительным – содержание фракции в составе агрегатов (при их разрушении частицы меньших размеров освободились и составили прибавку соответствующей фракции). Для каждой фракции можно рассчитать долю первичных (свободных) и захваченных в агрегаты (несвободных) частиц.
Отношение свободных субъектов к общему количеству фракции (первичные частицы + те же частицы в составе агрегатов) представляют собой коэффициент свободы (F). Участие различных частиц в строении агрегатов можно определить по степени снижения их коэффициента свободы: чем меньше коэффициент, тем больше этих частиц находится в агрегатах. В зависимости от количества агрегатов (А, %) определяется тип микроструктуры.
Для выявления типа структурной модели грунта определяется сумма агрегатов и первичных частиц соответствующего размера (Хi=Ai + Mi) и рассчитывается коэффициент элементарности, показывающий долю первичных частиц в общей сумме структурных элементов (G =Mi / [Ai + Mi]).
Тип структурной модели устанавливается по двум позициям: размер преобладающих структурных элементов.
Для реализации метода проводятся следующие операции [2]:
выполняется гранулометрический анализ методом пипетки для образцов-дубликатов с тремя способами подготовки их к анализу (агрегатный, полудисперсный – стандартный, дисперсный);
рассчитывается шесть коэффициентов микроагрегатности (для каждой фракции);
ведутся расчеты содержания параметров микроструктуры;
определяется тип микроструктуры и структурной модели грунта.
Результаты перечисленных выше операций представляем в виде таблиц.
В первой записываем содержание шести фракций по данным гранулометрического анализа с агрегатной (верхняя строка), стандартной – полудисперсной (средняя строка) и дисперсной (нижняя строка) подготовкой образца, во второй – значения шести коэффициентов микроагрегатности (Кма1–6), в третьей – параметры микроструктуры (всего 28 наименований для каждого образца); в четвертой таблице – результаты расчетов для определения типа структурной модели грунта, в пятой – типы микроструктуры и структурной модели грунта с данными о содержании агрегатов (А), реальном содержании тонкоглинистой фракции (М7), ее коэффициенте свободы (F6) и реальном содержании фракции 0,002 мм (М8); шестая таблица содержит результаты расчетов общего (реального) содержания шести фракций и их коэффициентов свободы.
Заключение

Чтобы получить объективные данные относительно гранулометрического состава исследуемого грунта используют разные методы расчета.
Это позволяет исключить вероятность ошибок при получении результатов, добившись максимальной точности в плане выявления процентного соотношения сухого остатка, плотности и размера внутренних фракций.
Список использованных источников

Далматов, Б.И. Механика грунтов, основания и фундаменты (включая специальный курс инженерной геологии): Учебник / Б.И. Далматов. - СПб.: Лань, 2012. - 416 c.
Заручевных, И.Ю. Механика грунтов в схемах и таблицах.Учебное пособие / И.Ю. Заручевных, А.Л. Невзоров. - М.: АСВ, 2015. - 164 c.
Зерцалов, М.Г. Геомеханика. Введение в механику скальных грунтов: Учебник. / М.Г. Зерцалов. - М.: АСВ, 2014. - 352 c.
Малышев, М.В. Механика грунтов. (в вопросах и ответах): Учебное пособие / М.В. Малышев. - М.: АСВ, 2015. - 104 c.
Мангушев, Р.А. Механика грунтов: Учебник / Р.А. Мангушев, В.Д. Карлов, И.И. Сахаров. - М.: АСВ, 2015. - 256 c.
Постников, М.М. Механика грунтов, основания и фундаменты (включая специальный курс инженерной геологии): Учебник КПТ / М.М. Постников. - СПб.: Лань КПТ, 2016. - 416 c.
Цытович, Н.А. Механика грунтов: Краткий курс: Учебник / Н.А.Цытович. - М.: ЛИБРОКОМ, 2013. - 272 c.
Цытович, Н.А. Механика грунтов: Краткий курс / Н.А. Цытович. - М.: Ленанд, 2014. - 288 c.
Цытович, Н.А. Механика мерзлых грунтов: Общая и прикладная / Н.А. Цытович. - М.: КД Либроком, 2013. - 448 c.
Цытович, Н.А. Механика грунтов: Полный курс / Н.А. Цытович. - М.: Ленанд, 2014. - 640 c.