Как определить грунт по гранулометрическому составу: Гранулометрический состав грунтов

Гранулометрический состав грунтов

Гранулометрический состав грунтов – это процентное соотношение не связанных в агрегаты первичных частиц материала. От него зависят многие свойства – пористость, плотность, просадочность, водопроницаемость. Эта характеристика лежит в основе ряда классификаций. Зная гранулометрический состав грунта, можно приблизительно представить его свойства и определить сферу применения.

• Гранулометрический состав грунтов

• Основные элементы грунта

• Агрегатный состав грунта

• Макроагрегаты

• Микроагрегаты

• Классификация грунтов по гранулометрическому составу

• Крупнообломочные

• Песчаные

• Глинистые

• Методы определения гранулометрического состава грунтов

• Лабораторные методы

• Ситовый метод

• Ареометрический метод

• Пипеточный метод

• Определение гранулометрического состава грунта в домашних условиях

• Влияние гранулометрического состава на область применения грунтов

Основные элементы грунта

Элементы грунта – это частицы, которые соединены между собой прочными химическими связями. Они могут представлять собой кристаллы или аморфные соединения. Размеры частиц колеблются от тысячных долей миллиметра до десятков сантиметров. Зерна с приблизительно одинаковым диаметром объединяются во фракции.

По составу элементы грунта разделяются на:

• Минеральные частицы
  Состоят из первичных и вторичных минералов. Первые – это частицы горной породы (песок, гравий). Вторые образовались в процессе химического выветривания (вторичные глинистые минералы). Химические элементы могут быть связаны кристаллическими, аморфными или коллоидными связями.
• Органоминеральные частицы
  В их состав входят органические и минеральные вещества (сапропель, ил, заторфованный грунт).
• Органические частицы
  Это частицы почвы, состоящие из гумуса и полуразложившихся растений (торф).

По форме зерен частицы разделяются на:

• Окатанные
  Поверхность их зерен гладкая. Обычно это происходит из-за того, что грунт долгое время находился в воде и постепенно отшлифовывался.
• Неокатанные
  Поверхность шероховатая, с острыми углами и сколами. Чаще всего это зерна горных пород, отколовшиеся от основного монолита из-за процессов выветривания.

В таблице приведена классификация элементов грунта в зависимости от их диаметра, с учетом формы зерен.

Элементы грунта	Описание грунта	Фракции	Размер фракций (мм)
Валуны (окатанные частицы) и глыбы (неокатанные)	Встречаются в скальных трещиноватых и разборных грунтах.	Крупные	Более 800
		Средние	От 400 до 800
		Мелкие	От 200 до 400
Галька (окатанная) и щебень (неокатанный)	Входят в состав галечниковых и щебнистых грунтов (скальные грунты со средней степенью выветривания). Галька встречается на дне водоемов или в местах, где они раньше находились. Щебень чаще получают искусственно, при дроблении горной породы.	Крупные	От 100 до 200
		Средние	От 60 до 100
		Мелкие	От 10 до 60
Гравий (окатанный) и дресва (неокатанный)	Встречаются в гравелистых и дресвяных грунтах с высокой степенью выветривания.	Крупные	От 5 до 10
		Мелкие	От 2 до 5
Песчаные частицы	Состоят в основном из оксида кремния, входят в состав песчаных грунтов, супесей и суглинков.	Грубые	От 1 до 2
		Крупные	От 0,5 до 1
		Средние	От 0,25 до 0,5
		Мелкие	От 0,10 до 0,25
		Тонкие	от 0,05 до 0,10
Пылеватые частицы	Составляют основную часть лессов и лессовидных суглинков.	Крупные	От 0,01 до 0,05
		Мелкие	От 0,002 до 0,01
Глинистые частицы	Состоят из глинистых минералов (алюмосиликатов и силикатов). Входят в состав глинистых грунтов, суглинков и супесей.
Илистые частицы	Чаще всего образуются на дне водоемов, имеют органоминеральный состав.	Грубые	От 0,0005 до 0,001
		Тонкие	От 0,0001 до 0,0005
Коллоидные частицы	Одна из составляющих плодородной почвы, обеспечивает поглотительную способность грунта. Коллоиды состоят из глинистых минеральных, органических соединений.		Менее 0,0001

В упрощенном варианте все частицы с диаметром более 0,01 мм принято называть физическим песком, а с размером до 0,01 мм – физической глиной. В почвах зерна с размерами больше 1 мм называют скелетом (хрящом), а физическую глину и песок – мелкоземом.

Агрегатный состав грунта

Элементарные частицы грунта могут скрепляться между собой, образуя агрегаты разного размера. Это значительно изменяет структуру и некоторые свойства грунта. Например, повышается водопроницаемость, уменьшается просадочность. В почве благодаря агрегатной структуре усиливаются процессы разложения органики, улучшается аэрация, повышается плодородие.

В минеральных (строительных) грунтах в роли цементирующего вещества выступают мергели, оксиды железа, карбонаты. Они сцепляют между собой крупные обломки, мелкие песчаные, пылевидные и глинистые частицы. В почве элементы грунта склеиваются полисахаридами, гуминовыми веществами.

Агрегаты разделяются по размеру на:

• Макроагрегаты – больше 0,25 мм в диаметре.
• Микроагрегаты – до 0,25 мм в диаметре.

Макроагрегаты

К макроагрегатам минерального грунта относятся конгломераты и брекчии. Конгломераты – это сцепленные между собой окатанные частицы (галька, гравий). Брекчии – угловатые обломки породы. Агрегаты состоят из одной или нескольких пород.

