เฟสของวัสดุในดินและองค์ประกอบแกรนูเมตริก

ในปัจจุบัน Savo Kusić มุ่งเน้นไปที่ หน้าต่างไม้, หน้าต่างไม้-อลูมิเนียม, หน้าต่างแบบกำหนดเอง, ประตู และ ขอใบเสนอราคา ข้อความนี้ยังคงเป็นเอกสารทางเทคนิค และไม่ใช่ข้อเสนอสำหรับการออกแบบทางธรณีเทคนิค การทดสอบในห้องปฏิบัติการ หรือการขุดดิน

เฟสของวัสดุในดิน

ดินประกอบด้วยสามระยะ: ของแข็ง ของเหลว และก๊าซ สถานะของแข็งแสดงด้วยอนุภาคของแข็ง น้ำของเหลว และสถานะก๊าซโดยอากาศหรือไอน้ำแบบปิดในรูพรุนของดิน
ดินบางประเภทสามารถประกอบด้วยหนึ่ง สอง หรือสามเฟส ซึ่งหมายความว่าองค์ประกอบของดินอาจเป็นระบบเฟสเดียว สองเฟส หรือสามเฟส คุณสมบัติทางกายภาพของดินขึ้นอยู่กับแต่ละระยะ
ดินที่ไม่ต่อเนื่องกัน เช่น ทรายหรือกรวดที่แห้งสนิท ประกอบด้วยอนุภาคของแข็งเพียงเฟสเดียว อากาศที่มีอยู่ในรูพรุนของดินนั้นไม่ได้ปิดและไม่ต่อต้านการเคลื่อนที่ของอนุภาคของแข็งจึงไม่สามารถถือเป็นเฟสได้
ดินที่มีความชื้นสม่ำเสมอเหนือระดับน้ำใต้ดิน ซึ่งประกอบด้วยอนุภาคของแข็งและรูขุมขนปิด ซึ่งเต็มไปด้วยน้ำบางส่วนและบางส่วนมีอากาศหรือไอน้ำ เป็นดินของระบบสามเฟส ในกรณีของของแข็งที่เคลื่อนที่ น้ำและอากาศในรูพรุนของดินจะขัดแย้งกันในเวลาเดียวกัน
ดินที่อยู่ต่ำกว่าระดับน้ำใต้ดินซึ่งมีรูพรุนเต็มไปด้วยน้ำจนไม่มีอากาศหรือไอน้ำอยู่ในนั้น เป็นระบบสองเฟส ดินในชั้นที่ลึกกว่านั้นถือว่าเป็นระบบสองเฟส เนื่องจากอากาศปิดในรูพรุนของดินที่ระดับความลึกที่มากกว่านั้นไม่มีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อคุณสมบัติทางกายภาพของมัน ซึ่งในกรณีนี้จะถูกกำหนดโดยคุณสมบัติของเฟสของแข็งและของเหลว

องค์ประกอบแกรนูโลเมตริก

ส่วนผสมที่เป็นของแข็งของดิน ได้แก่ แร่ธาตุหรืออินทรียวัตถุขนาดต่างๆ ตั้งแต่ก้อนกรวดและบล็อกขนาดใหญ่ ขนาดหลายร้อยหลายพันมิลลิเมตร จนถึงขนาดโมเลกุลเดียว ดังที่คุณทราบ โมเลกุลคือหนึ่งในล้านของมิลลิเมตร หนึ่งมิลลิไมครอน ขนาดของแข็งในดินที่เล็กที่สุดถือเป็น 20 m หรือไมครอน
ขนาดของอนุภาคดินแข็งมีอิทธิพลอย่างมากต่อคุณสมบัติทางกายภาพของมัน ความหยาบนี้แสดงโดยองค์ประกอบแกรนูเมตริกซ์ ซึ่งแสดงถึงอัตราส่วนของขนาดเกรนแต่ละส่วนตามน้ำหนักของส่วนนั้นต่อน้ำหนักรวมของดิน การแบ่งชั้นของดินตามองค์ประกอบแกรนูเมตริกจะแตกต่างกันไปในแต่ละประเทศ แผนกของเรามีดังนี้:

