Руководство по геотехническому контролю за подготовкой оснований и возведением грунтовых сооружений в энергетическом строительстве

7.5.3.2. Для определения гранулометрического состава глинистых грунтов ареометрическим методом применяется следующая аппаратура: аналитические весы, технические весы, ареометр со шкалой 0,995-1,030 и ценой деления 0,001 (рис. 6), набор сит (с поддоном) с размером отверстий 10; 5; 2; 1; 0,5; 0,25; 0,1 мм (по ГОСТ 12536-79); фарфоровая ступка и пестик с резиновым наконечником (по ГОСТ 9147-80Е); сушильный шкаф; эксикатор (по ГОСТ 23932-79Е); чашки фарфоровые (по ГОСТ 9147-80Е); коническая плоскодонная колба емкостью 750-1000 мл; обратный холодильник; воронки диаметром 2-3 см и ~14 см (по ГОСТ 8613-64); стеклянные стаканчики (по ГОСТ 23932-79Е); фарфоровые тигли (по ГОСТ 9147-73); стеклянный мерный цилиндр емкостью 1 л и диаметром 60±2мм; термометр с точностью измерения до 0,5 °С (по ГОСТ 2823-73Е); мешалка; секундомер; промывалка; пипетки на 5 и 50 мл; линейка на 20 см с миллиметровыми делениями; кисточка для сметания частиц с сит; нож.

При разделении на фракции пробы, суспензия которой при опробовании на коагуляцию не коагулирует, для промывания, смывания осадков и разбавления суспензии должна применяться дистиллированная вода с добавлением 25-процентного раствора аммиака с концентрацией 0,5 см³ на 1 л воды.

Отбирают методом квадратов пробу грунта массой 200 г в воздушно-сухом состоянии и просеивают сквозь набор сит с размером отверстий 10; 5; 2; 1; 0,5 мм. Взвешивают фракции грунта, задержавшиеся на ситах и прошедшие в поддон. Если в образце нет крупных частиц, просеивание сквозь сита с размером отверстий 1 мм и более не производят.

Отбирают методом квадратов среднюю пробу из грунта, прошедшего сквозь сито с размером отверстий 1 мм, в заранее взвешенную фарфоровую чашечку и взвешивают ее. Масса средней пробы должна быть: для глин около 20 г, для суглинков около 30 г, для супесей около 40 г, для глинистых песков - 50-55 г. У илов, черноземов и других грунтов гранулометрический состав определяют на образцах с природной влажностью. Пробу из этих грунтов отбирают с учетом их влажности, увеличив соответственно величину навески.

Одновременно с взятием средней пробы для определения зернового состава таких грунтов отбирают пробу для нахождения количества гигроскопической воды и плотности частиц у грунтов воздушно-сухого состояния, для определения влажности и плотности частиц у илов, черноземов и т.п.

Примечание. Допускается величину плотности частиц грунта назначать по справочным данным.

Взбалтывают суспензию и оставляют в покое на сутки. Если суспензия за это время коагулирует, выпавший на дно пробирки (или мерного цилиндра) осадок должен иметь рыхлую, хлопьевую структуру, а жидкость над осадком будет прозрачной.

Среднюю пробу, суспензия которой при опробовании на коагуляцию не коагулирует, переносят в колбу емкостью 750-1000 мл, сливая остаток пробы в чашке струей воды. Доливают в колбу воду так, чтобы общее количество воды было десятикратным по отношению к массе средней пробы грунта. Грунт, залитый водой, выдерживают одни сутки. Прибавляют в колбу 1 см³ 25%-ого раствора аммиака, закрывают ее пробкой с обратным холодильником или воронкой диаметром 2-5 см и кипятят суспензию в течение 1 часа. Охлаждают суспензию до комнатной температуры, затем сливают ее сквозь сито с размером отверстий 0,1 мм в стеклянный цилиндр емкостью 1 л, для чего в цилиндр вставляют воронку диаметром примерно 14 см, а в нее сито. Оставшиеся на внутренней поверхности колбы частицы грунта следует тщательно смыть водой.

К средней пробе грунта, суспензия которого при опробовании на коагуляцию коагулирует, добавляют воду, взбалтывают и сливают взвесь в стеклянный цилиндр сквозь сито с размером отверстий 0,1 мм, не производя в течение суток размачивания и последующего кипячения.

Смывают задержавшиеся на сите частицы и агрегаты струей воды в фарфоровую чашку, где их тщательно растирают резиновым пестиком. Сливают образовавшуюся в чашке взвесь в цилиндр сквозь сито с размером отверстий 0,1 мм. Растирание осадка в чашке и сливание взвеси сквозь сито продолжают до полного осветления воды над частицами, оставшимися на дне чашки.