По диаметру они разделяются на:

• Валунные конгломераты (глыбовые брекчии) – 10-100 см
• Крупногалечные конгломераты (крупнощебенистые брекчии) – 5-10 см
• Среднегалечные конгломераты (среднещебенистые брекчии) – 2,5-5 см
• Мелкогалечные конгломераты (мелкощебенистые брекчии) – 1-2,5 см

Макроагрегаты почвы разделяются на типы и роды:

1. Кубовидный тип с плохо выраженными гранями и слабо оформленными агрегатами (роды):
   — Глыбистый – 5-10 см и больше
   — Комковый – 1-5 см
   — Пылеватый – до 0,5 см
2. Кубовидный тип с хорошо оформленными агрегатами и выраженными гранями (роды):
   — Ореховатый – 7-10 мм
   — Зернистый – 0,5-5 мм
3. Призмовидный тип (роды):
   — Столбовидный (с плохо выраженными гранями) – 3-5 см
   — Столбчатый (с хорошо выраженными гранями) – 3-5 см
   — Призматический – 1-5 см
4. Плитовидный тип (роды):
   — Плиточный – 1-5 мм
   — Чешуйчатый – 1-3 мм

Оптимальной для почвы считается ореховатая и зернистая структура. Именно такие агрегаты встречаются в черноземе.

Микроагрегаты

В состав микроагрегатов входят пылевидные и глинистые частицы. Они сцепляются между собой коллоидными и цементирующими связями. В качестве склеивающих компонентов выступают гумус, полисахариды, минеральные вещества (карбонаты, оксиды железа, глинистые минералы).

Микроагрегатный состав нестабильный, он зависит от условий внешней среды. При увлажнении грунта количество агрегатов увеличивается. При высушивании они распадаются на элементарные частицы.

Для определения микроагрегатного состава пробу грунта просевают через серию сит. Частицы, задержавшиеся на сите с ячейками 0,1 мм, промывают до чистой воды. Все элементы, которые останутся после промывки, считаются микроагрегатами. Их просушивают и взвешивают. Для получения точных результатов пробы предварительно замачивают в воде и кипятят в течении часа.

Микроагрегатный анализ грунта дополняет гранулометрический. Он позволяет точнее определить структуру и дисперсность материала. Микроагрегаты в некоторых грунтах, особенно глинистых, занимают большую часть объема. Это изменяет свойства материала, глина по своим характеристикам становится похожей на мелкий песок.

Классификация грунтов по гранулометрическому составу

По гранулометрическому составу грунты разделяют на 3 основные группы:

1. Крупнообломочные
2. Песчаные
3. Глинистые

Крупнообломочные

Так называют грунты с диаметром зерен, превышающим 2 мм. В таблице подана их классификация.

Если в крупнообломочном грунте содержится больше 40% песка или 30% глины, то эти материалы включаются в название. Например, дресвяно-песчаный, щебенисто-глинистый грунт, песчано-гравийная смесь. Когда в грунте присутствует больше 50% ракушки, то его называют ракушечным, при наличии 25-50% таких примесей – с ракушкой.

Песчаные

В песчаных грунтах содержатся частицы с диаметром 0,1-2 мм и выше. Их разновидности представлены в таблице.

Крупнообломочные и песчаные грунты разделяются по степени неоднородности (Cu) на:

• Однородные (Cu меньше 3)
• Неоднородные (Cu больше 3)

Степень неоднородности определяется по формуле: Cu=d60/d10, где d60 и d10 – диаметр частиц, меньше которого в грунте находится 60% и 10% зерен соответственно.

Глинистые

Глинистые грунты состоят из частиц с диаметром менее 0,01 мм. Но в них практически всегда есть примеси песка.

В таблице поданы виды глинистых грунтов в зависимости от количества песчаных частиц в них.

Супесь, суглинок и глина классифицируются также по числу пластичности. У супесей оно равно 1-7, у легких суглинков 7-12, у тяжелых – 12-17, у легкой глины 17-27, у тяжелой превышает 27.

В глинистых грунтах могут присутствовать частицы с диаметром более 2 мм. В таблице поданы их особенности.

Дальше мы расскажем о том, как определяется гранулометрический состав разных грунтов.

Методы определения гранулометрического состава грунтов

Существуют прямые и непрямые методы определения гранулометрического состава грунта. К прямым относится непосредственное измерение частиц. Если в крупнообломочных материалах это сделать можно, то для глинистых и песчаных грунтов приходится использовать дорогое оборудование (электронные или световые микроскопы). Поэтому на практике чаще используют непрямые методики.

В большинстве случаев определить гранулометрический состав можно только в лабораторных условиях. Однако есть и более простые способы, которыми можно воспользоваться, не имея под рукой специальных приспособлений. Обо всем этом мы расскажем далее.

Лабораторные методы

Гранулометрический состав грунтов определяют такими методами:

• Ситовым
• Ареометрическим
• Пипеточным

Детальнее о них вы можете прочитать дальше.

Ситовый метод

Ситовый метод используется для определения гранулометрического состава крупнообломочных и песчаных грунтов. Размеры большинства зерен в них превышают 0,1 мм.

При ситовом методе пробу грунта просеивают через серию сит с диаметром отверстий 10, 5, 2, 1, 0,5, 0,25 и 0,1 мм. Предварительно образец растирают в ступе, чтобы избавиться от комков и выделить все элементарные частицы.

