Гранулометрический состав и дефекты структуры грунтов

Самой старой структурной характеристикой является содержание в грунте частиц разных размеров. Ее назвали гранулометрическим составом.

Вот перед нами холм, состоящий из валунов и галечно-гравелистого материала. Эту массу оставил после себя древний ледник. Здесь валуны размером более 30 см, галька от 4 до 20 см и много гравия, имеющего размеры от 0,2 до 4 см.

Сидя на пляже, мы наслаждаемся теплым песком. Его образовала вода в результате вековой обработки течениями и волнами обломков пород. Частицы песка имеют размер от 0,05 до 2 мм. Песчаные зерна тоньше 0,25 мм слагают очень мелкие пески, а песчинки размером 1—2 мм —очень грубые.

Ветер поднимает в воздух тучи пыли. Если взять пылинки и положить на кусочек стекла, то под микроскопом их можно измерить. Легко обнаружится, что размер пылинок колеблется от 0,002 до 0,05 мм. Эти пылеватые частицы слагают большой ряд грунтов. Например, в составе лёссов их может быть более 50% и даже до 93%. Совсем уже тонкие частицы, невидимые глазом, образуют глины. Их размеры оказываются менее 0,002 мм.

Теперь возникает вопрос, как же обнаружить, сколько содержится в составе грунтов частиц разных размеров? Ученые придумали, как решить эту задачу.

Легче всего выделить крупные песчинки диаметром 2; 1; 0,5; 0,25 и 0,1 мм, которые можно рассеять при помощи набора сит с соответствующими даметрами отверстий. Однако более мелкие частицы разделить при помощи сит не удается. Отверстия становятся столь малыми, что через них не проходят даже более тонкие зерна.

Как же быть? Тогда на помощь приходит разделение частиц в воде. Образец взбалтывается и кипятится в водной среде (для разрушения агрегатов), затем переносится в литровый цилиндр и взбалтывается. Существует закономерная зависимость скорости падения частиц в воде от их диаметра и плотности (так называемый закон Стокса), Сначала упадут на дно крупные зерна размером 0,05—0,01 мм, а затем медленно будут опускаться более тонкие.

Совсем тонкие частички размером менее 0,001 мм при падении не опускаются в воде по прямым траекториям. В результате броуновского теплового движения молекулы воды толкают такие частицы грунта, вызывая искажение в направлении их движения. Путь перемещения этих частиц становится весьма причудливым. Они то взмывают вверх, то отскакивают в сторону, то падают вниз.

Чтобы определить содержание очень тонких частиц, приходится применять искусственное увеличение тяжести. Для этого используют специальные центрифуги. При быстром вращении сосудов с водными суспензиями (взвесями частиц) пути их падения становятся более правильными. Так изучается состав грунтов по крупности зерен.

Такой анализ состава частиц по их размерам позволяет выделять основные типы рыхлых грунтов: супеси (частиц размером менее 0,002 мм в них содержится от 3 до 10%), суглинки (10—30%) и глины (>30%).

Можно с уверенностью сказать, что многим известны такие термины, как «дефекты металлов» и «дефекты кристаллов». Это всегда какие-то нарушения в строении материалов, снижающие их прочность. В металлах это трещины, внутренние раковины, рыхлые зоны, различные инородные включения. В кристаллах нарушения связаны с отклонениями в строении кристаллических решеток.

Было обнаружено, что многие свойства грунтов также обусловлены появлением дефектов их структуры. К ним относятся нарушения в строении агрегатов и грунтовых систем. Например, трещины, участки с ослабленными структурными связями (зоны рыхлости), органические включения и т. д.

В зависимости от размеров дефектов грунта их делят на порядки. Так, дефекты грунта первого порядка наблюдаются в микроагрегатах (например, микротрещина). Более крупные нарушения второго и третьего порядков можно наблюдать под оптическим микроскопом, а четвертого — невооруженным глазом. Дефекты структуры понижают прочность грунтов, увеличивают их водопроницаемость и оказывают влияние на целый ряд других свойств.