ขีดจำกัดขนาดอนุภาค

ขนาด 2 mm – เส้นแบ่งระหว่างองค์ประกอบของดินเนื้อหยาบและเนื้อละเอียด อนุภาคของแข็งสูงถึง 2mm แสดงการเพิ่มขึ้นของเส้นเลือดฝอยในดิน ดินเนื้อหยาบไม่มีรอยฝอย
ขนาด 0,2 mm – เส้นแบ่งระหว่างทรายละเอียดหยาบ (คม) และทรายละเอียด (อ่อน)
ขนาด 0,02 mm - ขีดจำกัดในการจดจำเมล็ดพืชแต่ละเมล็ดในดินด้วยตาเปล่า
ขนาด 0,002 mm – ขอบเขตระหว่างดินร่วนและดินเหนียว ขนาด 0,0002 mm – เส้นแบ่งระหว่างดินเหนียวและดินเหนียวคอลลอยด์
ส่วนประกอบที่เป็นของแข็งที่อยู่ต่ำกว่า 0,002 mm มีอิทธิพลอย่างมากต่อคุณสมบัติทางกายภาพของดิน ส่วนผสมเหล่านี้ทำให้ดินมีการยึดเกาะกัน และหากมีขนาดเล็กกว่าและอุดมสมบูรณ์มากขึ้นในดิน การรวมตัวของดินก็จะชัดเจนยิ่งขึ้น อย่างไรก็ตาม การทำงานร่วมกันของดินยังขึ้นอยู่กับองค์ประกอบแร่ของอนุภาคของแข็งที่มีขนาดเล็กกว่า 0,002 mm หากอนุภาคเหล่านี้เกิดขึ้นจากการสลายตัวของแร่ธาตุที่แข็งมาก เช่น ควอตซ์ การทำงานร่วมกันของพวกมันจะต่ำมากหรือไม่มีอยู่จริง และการดูดซึมน้ำก็ค่อนข้างต่ำเช่นกัน หากอนุภาคที่ต่ำกว่า 0,002 mm ถูกสร้างขึ้นโดยการย่อยสลายของวัสดุดินเหนียว พวกมันก็จะมีคุณสมบัติในการยึดเกาะที่แข็งแกร่งยิ่งขึ้นหากอนุภาคมีขนาดเล็กลง ในขณะที่การดูดซึมน้ำของอนุภาคดังกล่าวจะสูงมาก
องค์ประกอบแกรนูเมตริกของดินให้ข้อมูลที่สำคัญและเชื่อถือได้เกี่ยวกับคุณสมบัติทางกายภาพบางประการของดิน หากอนุภาคดินเหนียวที่ต่ำกว่า 0,002 mm มีชัยในดิน ก็สรุปได้ว่าดินดังกล่าวเป็นดินพลาสติก มีความต่อเนื่องกัน ดูดความชื้น มี capillarity สูง การซึมผ่านต่ำ และมีมุมเสียดสีภายในต่ำ
องค์ประกอบแกรนูโลเมตริกของดินแสดงด้วยเส้นขององค์ประกอบแกรนูเมตริกซ์ (รูปที่ 1)

รูปที่. 1 - เส้นขององค์ประกอบของดินแบบแกรนูโลเมตริก: 1- ทรายกรวด; 2-ทรายที่มีฝุ่น; 3-ฝุ่นทราย; 4-ดินเหนียว; 5-ดินเหนียว

เส้นลำดับขององค์ประกอบแกรนูโลเมตริกแสดงเศษส่วนน้ำหนักของอนุภาคของแข็งที่มีขนาดเล็กกว่าเส้นผ่านศูนย์กลางที่แสดงโดย abscissa ของจุดที่กำหนด ตัวอย่างเช่น ที่จุด A ของเส้น 4 พิกัดแสดงว่ามี 92% อนุภาคเล็กกว่า 2 mm และ 8% ที่เหลือมีขนาดใหญ่กว่า 2 mm.