При анализе грунта с частицами от 10 мм до 0,1 мм используют промывку водой. Пробу выкладывают на сито с диаметром ячеек 0,1 мм. Струей промывают ее, пока вода не станет чистой. Затем оставшиеся частицы высушивают и разделяют на фракции.

При ситовом методе выделяют следующие фракции грунта:

• Более 10 мм
• 10-5
• 5-2
• 2-1
• 1-0,5
• 0,5-0,25
• 0,25-0,1

Для определения гранулометрического состава каждую фракцию взвешивают. Затем вычисляют ее процентное содержание – вес фракции разделяют на общий вес пробы и умножают на 100.

Ареометрический метод

Ареометрический метод определения гранулометрического состава используется для грунтов с диаметром частиц менее 0,1 мм. Его суть – в измерении плотности суспензии грунта через определенные промежутки времени с помощью прибора ареометра.

Пробу грунта измельчают и просеивают через сита с разным диаметром. Частицы, которые остались на сите 0,1 мм, дополнительно смывают водой. Смешивают пробу весом около 30 г, которая прошла через самое мелкое сито, и разбавляют ее дистиллированной водой (около 200 мл). Добавляют в полученную суспензию 25% раствор аммиака и кипятят смесь 30 минут (пески и супеси) или 1 час (суглинки).

Когда проба остынет, к ней добавляют стабилизатор — пирофосфорнокислый натрий (4% или 6,7% раствор). Суспензию взбалтывают и опускают в нее ареометр.

Замеры делают с определенными промежутками времени:

• 1 минута (для частиц с диаметром менее 0,05 мм)
• 30 минут (для частиц с диаметром более 0,01 мм)
• 11 часов (для частиц с диаметром более 0,02 мм)

Данные замеров фиксируют в специальном журнале. Затем по формуле вычисляют процентное содержание каждой фракции. Для зерен размером до 0,1 мм это делают так же, как при ситовом методе. Для фракций 0,1-0,05, 0,05-0,01, 0,01-0,002 используется формула, в которой учитываются плотность воды, плотность частиц, масса зерен с диаметром менее 0,1 мм и процентное содержание частиц с диаметром более 1 мм.

Пипеточный метод

При пипеточном методе суспензия из мелких частиц грунта готовится так же, как и при ареометрическом. Измерение объема частиц с разным диаметром делают с помощью специальной пипетки с боковыми отверстиями. Она имеет трехходовой канал, который соединяется с аспиратором и колбой с дистиллированной водой.

Перед взятием проб колоба с суспензией взбалтывается на протяжении 1 минуты. Когда частицы осядут в нее опускается пипетка. В верхних слоях концентрируются микрочастицы с диаметром 0,001-0,002 мм. В нижних оседают более крупные зерна.

Пипетка опускается на разную глубину, где и проводятся заборы проб:

• На 7 см в течение 30 с – частицы менее 0,001 и 0,002 мм
• На 10 см в течение 10-15 с – частицы менее 0,005 и 0,01 мм
• На 25 см в течение 25 с – частицы менее 0,05 мм

После забора проб их высушивают и взвешивают. Затем по формуле высчитывают процентное содержание.

Определение гранулометрического состава грунта в домашних условиях

Самостоятельно можно лишь приблизительно определить гранулометрический состав, отличить один вид грунта от другого. Чаще всего это делается для мелкозернистых глинистых и песчаных грунтов.

Вот несколько методов:

1. Чтобы отличить глину, суглинок и супесь, образец смачивают, затем делают шнур или шар. Супесь быстро распадается, не держит формы. Суглинок скатывается в шнур, но по его краям появляются трещины, он быстро распадается при подсушивании. Глина хорошо держит форму, сохраняет ее даже после высушивания.
2. Образец грунта размачивают в стакане с водой. На дно будут оседать крупные песчинки, а мелкие частицы расположатся вверху. Обычной линейкой измеряют высоту осадка, а затем по объему вычисляют процентное содержание глинистых и песчаных частиц. Например, высота осадка 10 см. Из этого 3 см занимает песок, а 6 см глина. Значит в грунте около 30% песчаных частиц и до 60% глинистых. Скорее всего вы имеете дело с суглинком.
3. Различить разные виды грунтов можно на ощупь. Глина с трудом растирается, частицы тонкие, мягкие. В суглинке ощущаются песчинки, а в супеси лишь слегка прощупываются пылевидные и глинистые частички.

Повторим, эти три способа позволяют определить гранулометрический состав лишь примерно. Перед началом ответственных работ стоит заказать анализ в лаборатории. В каких случаях стоит знать гранулометрический состав грунта, мы опишем дальше.

Влияние гранулометрического состава на область применения грунтов

Гранулометрический состав грунта влияет на многие его свойства – водопроницаемость, влагоемкость, плотность, прочность, просадочность. Поэтому при выборе материала или оценке грунта на участке важно ориентироваться на этот показатель.