Добавляют задержавшиеся на сите частицы к частицам, оставшимся на дне фарфоровой чашки, переносят их в заранее взвешенный фарфоровый тигель или стеклянный бюкс, выпаривают на песчаной бане, высушивают в сушильном шкафу до постоянной массы и просеивают сквозь сита с размером отверстий 0,5; 0,25 и 0,1 мм. При анализе илов, черноземов и других грунтов высушенные до постоянной массы частицы просеивают сквозь набор сит с размерами отверстий 10; 5; 2; 0,5; 0,25; 0,1 мм.

Частицы, прошедшие сквозь сито с размерами отверстий 0,1 мм, переносят в цилиндр с суспензией. Взвешивают фракции, задержавшиеся на ситах. Цилиндр доливают водой (если это потребуется) до 1 л.

При анализе пробы, суспензия которой при опробовании на коагуляцию коагулирует, перед доливанием воды в цилиндр добавляют в него 25 см³ раствора пирофосфорнокислого натрия: 4% - из расчета на безводный пирофосфорнокислый натрий (Na₄P₂O₇); 6,7% - из расчета на водный пирофосфорнокислый натрий (Na₄P₂O₇·10H₂O).

Взбалтывают суспензию мешалкой в течение 1 мин, замечают время окончания взбалтывания и, спустя 20 с, осторожно опускают ареометр в суспензию. Ареометр должен свободно плавать, не касаясь стенок цилиндра.

Производят первые отсчеты плотности суспензии по верхнему краю мениска через 30 с, 1, 2 и 5 мин после начала опыта (после окончания взбалтывания), не вынимая ареометра из суспензии. Отсчеты по ареометру не должны превышать 5-7 с.

По табл. 20 определяется время взятия отсчета по ареометру после окончания взбалтывания суспензии.
Таблица 20

Диаметр фракции зерен грунта, мм	Время от конца взбалтывания суспензии до замера ее плотности
Менее 0,05	1 мин
" 0,01	30 мин
" 0,005	3 ч

Примечание. Для удобства работы с ареометром берут упрощенные отсчеты, т.е. отбрасывают единицу и переносят запятую на три знака вправо; в этом случае тысячные деления будут представлять собой целые числа, а десятитысячные, которые берут на глаз - десятые.

Последующие отсчеты плотности суспензии производят через 15, 30 мин, 1; 1,5; 3 и 4 часа. Ареометр опускают в суспензию за 5-10 с до очередного замера немного глубже, чем при предыдущем замере. После взятия каждого отсчета ареометр из суспензии вынимают.

В отсчеты плотности суспензии вносят также поправки на нулевое показание ареометра, диспергатор и высоту мениска.

Вычисляют массу средней пробы грунта (m_o,g) в граммах без гигроскопической воды или природной влажности (вносят поправку на гигроскопическую воду или природную влажность) по формуле:

где m₂ - масса средней пробы в воздушно-сухом состоянии (или с природной влажностью), г; W_g - количество гигроскопической воды (или природная влажность), %.

Вычисляют содержание фракций размером более 0,25 мм и более 0,1 мм (L) в процентах по формуле:

, (16)

где m_o - масса данной фракции, высушенной до постоянной величины, г; m_o,g - масса средней пробы грунта с поправкой на гигроскопическую воду или природную влажность, г; - суммарное содержание фракции размером более 0,5 мм, %.

Производят расчет диаметра частиц d в миллиметрах по номограмме или по формуле:

, (17)

где h_R - путь частиц от поверхности жидкости до центра водоизмещения ареометра, соответствующий исправленному отсчету R; v - коэффициент вязкости воды (в пуазах), определяемый по табл. 22 в зависимости от температуры; g - ускорение силы тяжести, равное 981 см/с²; _s - плотность частиц грунта, г/см³; _W - плотность воды, принимаемая равной 1 г/см³; t_R - время от начала взбалтывания суспензии до взятия отсчета R, с.

Вычисляют содержание частиц Ф_i в процентах размером менее данного диаметра (определенного по номограмме согласно рис. 7) по формуле:

где R - исправленный отсчет по ареометру; _s - плотность частиц грунта, г/см³; _W - плотность воды, принимаемая равной 1 г/см³; m_o,g - масса средней пробы грунта с поправкой на гигроскопическую воду или природную влажность, г; - суммарное содержание фракций более 0,5 мм, %.

Результаты анализа представляют в виде таблицы, в которой указывают процентное содержание фракций размером более 10; 10-5; 5-2; 2-1; 1-0,5; 0,5-0,25; 0,25-0,1; 0,1-0,05; 0,05-0,01; 0,01-0,005 и менее 0,005 мм (приложение 1, форма 3).

Результаты анализа сопровождают указанием процентного содержания гигроскопической воды (или природной влажности) и вещества, примененного для стабилизации суспензии.

7.5.3.5. Ситовой анализ глинистых грунтов, сопутствующий ареометрическому, заканчивается выделением фракции меньше 1 мм, которая считается контрольной. Совпадение результатов ситового и ареометрического анализов по определению этой фракции указывает на идентичность проб. Анализ считается удовлетворительным, если расхождение результатов не превышает 5%.

