Фракции мелкозернистых грунтов

Фракция	Диаметры частиц фракций, мм	Процентное содержание
Песчаная………………… Пылеватая………………. Глинистая ……………….	2,0–0,05 0,05–0,005 менее 0,005

В практике проектирования и строительства зданий и сооружений гранулометрический состав грунта, определяемый в соответствии с требованиями ГОСТ, является обязательным техническим документом не только для классификации данного грунта, но и при определении категорий трудности и стоимости разработки в карьерах строительных грунтовых материалов. Данные о гранулометрическом составе грунта используют также при оценке его пригодности для строительства грунтовых сооружений, для приближенной оценки механических свойств грунта и пр.

Таблица 7.4

Гранулометрическая классификация грунтов (по Охотину)

Грунт	Содержание частиц, %
	глинистых (менее 0,005 мм)	пылеватых (0,005 – 0,05 мм)	песчаных (0,05 – 2,0 мм)
Глина Суглинок: тяжелый средний средний пылеватый легкий легкий пылеватый Супесь: тяжелая тяжелая мелкозернистая тяжелая пылеватая легкая легкая мелкозернистая легкая пылеватая Песок	Более 30 30–20 20–15 20–15 15–10 15–10 10–6 10–6 10–6 6–3 6–3 6–3 менее 3	– – – Больше, чем песчаных – Больше, чем песчаных – – Больше, чем песчаных – – Больше, чем песчаных –	– – Больше, чем пылеватых – Больше, чем пылеватых – Больше, чем пылеватых, преобладают частицы 2,00–0,25 мм Больше, чем пылеватых, преобладают частицы 0,25–0,05 мм – Больше, чем пылеватых, преобладают частицы 2–0,25 мм Больше, чем пылеватых, преобладают частицы 0,25–0,05 мм – –

Таблица 7.5

Виды крупнообломочных и песчаных грунтов

(ГОСТ 25100-95)

Грунты	Распределение частиц по крупности в процентах от массы сухого грунта
Крупнообломочные Грунт щебенистый (при преобладании окатанных частиц – галечниковый) Грунт дресвяный (при преоблада-нии окатанных частиц –гравийный) Песчаные Песок гравелистый Песок крупный Песок средней крупности Песок мелкий Песок пылеватый	Масса частиц крупнее 10 мм составляет более 50 % Масса частиц крупнее 2 мм – более 50 % Масса частиц крупнее 2 мм – более 25 % Масса частиц крупнее 0,5 мм – более 50 % Масса частиц крупнее 0,25 мм – более 50 % Масса частиц крупнее 0,1 мм – 75 % и более Масса частиц крупнее 0,1 мм – менее 75 %

Следует также отметить, что в соответствии с ГОСТ 25100-95 к глинистым грунтам относятся грунты, для которых число пластичности I_p>0,01. Наименование вида глинистого грунта определяется числом пластичности I_p (см. лабораторную работу 5).

Работа 8

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ФИЛЬТРАЦИИ ПЕСЧАНОГО ГРУНТА

Способность грунтов пропускать сквозь себя воду называется водопроницаемостью. Водопроницаемость дисперсных грунтов обусловлена наличием в грунте пор, сообщающихся между собой и образующих поровые каналы. Движение свободной воды по этим каналам называется фильтрацией.

Выполненные еще в XIX столетии опыты с фильтрацией в песчаных и глинистых грунтах позволили установить, что скорость фильтрации u определяется зависимостью, называемой формулой Дарси:

, (8.1)

где k_ф – коэффициент фильтрации; ΔH – разность напоров; Δs – длина пути фильтрации; I – градиент напора.

Скорость фильтрации представляет собой расход воды через единицу площади геометрического сечения грунта, т.е.

u = Q/А, (8.2)

где Q – расход воды через сечение площадью А, включающeй в себя площадь пор и твердых частиц в данном сечении.

Согласно (8.2) скорость фильтрации является условной (фиктивной) величиной, поскольку в действительности вода фильтруется через поры грунта.

Коэффициент фильтрации k_ф (коэффициент пропорциональности в формуле Дарси (8.1)), имеющий размерность скорости см/с или м/сут, представляет собой скорость фильтрации при градиенте напора I=1.

Коэффициент фильтрации является одной из основных характеристик грунта. Он используется в расчетах притока грунтовой воды в котлованы, осадок (консолидации) водонасыщенных оснований, утечек воды из водохранилищ и др. Oпределение коэффициента фильтрации k_ф осуществляется лабораторным, полевым и расчетным методами.

Лабораторное определение k_ф выполняется по нескольким схемам и на приборах различной конструкции. В лабораториях гидравлики, механики грунтов широко используются приборы и методики испытаний, в которых при определении k_ф не учитывается и не предусматривается создание внешнего давления на грунт. К ним относятся способы определения k_ф несвязных грунтов в приборах Дарси, Тима, трубке Каменского и др.

Прибор Дарси (рис. 8.1, а) представляет собой цилиндр площадью поперечного сечения А, в котором на сетку укладывается образец грунта высотой l. Через грунт при соответствующей разности напоров ΔH фильтруется вода (на рис. 8.1, а сверху вниз, также применяется фильтрация и снизу вверх). На выходе потока замеряют объем воды, прошедшей за определенное время, и находят расход Q за единицу времени. Затем по формулам (8.1), (8.2), принимая Δs=l, определяют коэффициент фильтрации:

. (8.3)

Обычно к цилиндру подключают пьезометры, позволяющие фиксировать пьезометрические уровни воды в различных сечениях образца (см. рис. 8.1, а). Замеряя разности уровней ΔH₁, ΔH₂ и расстояния Δl₁, Δl₂ между пьезометрами, по формуле (8.3) для определенного участка образца (ΔH=ΔH_i , l=Δl_i, i=1, 2, …) рассчитывают k_ф.

