Сьогодні Savo Kusić зосереджується на дерев’яних вікнах, дерево-алюмінієвих вікнах, вікнах на замовлення, дверях і запитах на пропозиції. Цей текст залишається як технічний архів і не є пропозицією щодо геотехнічного проектування, лабораторних випробувань чи земляних робіт.
Фази матеріалів у ґрунті
Грунт складається з трьох фаз: твердої, рідкої та газоподібної. Тверда фаза представлена твердими частинками, рідкою водою, а газоподібна – замкнутим повітрям або водяною парою в порах ґрунту.
Певні типи ґрунту можуть складатися з однієї, двох або трьох фаз, що означає, що склад ґрунту може бути однофазним, двофазним або трифазним. Фізичні властивості ґрунту залежать від окремих фаз.
Незв’язний ґрунт, такий як повністю сухий пісок або гравій, складається лише з однієї фази - твердих частинок. Повітря, яке існує в порах цього ґрунту, не є закритим і не перешкоджає руху твердих частинок, тому його не можна вважати фазою.
Вологий зв’язний ґрунт над рівнем ґрунтових вод, який складається з твердих часток і закритих пор, заповнений частково водою, а частково повітрям або водяною парою, є ґрунтом трифазної системи. У разі руху твердих тіл вода і повітря в порах ґрунту протистоять одночасно.
Ґрунт нижче рівня ґрунтових вод, пори якого повністю заповнені водою, так що в них немає повітря та водяної пари, є двофазною системою. Ґрунт у глибших шарах вважається двофазною системою, оскільки закрите повітря в порах ґрунту на більших глибинах не має істотного впливу на його фізичні властивості, які в цьому випадку визначаються властивостями твердої та рідкої фаз.
Гранулометричний склад
Тверді інгредієнти ґрунту - це мінеральні або органічні речовини різного розміру, починаючи від великих камінців і блоків, розміром у сотні й тисячі міліметрів до розміру однієї молекули. Як відомо, молекула становить одну мільйонну частку міліметра, один мілімікрон. Найменшим розміром твердих часток ґрунту вважається 20 mабо мікрон.
Розмір твердих частинок ґрунту дуже сильно впливає на його фізичні властивості. Ця крупність виражається гранулометричним складом, який являє собою відношення розмірів окремих зерен їх вагових частин до загальної маси ґрунту. Поділ ґрунту за гранулометричним складом у різних країнах різний. Наш підрозділ такий:
Обмеження розміру частинок
Розмір 2 mm – межа між крупнозернистим і дрібнозернистим складом ґрунту. Тверді частинки до 2mm демонструють капілярний підйом води в ґрунті. Крупнозернистий грунт не має капілярності.
Розмір 0,2 mm – межа між крупнозернистим (гострим) і дрібнозернистим (м’яким) піском.
Розмір 0,02 mm - межа, до якої окремі зерна в ґрунті можна розпізнати неозброєним оком.
Розмір 0,002 mm – межа між пухким ґрунтом і глиною
Розмір 0,0002 mm – межа між глиною та колоїдною глиною.
Тверді інгредієнти нижче 0,002 mm мають великий вплив на фізичні властивості ґрунту. Ці інгредієнти забезпечують згуртованість ґрунту, і якщо вони менші та більші в ґрунті, тим більш зв’язний ґрунт. Однак зчеплення ґрунту також залежить від мінерального складу твердих частинок розміром менше 0,002 mm. Якщо ці частинки утворюються в результаті розкладання дуже твердих мінералів, таких як кварц, то їх зчеплення є дуже низьким або зовсім відсутнім, і їх водопоглинання також відносно низьке. Якщо частинки нижче 0,002 mm були створені шляхом розкладання глинистих матеріалів, то вони мають зв’язувальні властивості, які є тим сильнішими, чим менші частинки, тоді як водопоглинання таких частинок дуже високе.
Гранулометричний склад ґрунту надає важливі та надійні дані про деякі його фізичні властивості. Якщо в ґрунті переважають глинисті частки нижче 0,002 mm, то вже можна зробити висновок, що такий ґрунт пластичний, когерентний, гігроскопічний, має високу капілярність, низьку проникність і малий кут внутрішнього тертя.
Гранулометричний склад ґрунту представлено лініями гранулометричного складу (рис. 1).
Мал. 1 - Лінії гранулометричного складу ґрунту: 1-гравійний пісок; 2-пилястий пісок; 3-піщаний пил; 4-глинистий грунт; 5-глина
Лінія ординат гранулометричного складу показує масову частку твердих частинок, менших за діаметр, представлений віссю абсцис даної точки. Наприклад, у точці A лінії 4 ордината показує, що є 92% частинки, менші за 2 mm, а решта 8% більші за 2 mm.
Класифікація ґрунту за гранулометричним складом
Ґрунти, що містять тверді частинки розміром більше 2 mm, класифікуються згідно із загальним поділом ґрунту за гранулометричним складом, показаним на рис. 1. При цьому за основну фракцію приймають ту, яка найбільше представлена в ґрунті, а інші – за додаткову. Наприклад, якщо загальна зернистість ґрунту складається здебільшого з піску з меншою кількістю гравію, то такий ґрунт класифікується як гравійний пісок, тоді як навпаки – це піщаний гравій. У класифікації також можуть бути вказані частки окремих фракцій у ґрунті. Наприклад, якщо ґрунт містить 15% глину, 45% пил, 30% пісок і 10% гравій, його можна класифікувати як глинистий ґрунт із 15% глиною та 10% гравієм.