Вот несколько рекомендаций по выбору грунта:

• Для устройства основания под фундаментами и дорожным полотном
  Основанием может служить природный грунт на участке или привозной. Второй вариант используют в тех случаях, когда грунт приходится укреплять, частично или полностью заменять. На участках чаще всего попадаются глинистые или песчаные грунты, гораздо реже – скальный с разной степенью выветривания.
  Одно из самых надежных оснований – галечниковый или щебенистый грунт. Он хорошо пропускает воду, крупные зерна прочные и выдерживают большие нагрузки. Желательно, чтобы грунт был неоднородным. Тогда он лучше уплотняется, менее подвержен сдвигу (мелкие зерна заклинивают крупные). Хорошей прочностью обладает глина. Мелкие частицы соединяются между собой коллоидными связями, образуя сплошной твердый массив с низкой водопроницаемостью. Но глинистые грунты склонны к набуханию и морозному пучению.
  Не лучшим основанием будет мелкий песок и грунт с большим содержанием пылевидных частиц (лес и лессовидный суглинок). Эти материалы обладают высокой просадочностью. Такой грунт на участке нужно либо заменять, либо укреплять скалой, щебнем, гравием.
  Подробнее об этом читайте в статье Грунт для фундамента.
• Для выравнивания участков
  Для выравнивания участков лучше всего использовать мелкозернистый грунт с однородным гранулометрическим составом. Подойдет песок, суглинок, супесь. Также с этой целью можно использовать мелкий гравий или дресву (фракция 2-5), без крупных включений.
• Для засыпки пазух фундамента
  Пазухи фундамента нужно засыпать материалом, который пропускает воду так же или меньше, чем основной грунт на участке. Лучше всего брать мелкозернистый суглинок, глину или супесь.
• Для гидроизоляции
  Грунт для гидроизоляции используют при оборудовании колодцев. Лучше всего в этом случае подойдет глина. Ее мелкие зерна хорошо утрамбовываются и образуют водонепроницаемый слой за счет коллоидных связей.
• Для засыпки ям, траншей, котлованов
  Для засыпки ям, траншей и котлованов можно брать грунт с любым гранулометрическим составом. Здесь в первую очередь обращают на стоимость материала. Часто используют котлованный грунт. Если в ямах и траншеях проложены коммуникации, лучше засыпать их песком, дресвой или гравием. Эти грунты хорошо пропускают воду, не набухают и не пучинятся.
  Подробнее об этом читайте в статье Грунт для обратной засыпки.
• Для засыпки временных и грунтовых дорог, ремонта дорог
  Для грунтовых дорог следует использовать материалы со средним размером зерен 2-10 мм (гравий, галечник, дресву). Желательно, чтобы в них не было включений глины и мелкого песка. Такие частицы быстро смываются водой, дорога разрушается. Временные проезды можно засыпать песком или супесью. Если по временной дороге будет ездить тяжелая техника, лучше использовать крупнообломочный грунт, как и на грунтовках.
• Для обустройства обочин и насыпей
  Для обочин и насыпей можно использовать как крупнообломочные грунты, так и песчаные или глинистые. Очень важно, чтобы частицы материала имели шероховатую поверхность. Окатанные зерна плохо сцепляются между собой, поэтому насыпи становятся неустойчивыми.
• Для укрепления грунта
  Грунт укрепляют, чтобы увеличить его прочность и уменьшить просадочность. Лучше всего для этого подходят крупнообломочные разновидности – галечник, щебень, гравий. Гранулометрический состав их может быть неоднородным – частицы разного размера при трамбовке создают эффект расклинцовки и образуют прочный слой, устойчивый к сдвигам и вертикальным нагрузкам.
• Для изготовления бетона низких марок
  Для изготовления бетона используют крупнообломочные грунты – гравий, щебень. В них не должно быть пылевидных и глинистых частиц, которые создают пленку на поверхности крупных зерен и ухудшают адгезию. Включения песка вполне приемлемы. Песчаные грунты без примесей глины также используются в качестве наполнителя для бетона.

Гранулометрический состав грунта – это лишь одна из характеристик, на которую стоит ориентироваться при выборе материала. Но от нее зависят многие другие свойства. Уже по названию грунта вы можете сориентироваться, из каких зерен он состоит. Но в ряде случаев лучше воспользоваться услугами специалистов, чтобы точно определить гранулометрический состав. В первую очередь это касается грунтов под фундаментами, для возведения насыпей или изготовления бетона.

Определение гранулометрического состава грунтов и почв

Твердая фаза почвы состоит из частиц различных размеров, которые называются механическими элементами или гранулами. Относительное содержание в почве или грунте механических элементов называется механическим или гранулометрическим составом, а количественное определение их гранулометрическим или механическим анализом.

В соответствии с ГОСТ 27593-88 «Почвы. Термины и определения», гранулометрический состав – это содержание в почве механических элементов, объединенных по фракции.

Проведение гранулометрического анализа очень важно при определении физико-механических свойств почв/грунтов, таких как порозность, влагоемкость, водопроницаемость, плотность, пластичность, липкость, набухание и др., то есть тех свойств, которые напрямую влияют на плодородие почв или знание которых необходимо при проведении строительных работ.

Механические элементы в зависимости от размера подразделяют на фракции: больше 3мм-камни, 3-1мм — гравий, песок 1-0,05мм (крупный, средний, мелкий), пыль – 0,05-0,001 (крупная, средняя, мелкая), ил – 0,001-0,0001 (грубый, тонкий) и коллоиды меньше 0,0001. Сумму всех механических элементов почвы размером меньше 0,01мм называют физической глиной, а больше 0,01мм – физическим песком. Кроме того, выделяют мелкозем, в который входят частицы меньше 1мм, и почвенный скелет – частицы больше 1мм.

Соотношение физической глины и физического песка лежит в основе классификации почв по механическому составу. Все почвы и грунты по механическому составу объединяют в несколько групп с характерными для них физическими и химическими свойствами: песок, супесь, суглинок, глина. Каждая группа подразделяется на подгруппы в зависимости от крупности механических элементов и преобладающих фракций.