Заметим, что при испытании грунта в приборе Дарси и ему подобных разность напоров ΔH и градиент I в конкретном опыте остаются постоянными, но могут меняться от опыта к опыту.

В отличие от прибора Дарси в приборе, называемом «трубка Каменского» (рис. 8.1, б), испытание на фильтрацию выполняется при изменяющихся в течение опыта значениях ΔH и I в формуле (8.1). B этом

Рис. 8.1. Определение коэффициента фильтрации с использованием

прибора Дарси (а) и трубки Каменского (б)

приборе вода фильтруется сверху вниз, и для цилиндра (трубки) постоянного сечения скорость фильтрации u в каждый момент времени t будет равна скорости снижения уровня воды в цилиндре S_W, т.е.

. (8.4)

По закону Дарси (8.1)

.

С учетом (8.4) получаем

или .

Интегрируя дифференциальное уравнение, в итоге находим зависимость для определения коэффициента фильтрации:

, (8.5)

где t – время снижения уровня воды в цилиндре на величину S_W, т.е. время изменения разности напоров от начального значения h до h  S_W.

Для сравнения результатов нескольких опытов, учитывая зависимость вязкости воды от температуры, в соответствии с ГОСТ 2558490 опытные значения k_ф приводят к температуре 10⁰ С, вычисляя коэффициент фильтрации k_ф,10 по формуле

,

где   температурная поправка,

 = 0,7 + 0,03 Т_ф, (8.6)

Т_ф – фактическая температура воды при испытании.

Коэффициент фильтрации песчаных грунтов в зависимости от крупности может меняться в широких пределах: от А·10²см/с (для крупнозернистых) до А·10^-3см/с (для мелких), где 1  А  9. С увеличением плотности песка коэффициент фильтрации значительно уменьшается.

В действующем ГОСТ 2558490 и Изменении №1 к нему от 23.04.97 рекомендуется при определении коэффициента фильтрации песка использовать прибор КФ-ООМ, работающий по схеме прибора Дарси, и прибор Союздорнии, реализующий схему трубки Каменского. В лаборатории механики грунтов СПбГПУ непосредственно используется трубка Каменского, обеспечивающая простоту выполнения опыта с необходимой точностью определения искомого коэффициента фильтрации.

Определение коэффициента фильтрации песков в трубке Каменского

Согласно ГОСТ 2558490 для определения коэффициента фильтрации песчаного грунта нарушенного сложения следует применять образцы, высушенные до воздушно-сухого состояния.

Подготовка и проведение испытания. Самая простая конструкция прибора «трубка Каменского» включает в себя стеклянную трубку диаметром примерно 3см, длиной 25см с нанесенными сверху вниз делениями через 1см. На нижнем торце трубки укрепляется сетка либо обвязка из марли.

Трубка монтируется на штативе и помещается в пустой батарейный стакан, при этом нижний конец приподнят на 1см над дном стакана. Образец сухого песка (100 г) взвешивают и с помощью воронки рыхло засыпают в трубку, заполняя ее на высоту примерно 10см. Песок насыщают водой путем постепенного наполнения ею батарейного стакана. При этом уровень воды в песке за счет капиллярного поднятия должен превышать уровень воды в стакане (рис. 8.2, а).

После насыщения песка осторожно наполняют трубку водой почти до ее верха (рис. 8.2, б), поднимают трубку и закрепляют на штативе так, чтобы ее торец располагался на 12см ниже поверхности воды, заполняющей батарейный стакан до краев (рис. 8.2, в). По шкале трубки фиксируется уровень воды в стакане (отметка 1) и начальный уровень при проведении опыта (отметка 2). При необходимости в трубку доливают воду, поднимая ее уровень выше отметки 2. В момент снижения уровня до отметки 2 включают секундомер, фиксируя начало процесса контролируемой фильтрации, а далее  и время падения уровня воды в трубке от отметки 2 на величину S_W = S_i (i = 1, 2, 3, …), при этом последовательно берут не менее трех–четырех отсчетов при падении уровня S_,i на 2, 4, 6 см и т.д. (рис. 8.2, в).

Зная высоту слоя песка l, начальную разность напоров h, снижение уровня воды S_W,i за время t_i, по зависимости (8.5) подсчитывают частные значения коэффициента фильтрации k_фi. При этом используется составленная Г.Н. Каменским таблица значений ln(1  S_W /h) (табл. 8.1).

По частным значениям k_фi определяют среднее значение и вводят поправку на температуру, вычисляемую по формуле (8.6). Для этого несколько раз замеряют температуру фильтрующей воды.

Коэффициент фильтрации последовательно определяют для рыхлого песка, для средней плотности и для плотного песка. С этой целью снимают трубку со штатива, постукиванием по ней резиновым молоточком уплотняют песок до необходимых состояний и определяют новую высоту песчаного образца. Во время уплотнения необходимо поддерживать уро-

Рис. 8.2. Определение коэффициента фильтрации при различной

плотности сухого грунта: а – насыщение грунта водой;

б – заполнение трубки водой; в – режим фильтрации

Таблица 8.1