การจำแนกดินตามองค์ประกอบแกรนูเมตริก

ดินที่มีอนุภาคของแข็งที่มีขนาดใหญ่กว่า 2 mm ถูกจำแนกประเภทตามการแบ่งดินทั่วไปตามองค์ประกอบแกรนูเมตริก ดังแสดงในรูปที่ 1 1. ในการทำเช่นนั้น เศษส่วนที่มีอยู่ในดินมากที่สุดจะถูกนำมาใช้เป็นเศษส่วนพื้นฐาน ในขณะที่ที่เหลือจะเป็นเศษส่วนเพิ่มเติม ตัวอย่างเช่น ถ้าเม็ดทั่วไปของดินส่วนใหญ่เป็นทรายและมีกรวดน้อยกว่า ดินดังกล่าวจะจัดเป็นทรายกรวด ในขณะที่ตรงกันข้ามจะเป็นกรวดทราย ในการจำแนกประเภทสามารถระบุส่วนแบ่งของเศษส่วนแต่ละส่วนในดินได้ ตัวอย่างเช่น หากดินมีดินเหนียว 15% ฝุ่น 45% ทราย 30% และกรวด 10% ก็จัดเป็นดินเหนียวที่มีดินเหนียว 15% และกรวด 10% ได้
อย่างไรก็ตาม สำหรับดินเนื้อละเอียดที่มีอนุภาคของแข็งที่มีขนาดเล็กกว่า 2 mm การจำแนกประเภทตามองค์ประกอบแกรนูเมตริกมักจะทำตามแผนภาพสามเหลี่ยม มีไดอะแกรมดังกล่าวหลายแบบ ซึ่งเราจะแสดงรายการพื้นฐานที่สุดจากสำนักงานดินแห่งสหรัฐอเมริกา 2.

รูปที่. 2 - แผนภาพสามเหลี่ยมดินของสำนักงานสหรัฐฯ

แผนภาพประกอบด้วยแกนพิกัดสามแกนพับเป็นรูปสามเหลี่ยมด้านเท่า โดยแต่ละแกนแทนเศษส่วนหนึ่งส่วน ได้แก่ ทราย ฝุ่น และดินเหนียว เป็น % โดยน้ำหนักของมวลดินทั้งหมด พื้นผิวของแผนภาพแบ่งออกเป็นโซน 10 ซึ่งแต่ละโซนแสดงถึงดินประเภทต่างๆ แต่ละด้านของรูปสามเหลี่ยมแสดงถึง Abscissa ซึ่งขนานกับ Abscissa อีกสองตัวที่ถูกยกขึ้น
แต่ละจุดในแผนภาพนี้มีพิกัด 3 ที่แสดงถึงเปอร์เซ็นต์ของเศษส่วน 3 ที่ระบุในดินที่กำหนดและกำหนดประเภทของดิน ตัวอย่างเช่น จุด M บนแผนภาพแสดงถึงดินเหนียว ได้มาจากแผนภาพขององค์ประกอบรูปแกรนูโลเมตริก 1 กำหนดเศษส่วนแต่ละส่วน ซึ่งในกรณีนี้จะเป็น (เส้น 4 ในรูปที่ 1): 35% ดินเหนียว 25% ฝุ่น 40% ทราย ในขณะที่ปริมาณของกรวด 8% จะถูกละเลยเนื่องจากมีปริมาณน้อยกว่า 10%.
การจำแนกประเภทนี้หมายถึงเศษส่วนของทราย ฝุ่น และกรวดตามการแบ่งประเภทในอเมริกา แต่ยังคงถูกนำมาใช้เช่นนี้เนื่องจากค่าเปรียบเทียบและประสบการณ์ที่มีในการจำแนกประเภทดังกล่าว

ระดับความไม่สม่ำเสมอของดิน

จากข้อมูลของ Allen Hazen ระดับความไม่สม่ำเสมอของดินคืออัตราส่วน (รูปที่ 3)

U=d60/d10

โดยที่ d60 คือเส้นผ่านศูนย์กลางเกรนที่สอดคล้องกับพิกัด 60% และ d10 คือเส้นผ่านศูนย์กลางเกรนที่สอดคล้องกับพิกัด 10%
สำหรับ U < 5 tlo je ravnomernog sastava,
สำหรับ U = 5 – 15 ดินมีองค์ประกอบไม่สม่ำเสมอปานกลาง สำหรับ U > 15 ดินมีองค์ประกอบไม่สม่ำเสมอ
เมื่อเส้นขององค์ประกอบแกรนูโลเมตริกสูงชัน ค่าของระดับความไม่สม่ำเสมอ U จะมีน้อย ในขณะที่ค่าของเส้นแบนจะมีขนาดใหญ่ ค่าที่น้อยที่สุดสำหรับ U คือ 1 หากเส้นองค์ประกอบแกรนูเมตริกแบนกว่า ค่า U ก็จะยิ่งสูงขึ้น สำหรับทรายส่วนใหญ่มักจะเป็น U=1-15 สำหรับดินเหนียว U=10-90 แต่สำหรับดินที่มีองค์ประกอบไม่เท่ากันมาก U สามารถมีค่าที่สูงมากได้