Однак для дрібнозернистих ґрунтів, які містять тверді частинки розміром менше 2 mm, класифікація на основі їх гранулометричного складу зазвичай виконується відповідно до трикутної діаграми. Існує кілька таких діаграм, з яких ми перелічимо найосновнішу, отриману від Бюро ґрунтів США, рис. 2.
Мал. 2 - трикутна діаграма Бюро ґрунтів США
Діаграма складається з трьох координатних осей, складених у рівносторонній трикутник, у якому кожна вісь представляє одну фракцію, а саме пісок, пил і глину в % від ваги всієї маси ґрунту. Поверхня діаграми поділена на зони 10, кожна з яких представляє окремий тип ґрунту. Кожна сторона трикутника являє собою абсцису, від якої підняті ординати, паралельні двом іншим абсцисам.
Кожна точка на цій діаграмі має координати 3, які представляють процентний вміст зазначеної фракції 3 у даному ґрунті та визначають тип ґрунту. Так, наприклад, точка М на діаграмі позначає глину. Його отримують таким чином, що з діаграми гранулометричного складу рис. 1 визначити окремі фракції, які в цьому випадку будуть (лінія 4 на рис. 1): 35% глина, 25% пил, 40% пісок, тоді як кількістю 8% гравію нехтують, оскільки вона становить менше ніж 10%.
Ця класифікація відноситься до фракцій піску, пилу та гравію відповідно до американського підрозділу, але вона все ще прийнята як така через порівняльні значення та досвід, який вона має з такою класифікацією.
Ступінь нерівності ґрунту
Згідно з Алленом Хазеном, ступінь нерівності ґрунту є співвідношенням (рис. 3)
U=d60/d10
, де d60 — діаметр зерна, що відповідає ординаті 60%, а d10 — діаметр зерна, що відповідає ординаті 10%.
Для U < 5 tlo je ravnomernog sastava,
для U = 5 – 15 ґрунт помірно нерівномірного складу,
для U > 15 ґрунт має нерівномірний склад.
Коли лінія гранулометричного складу крута, значення ступеня нерівномірності U мале, тоді як для пологої лінії велике. Найменше значення для U — 1. Якщо лінія гранулометричного складу більш плоска, то значення U вище. Для піску це найчастіше U=1-15, для глинистих ґрунтів U=10-90, але для ґрунтів з дуже нерівномірним складом U може мати дуже високі значення.
Мал. 3 - Визначення діаметра зерна d60 та d10
Правило фільтра
Це правило ґрунтується на гранулометричному складі фільтра, завданням якого є зменшення гідравлічного градієнта на контакті ґрунту та кам’яного дренажного шару на перехідний розмір зерна, щоб запобігти змиву дрібних частинок ґрунту ґрунтовими водами. Основні умови, яким повинен відповідати фільтруючий шар, це те, щоб він був водопроникним і стійким.
Існує кілька правил для композиції фільтрів, серед яких лише правило Терзагі буде перелічено тут як найвідоміше.
Правило Терзагі
Правило Терцагі гласить: грануляція фільтра має бути такою, щоб його зерна у кількості 15% частин маси всієї маси фільтра (F15) були принаймні у 4 разів більші за найбільші частинки ґрунту, на якому лежить фільтр. (основи) у кількості 15% вагових частин основи (B15), не перевищуючи 4 разів B85, тобто розміри найменших частинок у 85% частин від маси основи. Це правило можна виразити співвідношеннями:
F15/B15 > 4 та F15/B85 < 4.
Перше співвідношення забезпечує водопроникність фільтра, а друге гарантує його стабільність.
Мал. 4 - Правило фільтра Terzaghia
Найменша та найбільша частинки основи представлені на рис. 4 лінії кордону 1 та 2. Обмежувальні лінії фільтра: 3 та 4. Умова F15 > 4_B15_ представлена точкою a на межовій лінії 3, умова F15 < 4_B85_ tačkom b na liniji 4.
Рекомендується, щоб лінія гранулометричного складу фільтра була приблизно паралельна лінії гранулометричного складу основи.
Замість двох крайніх ліній гранулометричного складу основи як на рис. 4, може бути одна лінія середньої зернистості. У цьому випадку точки B15 і B85 знаходяться на одній прямій (як на рис. 5).
Найчастіше різниця в грануляції між основою та дренажним шаром така, що для переходу між основою та шаром однієї фільтрувальної зони недостатньо. У цьому випадку фільтр складається з кількох зон фільтрації, які визначаються за тим же правилом, доки не буде досягнуто найбільшого розміру зерна дренажного осаду.
Мал. 5 - Приклад розрахунку фільтруючих шарів
Наведені розділи, граничні розміри та правила перенесені з історичного джерела та не замінюють поточну геотехнічну класифікацію, лабораторний звіт, конструкцію фільтра чи план продуктивності. Фактичний грунт і дренажна система вимагають репрезентативного відбору зразків, відповідних випробувань, перевірки підземних і поверхневих вод, ерозії та внутрішньої стабільності, а також оцінки уповноваженим експертом відповідно до чинних норм і умов конкретного проекту.