Гранулометрический состав можно определить приближенно в полевых условиях по внешним признакам и на ощупь «сухим» или «мокрым» методом. Этими методами могут воспользоваться садоводы-огородники при определении доз внесения удобрений, количества песка, торфа, опилок для улучшения структуры почвы и создания более благоприятных условий для роста сельскохозяйственных культур.

Подробная информация об услуге в разделеАнализ почвы

«Сухой» метод

Сухой комочек или щепотку почвы/грунта кладут на ладонь и тщательно растирают пальцами. Механический состав определяется по ощущению при растирании. Глинистые почвы в сухом состоянии с большим трудом растираются между пальцами, но в растертом состоянии ощущается однородный тонкий порошок. Суглинистые почвы при растирании в сухом состоянии дают тонкий порошок, в котором прощупывается некоторое количество песчаных частиц. Песчаные почвы состоят только из песчаных зерен с небольшой примесью пылеватых и глинистых частиц.
Пылеватые почвы и породы при растирании дают ощущение мягкости или «бархатистости»; песчанистые — жесткости, шероховатости; пылевато-песчанистые — мягкости, но и явного присутствия песчинок.

«Мокрый» метод

Образец растертой почвы или грунта увлажняют до тестообразного состояния, при котором почвы обладают наибольшей пластичностью. Затем пробуют на ладони скатать шарик и из него шнур толщиной около 3мм. Получившийся шнур пробуют свернуть в кольцо диаметром 2-3см. В зависимости от механического состава почвы/грунта показатели «мокрого» анализа будут различны. У рыхлых песков шарик не образуется; у связных песков — легко крошится; у супесей — имеет шероховатую поверхность; у суглинков — гладкую поверхность; у глинистых — гладкую, блестящую поверхность. Пески не образуют шнура; супеси дают зачатки шнура; у легких суглинков шнур образуется, но распадается на дольки; средние суглинки дают сплошной шнур, но при свертывании в кольцо он разламывается на дольки; тяжелый суглинок — шнур образуется сплошной, но при свертывании в кольцо трескается ; глины дают сплошной шнур, который свертывается в кольцо, не трескаясь.

Для точного установления гранулометрического состава применяют лабораторные методы, позволяющие находить количество всех групп механических элементов, слагающих почву или грунт.

При исследованиях гранулометрического состава почв/грунтов песчаного и крупнообломочного состава, реже в супесчаных, применяется ситовой метод (метод просеивания на ситах). Пробы грунта просеивают через набор сит с отверстиями разного диаметра: 10; 5; 2; 1; 0,5; 0,25; 0,1. Каждую фракцию грунта, задержавшуюся на ситах, взвешивают и рассчитывают процентное содержание по отношению к общей массе грунта. При проведении гранулометрического анализа песков с размером частиц от 10 до 0,5 мм просеивание проводится без промывки, а от 10 до 0,1 мм с промывкой водой

Для исследования гранулометрического состава глинистых и суглинистых грунтов для частиц менее 0,1мм применяют ареометрический и пипеточный методы гранулометрического анализа. Эти методы основаны на зависимости, существующей между скоростями падения частиц и их размером. Если взмутить суспензию почвы/грунта и оставить ее в спокойном состоянии, то постепенно взмученные частицы осядут. Быстрее будут осаждаться более крупные по размеру и более тяжелые механические элементы, то есть плотность и механический состав суспензии будут изменяться с течением времени.

При ареометрическом методе производят измерения плотности отстаиваемой в цилиндре суспензии ареометром через определенные промежутки времени. Плотность, измеренная ареометром, зависит от содержания в суспензии взвешенных твердых частиц. Получив значения убывающей плотности через определенные промежутки времени, с помощью расчетных формул или по номограммам определяют процентное содержание частиц определенного размера.

Пипеточный метод предполагает отбор проб суспензии из цилиндра с определенных глубин через разные промежутки времени. Для производства анализа взмучивают грунтовую суспензию и оставляют ее в покое на определенное время, после чего специальной пипеткой с нужной глубины отбирают пробу суспензии. Такая проба содержит только те частицы, которые не успели осесть за указанное время отстаивания. При следующих пробах, взятых пипеткой через большие промежутки времени от начала отстаивания суспензии, получают более мелкие частицы. Определяя массу высушенных проб и зная размер отобранных частиц (вычисляемый по длительности отстаивания суспензии и глубине взятия проб), вычисляют процентное содержание этих частиц в образце почвы/грунта.

Классификация почв по механическому составу (по Н.А. Качинскому)

Название почвы по механическому составу	Содержание физической глины (частиц < 0,01 мм) в %			Содержание физического песка (частиц >0,01 мм) в %
	ПОЧВЫ
	подзолистоготипа почвообразования (ненасыщ. основан.)	степного типа почвообразования красноземы и желтоземы	солонцы и сильно солонцеватые почвы	подзолистоготипа почвообразования (ненасыщ. основан.)	степного типа почвообразования красноземы и желтоземы	солонцы и сильно солонцеватые почвы
песок рыхлый	0-5	0-5	0-5	100-95	100-95	100-95
песок связный	5-10	5-10	5-10	95-90	95-90	95-90
супесь	10-20	10-20	10-15	90-80	90-80	90-85
суглинок легкий	20-30	20-30	15-20	80-70	80-70	85-80
суглинок средний	30-40	30-45	20-30	70-60	70-55	80-70
суглинок тяжелый	40-50	45-60	30-40	60-50	55-40	70-60
глина легкая	50-60	60-75	40-50	50-35	40-25	60-50
глина средняя	65-80	75-85	50-65	35-20	25-15	50-35
глина тяжелая	>80	>85	>65	<20	<15	<35

Наша испытательная лаборатория аккредитована Федеральной службой по аккредитации на выполнение исследований гранулометрического состава по ГОСТ 12536-2014 «Методы лабораторного определения гранулометрического (зернового) и микроагрегатного состава».