รูปที่. 3 - การกำหนดเส้นผ่านศูนย์กลางเกรน d60 และ d10

กฎตัวกรอง

กฎนี้ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบแกรนูเมตริกซ์ของตัวกรอง ซึ่งมีหน้าที่ลดการไล่ระดับไฮดรอลิกที่การสัมผัสระหว่างดินกับชั้นระบายน้ำของหินตามขนาดเกรนของการเปลี่ยนผ่าน เพื่อป้องกันการชะล้างของอนุภาคดินขนาดเล็กด้วยน้ำใต้ดิน เงื่อนไขพื้นฐานที่ชั้นกรองควรเป็นไปตามคือสามารถซึมผ่านน้ำได้และมีความเสถียร
มีกฎหลายข้อสำหรับองค์ประกอบตัวกรอง โดยจะมีเพียงกฎของ Terzaghi เท่านั้นที่จะถูกระบุว่ามีชื่อเสียงที่สุดที่นี่

กฎของ Terzaghi

Terzaghi อ่านว่า: การแตกละเอียดของตัวกรองควรมีลักษณะเป็นเม็ดที่มีปริมาณ 15% ส่วนโดยน้ำหนักของมวลตัวกรองทั้งหมด (F15) มีขนาดใหญ่กว่าอย่างน้อย 4 เท่าของอนุภาคที่ใหญ่ที่สุดในดินที่ตัวกรองวางอยู่ (ฐาน) ที่ปริมาณ ของ 15% ส่วนโดยน้ำหนักส่วนของฐาน (B15) โดยไม่มีขนาดใหญ่กว่า 4 คูณ B85 เช่น ขนาดของอนุภาคที่เล็กที่สุดที่ 85% ส่วนโดยน้ำหนักของฐาน กฎนี้สามารถแสดงได้ด้วยความสัมพันธ์: F15/B15 > 4 และ F15/B85 < 4.
อัตราส่วนแรกรับประกันความสามารถในการซึมผ่านของน้ำของตัวกรอง ในขณะที่อัตราส่วนที่สองรับประกันความเสถียร

รูปที่. 4 - กฎตัวกรอง Terzaghia

อนุภาคที่เล็กที่สุดและใหญ่ที่สุดของฐานจะแสดงในรูป 4 เส้นขอบ 1 และ 2. เส้นจำกัดของตัวกรองคือ 3 และ 4 เงื่อนไข F15 > 4_B15_ แสดงด้วยจุด a บนเส้นขอบเขต 3, เงื่อนไข F15 < 4_B85_ tačkom b na liniji 4.
ขอแนะนำว่าเส้นขององค์ประกอบแกรนูโลเมตริกของตัวกรองจะขนานกับเส้นขององค์ประกอบแกรนูเมตริกของฐานโดยประมาณ
แทนที่จะเป็นสองบรรทัดสุดขีดขององค์ประกอบแกรนูโลเมตริกของฐานดังในรูป 4 สามารถเป็นแกรนูลเฉลี่ยหนึ่งบรรทัดได้ ในกรณีนั้น จุด B15 และ B85 อยู่ในบรรทัดเดียวกัน (ดังในรูป 5)
บ่อยที่สุด ความแตกต่างในการเป็นเม็ดระหว่างฐานและชั้นระบายน้ำคือโซนตัวกรองเดียวไม่เพียงพอสำหรับการเปลี่ยนระหว่างฐานและชั้น ในกรณีนี้ ตัวกรองประกอบด้วยโซนตัวกรองหลายโซน ซึ่งถูกกำหนดตามกฎเดียวกัน จนกระทั่งถึงขนาดเกรนที่ใหญ่ที่สุดของสิ่งสะสมสำหรับการระบายน้ำ

รูปที่. 5 - ตัวอย่างการคำนวณชั้นตัวกรอง

การแบ่งส่วน ขนาดขีดจำกัด และกฎที่ระบุไว้จะถูกถ่ายโอนจากแหล่งที่มาในอดีต และไม่สามารถใช้แทนการจำแนกประเภททางธรณีเทคนิค รายงานในห้องปฏิบัติการ การออกแบบตัวกรอง หรือแผนการปฏิบัติงานในปัจจุบัน ดินและระบบระบายน้ำที่เกิดขึ้นจริงจำเป็นต้องมีการสุ่มตัวอย่าง การทดสอบที่เหมาะสม การตรวจสอบน้ำใต้ดินและน้ำผิวดิน การพังทลายและเสถียรภาพภายใน ตลอดจนการประเมินโดยผู้เชี่ยวชาญที่ได้รับอนุญาตตามกฎระเบียบและเงื่อนไขปัจจุบันของโครงการเฉพาะ