Определение размера частиц грунта отмучиванием

Содержание пылеватых и глинистых частиц в грунте определяется с помощью отмучивания, которое можно проводить различными методами. Любой из этих методов основан на том явлении, что процесс осаждения в жидкости мелких частиц протекает медленнее, чем осаждения более крупных. Для расчетов используется формула Стокса, предложенная им для определения скорости, с которой сфера определенного диаметра погружается в жидкость. Следовательно, методом отмучивания можно определить только диаметр эквивалентных сфер, а не точный размер частиц. Формула Стокса обычно записывается в следующем виде:

где V — скорость осаждения частиц в жидкости;

d — диаметр сферы в мм;

G — удельный вес грунта;

Gw — удельный вес жидкости (для воды Gw = 1);

n — вязкость жидкости в г/см*сек или nз;

g — гравитационное ускорение в см/сек2.

где L — расстояние, на которое опускаются частицы, в см;

T — соответствующее время в мин.

Следовательно:

Так как при использовании воды для всех практических целей значение Gw = 1, коэффициент С в уравнении (3.5) зависит только от значения удельного веса грунта G и вязкости воды n. Вязкость же воды зависит от температуры.

Необходимо ясно представить себе недостатки описываемого метода определения размеров частиц. Эти недостатки заключаются в следующем.

1. Результаты испытаний, выполненных Л. и В. Скуайерами в Массачусетском технологическом институте, дали ясное представление о величине ошибки, вносимой использованием формулы Стокса при определении размера частиц грунта, форма которых отличается от сферической. В соответствии с этими исследованиями была предложена следующая зависимость (для одинаковой скорости осаждения):

где D' — диаметр сферы;

D — диаметр диска;

a = D/H (Н — высота диска).

Следовательно, предлагается к зависимости Стокса некоторый поправочный коэффициент (0,7521/0).

Значения поправочных коэффициентов на форму частиц приведены ниже.

Большинство глинистых частиц имеет чешуйчатую, а не сферическую форму. Из этого положения и приведенных значений поправочных коэффициентов следует, что действительный диаметр чешуйки глины может быть по крайней мере в 5 раз выше, чем определенный по формуле Стокса.

2. Другим возможным источником ошибки при этих исследованиях является коагуляция частиц. Глинистые грунты обычно в той или иной степени засолены, что вызывает коагуляцию слагающих их частиц. Для того чтобы предотвратить коагуляцию, а также отделить частицы друг от друга, грунт вначале подвергают обработке диспергирующими и стабилизирующими химикалиями.

Следовательно, при проведении испытания на отмучивание необходимо добавление к суспензии стабилизирующих электролитов. Таким образом достигается изменение заряда некоторых коллоидных частиц грунта. Однако заряд коллоидных частиц нельзя с них снять, не вызвав частичного разрушения самих частиц.

3. Частицы различного размера в одном и том же грунте могут иметь разный минералогический состав и, следовательно, различные удельные веса. В процессе описываемого испытания учитывается лишь среднее значение удельного веса частиц для образца грунта в целом.

4. Формула Стокса основана на движении одной сферы и не учитывает неизбежное взаимное влияние частиц различных размеров, осаждающихся в суспензии рядом друг с другом с различными скоростями.

Все эти и другие обстоятельства подтверждают положение, что испытание на отмучивание независимо от тщательности проведения опыта дает только общее понятие о порядке величин размеров и количестве мелких и мельчайших частиц в грунте. Таким образом, оказывается, что всякого рода трудоемкие уточнения этого метода при его использовании для инженерных целей являются неоправданными.

Это соображение и тот факт, что для проведения стандартного испытания грунтов по этому методу требуется около двух суток, приводят к попыткам упростить всю процедуру. Одна из таких попыток была сделана Р. Валле-Родасом, а другая — В. Миллсом. С помощью сифона определяется в грунте только общее количество песчаных, пылеватых и глинистых частиц.

Для гранулометрического анализа глинистых грунтов наибольшее распространение получил метод с использованием ареометра, погружаемого в суспензию. Начальный отсчет по шкале ареометра совпадает с уровнем поверхности чистой воды. Суспензия (смесь частиц грунта и воды) будет иметь большую плотность, и в такую жидкость ареометр будет погружаться меньше, чем в чистую воду. По мере того как более крупные частицы будут оседать, плотность суспензии будет соответственно уменьшаться, что вызовет более глубокое погружение ареометра в жидкость. Отсчеты по шкале ареометра должны сопровождаться засечкой времени, прошедшего с момента взбалтывания суспензии. Одновременно отмечается температура суспензии. Эти величины и известный начальный вес сухой пробы грунта позволяют вычислить диаметр и вес частиц грунта, находившихся в определенное время в суспензии еще во взвешенном состоянии.