Подготовка проб почвы

Проведение экстракции проб

Отбор навесок почвы

Пошаговое руководство по гранулометрическому анализу

Гранулометрический анализ является типичным лабораторным тестом, проводимым в области механики грунтов. Целью анализа является получение гранулометрического состава почв.

Анализ проводится двумя методами. Анализ размера зерен сита способен определять размер частиц в диапазоне от 0,075 мм до 100 мм. Любая категоризация зерен размером более 100 мм будет проводиться визуально, тогда как частицы размером менее 0,075 мм могут быть распределены с помощью Метод ареометра .

Гранулометрический анализ

Испытание проводится с использованием набора сит с различными размерами ячеек. Каждое сито имеет квадратные отверстия определенного размера. Сито отделяет более крупные частицы от более мелких, распределяя образец почвы на 2 количества. Зерна с диаметром больше размера отверстий задерживаются ситом, а зерна меньшего диаметра проходят через сито. Тест проводится путем размещения ряда сит с постепенно уменьшающимися размерами ячеек друг над другом и пропускания образца почвы через сложенную ситовую «башню». Таким образом, частицы почвы распределяются по мере их задержания различными ситами. Поддон также используется для сбора тех частиц, которые проходят через последнее сито (№ 200).

Номенклатура сит, обычно используемых для гранулометрического анализа почв, а также соответствующие размеры отверстий представлены в Таблице 1 . На основе диапазона размеров частиц и Единой системы классификации почв (USCS) почвы можно классифицировать по общим категориям, представленным в таблице 2 . Дальнейшие классификации возможны после дальнейшего анализа результатов распределения размера зерна.

Таблица 1 : Сита, обычно используемые в тесте гранулометрического анализа

Таблица 2 : Классификация почвы по размеру частиц (USCS) при 110 ± 5°C

• Стандартные сита
• Прободелитель
• Механический просеиватель
• Чашки

0005 Рисунок 1 .

Рисунок 1 : Типичная установка сит, установленных друг на друга, на механическом встряхивателе (Источники: проф. Сьюзен Бернс, Технический университет Джорджии, факультет гражданского и экологического строительства)

Пошаговая процедура анализа ситового анализа

Типичная процедура тестирования состоит из следующих шагов:

1. Взвесьте образец сухой почвы, который должен быть не менее 500 г.
2. Запишите вес сит и чаши, которые будут использоваться во время анализа. Каждое сито должно быть тщательно очищено перед испытанием.
3. Соберите сита в порядке возрастания, расположив сита с большими отверстиями сверху. Следовательно, сито № 4 должно быть сверху, а сито № 200 — снизу штабеля.
4. Поместите образец почвы в верхнее сито и наденьте на него колпак/крышку.
5. Поместите стопку в механический шейкер и встряхивайте в течение 10 минут.
6. Извлеките стопку сит из шейкера и измерьте вес каждого сита и чаши, расположенной на дне стопки.

Обработка данных

Вес почвы, оставшейся на каждом сите, рассчитывается путем вычитания веса пустого сита из зарегистрированного веса сита после испытания. Общий вес оставшихся частиц суммируется и сравнивается с исходным весом образца почвы. Требуется разница менее 2%.

Процент, оставшийся на каждом сите, определяется путем деления каждого оставшегося веса на исходный вес образца почвы. Впоследствии общий процент, прошедший через каждое сито, рассчитывается путем вычитания кумулятивного процента, оставшегося в этом конкретном сите и тех, что выше него, из общего количества.

Типовой лист данных по гранулометрическому анализу представлен ниже ( Таблица 3 ). Кроме того, типичная кривая гранулометрического состава среднего песка показана на рис. 2 .

Таблица 3 : Типовой лист данных по гранулометрическому анализу как отношение D ₆₀ до D ₁₀ ( Рисунок 1 ). Значение D ₆₀ представляет собой диаметр зерна, при котором 60 % частиц почвы являются более мелкими, а 40 % частиц почвы более крупными, а D ₁₀ представляет собой диаметр зерна, при котором 10 % частиц более мелкие и 90 % частицы более крупные. Следовательно, C _u оценивается как:

Когда C _u больше 4, почва классифицируется как хорошо сортированная, а когда C _u меньше 4, почва классифицируется как плохо сортированная. равномерно градуированы.

Рисунок 2 : Кривая распределения размера зерен средне-мелкого песка

Анализ ареометром размера зерна

Анализ ареометром используется для частиц размером менее 75 мкм. Эти частицы проходят через последнее сито (№ 200) ситового анализа.

Ареометр представляет собой устройство, предназначенное для измерения относительной плотности жидкости, которая представляет собой отношение фактической плотности вещества к плотности воды. Аппарат состоит из цилиндрического стержня и колбы, которая содержит определенную порцию ртути или свинца на дне, откалиброванную так, чтобы плавать в жидкости в вертикальном положении. Жидкость наливают в высокий цилиндр, обычно сделанный из стекла, и помещают внутрь ареометр до тех пор, пока она не стабилизируется. Тест основан на том принципе, что в жидкости с низкой плотностью ареометр будет погружаться глубже, пока не уравновесится.

Ареометр содержит шкалу, которая используется для записи относительной плотности жидкости в зависимости от ее погружения.

При анализе размера зерен ареометром используется преимущество изменения относительной плотности смеси почвы и воды по мере погружения частиц почвы. Испытание основано на том факте, что когда почву наливают в жидкость, относительная плотность смеси почва-вода повышается. По мере погружения частиц грунта плотность уменьшается, пока не достигнет начальной плотности жидкости. Первыми тонут самые тяжелые частицы (большего диаметра).

Компоненты испытательной установки

Типовая испытательная установка ареометра, показанная на рис. 3 , состоит из:

. процедура состоит из выполните следующие шаги:

1. Просейте достаточное количество почвы вручную через сито #40
2. Высушите почву при 110 ± 5°C в течение ночи
3. С помощью эксикатора поместите образец и дайте ему остыть.
4. Запишите сухой вес почвы (обычно 50 г)
5. Налейте 500-600 мл дистиллированной воды в стальную чашу для смешивания.
6. Добавьте 5 г раствора гексаметафосфата натрия и используйте высокоскоростной миксер для его диспергирования (~3 мин.).
7. Добавьте почву в смесь и перемешайте в течение 5-6 минут.
8. Очистите лезвие, так как материал не должен теряться.
9. Поместите смесь в 1-литровую цилиндрическую емкость и залейте ее дистиллированной водой.
10. Наденьте на баллон резиновый колпачок и несколько раз переверните контейнер вверх дном.
11. Сразу после встряхивания поставьте контейнер на стол и начните измерять время.
12. Медленно вставьте ареометр в емкость и снимите показания через 10, 20, 40, 60 и 120 секунд соответственно. Измерение следует проводить на вершине сформированного мениска. Используйте термометр для измерения температуры.
13. Сразу после двухминутного считывания выньте ареометр и поместите его в другую емкость с дистиллированной водой.
14. Осторожно вставьте ареометр и выполните следующие измерения через 4, 6, 8, 15, 30, 60 и 90 минут. В перерывах между измерениями наденьте резиновый колпачок на контейнер.

Вычисления анализа размера зерен ареометром

Если температура во время испытания ареометром остается постоянной, для определения диаметра частиц можно использовать закон Стокса.

Формула закона Стокса представлена ​​ниже:

где:

D : Максимальный диаметр частиц почвы, соответствующий процентам, указанным в показаниях одного ареометра.

μ : Вязкость жидкости

v : конечная скорость осадки

γ ₅

удельный вес частиц почвы

γ _f : Удельный вес жидкости

Поскольку вязкость жидкости, удельный вес частиц почвы и удельный вес жидкости зависят только от температуры и удельного веса частиц почвы, G _S (типичное значение ~ G _S =2,70), первый член уравнения заменяется константой, известной как Постоянная седиментации K .

Следовательно, закон Стокса упрощается следующим образом:

Конечная скорость частиц ( v , см/мин) вычисляют делением глубины осаждения L (расстояние от поверхности взвеси до центра объема ареометра, см) на время ( t , в мин.).

Следовательно, закон Стокса переписывается как ( D в мм):

0003

Где R – показания ареометра в граммах/литрах.

Закон Стокса вычисляет больший возможный диаметр взвешенных частиц.

для получения процентного прохождения частиц для каждой стадии считывания используется следующее уравнение:

Где:

— α : коэффициент коррекции для плотности частиц

— W 9.0186 : вес исходного сухого грунта (обычно 50 г)

   — b : поправочный коэффициент, связанный с температурой, и 1 добавляется для устранения эффекта мениска.

Наконец, кумулятивный процент прохождения частиц отображается в зависимости от максимального диаметра частиц почвы в полулогарифмическом масштабе.

Допущения закона Стокса

Допущения, которые делаются с использованием закона Стокса в тесте ареометра, следующие:

1. Частицы намного больше, чем молекулы воды.
2. Частицы представлены гладкими и твердыми сферами с одинаковым удельным весом.
3. Частицы оседают индивидуально, и на них не влияют столкновения с другими частицами.
4. В нулевое время частицы находятся в состоянии покоя, но мгновенно ускоряются до своей конечной скорости оседания

Литература

Метод геотехнических испытаний: метод испытаний и обсуждение для анализа размера частиц в почвах методом ареометра (2015). Инженерно-геологическое бюро. Департамент транспорта. Штат Нью-Йорк. ГТМ-13, Ревизия 2

Измерение состава почвы в лаборатории | Информационные бюллетени

Ключевые моменты

• Анализ размера частиц разбивает почву на классы текстуры – песок, ил или глина.
• Структура почвы влияет на удержание питательных веществ, накопление воды и дренаж.
• Частицы размером более 2 мм удаляются перед анализом.
• Текстурный треугольник почвы используется для определения типа почвы на основе процентного содержания песка, ила и глины.

Справочная информация

Гранулометрический анализ (PSA) определяет относительное количество песка, ила и глины в почве. Эти размерные фракции являются минеральным компонентом почвы и вместе определяют механический состав почвы. PSA представляет собой лабораторную альтернативу полевому текстурированию (см. «Измерение состава почвы» в информационном бюллетене «Полевые данные») и предлагает более надежное определение гранулометрического состава. Существует лишь приблизительная корреляция между текстурированием рук и ПСА (McDonald 9).0403 и др. , 1998), потому что ручное текстурирование основано на качественной интерпретации текстуры, в то время как PSA измеряет точное количество размеров отдельных частиц.

Текстура почвы – это неотъемлемая характеристика качества почвы, которая оказывает большое влияние на некоторые другие свойства, влияющие на сельскохозяйственный потенциал (White, 1997). В частности, текстура почвы влияет на удержание питательных веществ, накопление воды и дренаж. Почвы с более высокой долей песка сохраняют меньше питательных веществ и воды по сравнению с глинистыми почвами.

Минеральные компоненты почвы

Крупные обломки

Размер более 2 мм, включая крупный кварц, обломки породы и сцементированный материал. Ее обычно называют «гравийной фракцией».

Песок

Состоит из кварца и стойких первичных минералов, таких как слюда. Частицы песка имеют размер от 2 мм до 20 микрон (Примечание: в 1 мм 1000 микрон).

Ил

Ил обычно состоит из кварца и мелких минеральных частиц, таких как полевой шпат и слюда, и имеет диаметр от 2 до 20 микрон.

Глина

Глины состоят из вторичных глинистых минералов и оксидов/оксигидроксидов железа и алюминия и имеют диаметр менее 2 микрон.

Юго-Западная Австралия

Данные о почвах из ряда проектов, проводимых по всему штату, постоянно добавляются в базу данных о почвах, управляемую Министерством сельского хозяйства и продовольствия Западной Австралии. На рис. 1, взятом из McArthur (1991), показаны типы почв, характерные для юго-западной Австралии.

Рис. 1: Характеристика почв сельскохозяйственного региона юго-западной Австралии. Изображение предоставлено Группой оценки природных ресурсов, DAFWA.

Гранулометрический анализ

PSA — это надежный, воспроизводимый метод, который исключает факторы, которые могут повлиять на текстуру месторождения, такие как содержание органического вещества, минералогический состав глины, катионный состав и присутствие вяжущих веществ (Bowman and Hutka, 2002). . Способ включает две части: диспергирование почвы и разделение частиц на группы по размерам.

Диспергирование и предварительная обработка

Предварительная обработка почвы может потребоваться для удаления органических веществ и солей, таких как гипс. Оксиды железа, карбонат кальция и карбонат магния также должны быть удалены, поскольку они являются обычными цементирующими агентами в почвах Австралии (Bowman and Hutka, 2002). Предварительная обработка грунта позволит ему полностью рассеяться.

Фракционирование

Фракционирование включает удаление каждой группы размеров частиц (песок, ил и глина) из предварительно обработанной смеси почвы и воды, помещенной в цилиндр (рис. 2). Это достигается за счет того, что частицы почвы разного размера оседают из раствора в разное время (маленькие частицы глины занимают больше всего времени). Фракции впоследствии высушивают и взвешивают, а песка, ила и глины необходимо добавить

до 100%. Для этого метода необходимы некоторые расчеты, включая использование коэффициента масштабирования для пипеточного анализа и расчет для ситового анализа. Полный метод см. в Bowman and Hutka (2002).

Рисунок 2: Цилиндр, используемый для фракционирования частиц песка, ила и глины. Сначала оседает песчаная фракция, затем ил, затем глинистая фракция.

Использование треугольника текстуры почвы

Треугольник текстуры почвы (рис. 3) используется для преобразования распределения частиц по размерам в признанный класс текстуры на основе относительного количества песка, ила и глины в процентах, например:

Рисунок 3 : После завершения фракционирования почвы для определения текстуры почвы используется текстурный треугольник почвы. Изображение адаптировано из Ханта и Гилкса (1992).

A – Песок 50 % + Ил 30 % + Глина 20 % = ПЫЛЕВЫЙ СУГЛИНОК

Сетка на треугольнике позволяет вам двигаться влево или вправо от вашего положения параллельно любой стороне треугольника. Лучше всего начинать с основания с песком. Расположите палец вдоль базовой линии на отметке 50%. Проведите пальцем вверх по линии, идущей параллельно правой стороне треугольника. Одновременно используйте другой палец, чтобы провести линию от отметки 30% ила, пока они не пересекутся. Ваши два пальца всегда будут соприкасаться на глине для оставшегося процента, в данном случае 20%. Это всегда так, что первые два выбранных размера приведут вас к третьему.

B – Песок 80 % + Ил 5 % + Глина 15 % = СУГЛИНИСТЫЙ СУГЛИНОК

Проведите пальцем по линии 80% песка, одновременно проводя другим пальцем по линии 5% ила, пока они не пересекутся. Это должно быть там, где глины 15%.

Дополнительная литература и ссылки

Bowman GM and Hutka J (2002) Анализ размера частиц. В Физические измерения и интерпретация почвы для оценки земли

(Eds N McKenzie, K Coughlan, H Cresswell), стр. 224-239.. Издательство CSIRO: Виктория.

Хант Н. и Гилкс Р. (1992) Справочник по мониторингу фермы. Университет Западной Австралии: Недлендс, Вашингтон.

Маккензи Н., Кофлан К. и Крессвелл Х. (2002) Физические измерения и интерпретация почвы для оценки земли.

CSIRO Издательство: Коллингвуд, Виктория.

McKenzie NJ, Jacquier DJ, Isbell RF, Brown KL (2004) Австралийские почвы и ландшафты, иллюстрированный сборник.