7.5.3.6. Тарировка ареометра и номограммы для расчета частиц грунта.
Правила пользования номограммой (рис. 7):
а) Определение расстояния от поверхности жидкости до центра водоизмещения ареометра h_R, соответствующего каждому делению шкалы ареометра (каждому тысячному делению), производят для каждого ареометра отдельно.

По величине h_R тарируют номограмму для определения диаметра частиц согласно п.и).

б) Расстояние h_R (в сантиметрах) для каждого тысячного деления шкалы ареометра вычисляют по формуле:

h_R = [(N - M) / N] l + (a - b), (19)

где N - число тысячных делений на шкале ареометра от деления 1,030 до деления 1,000, т.е. 30 (величины, постоянные для данного ареометра); M - число тысячных делений на шкале ареометра от деления 1,000 до поверхности суспензии (величина переменная, зависящая от погружения ареометра), M всегда равно отсчету по ареометру; l - длина шкалы ареометра от деления 1,030 до деления 1,000 см (величина постоянная для данного ареометра); a - расстояние от деления шкалы ареометра 1,030 до центра водоизмещения луковицы в см (величина постоянная для данного ареометра); b - высота подъема воды в цилиндре при погружении ареометра до центра водоизмещения луковицы в см (величина переменная, зависящая от погружения ареометра).

В формулу подставляют значения M от 1 до 30.

в) Высоту поднятия воды в цилиндре при погружении ареометра до центра водоизмещения луковицы b (в сантиметрах) определяют по формуле:

где V₀ - объем луковицы ареометра для деления на шкале ареометра 1,030 см³; F - площадь сечения цилиндра, в котором производят анализ, см².

г) Объем луковицы ареометра V₀ определяют следующим образом:

В стеклянный мерный цилиндр емкостью 1 л наливают 900-920 см³ дистиллированной воды, имеющей температуру 20 °С. Погружают ареометр до деления 1,030 и отсчитывают подъем уровня воды. Разность между уровнем воды при погруженном ареометре и без него равна объему луковицы V₀.

д) Расстояние от деления шкалы ареометра 1,030 до центра водоизмещения луковицы a определяют следующим образом. В стеклянный цилиндр, в котором будут производить анализ суспензии, наливают 900 см³ дистиллированной воды, имеющей температуру 20 °С. Погружают ареометр до подъема уровня воды в цилиндре на половину объема луковицы. От этого уровня воды замеряют расстояние до показания 1,030 на шкале ареометра. Измеренное расстояние есть величина a.

е) Поправку на нулевое показание ареометра определяют следующим образом. Наполняют стеклянный мерный цилиндр дистиллированной водой, имеющей температуру 20 °С, и погружают ареометр в воду. Производят отсчет плотности воды. Полученный отсчет принимают за единицу плотности.

Разность между принятой единицей и замеренным отсчетом по ареометру равна поправке, которую вводят в расчет. Поправку прибавляют к каждому отсчету по шкале ареометра, если ареометр при проверке показывает менее 1,000, и вычитают, если ареометр показывает более 1,000.

ж) Поправку на высоту мениска вводят в расчет, если ареометр градуирован на заводе по нижнему краю мениска. Если ареометр градуирован по верхнему краю мениска, поправку на мениск не учитывают.

В стеклянный мерный цилиндр, в котором будут производить анализ суспензии, наливают воду, имеющую температуру 20 °С, и опускают ареометр. Производят отсчеты по нижнему и верхнему краям мениска. Разница между замеренными отсчетами есть поправка на высоту мениска. Поправку прибавляют к каждому отсчету по шкале ареометра при замерах плотности суспензии.

з) Поправку на диспергатор определяют следующим образом. В стеклянный мерный цилиндр наливают 950 см³ дистиллированной воды, опускают ареометр и производят отсчет по верхнему краю мениска. Добавляют в цилиндр диспергирующее вещество в требуемом количестве. Затем доливают в цилиндр воду до 1 л, смесь взбалтывают, опускают в нее ареометр и вновь производят отсчет по верхнему краю мениска. Разность между вторым и первым отсчетом есть поправка на диспергатор. Поправку вычитают из каждого отсчета по шкале ареометра при замерах плотности суспензии.

и) Тарировку номограммы (рис. 7), составленной по формуле Стокса и включающей смесь шкал, производят следующим образом. Заполняют правую сторону шкалы VII номограммы, т. е. наносят значения M против соответствующих им значений h_R (левая сторона шкалы), рассчитанных по формуле (19).

к) При определении диаметра частиц по номограмме пользуются ключом, изображенным на чертеже.

Определение по номограмме диаметра частиц, соответствующего отсчету по ареометру, производят в следующем порядке:

- накладывают линейку на шкалу III в точке, соответствующей плотности частиц грунта, и на шкалу II в точке, соответствующей температуре суспензии; находят точку пересечения со шкалой I;

- на шкале VII (на правой стороне) отмечают точку, соответствующую исправленному отсчету по ареометру (с поправками на температуру, высоту мениска, нулевое показание ареометра, диспергатор), соединяют ее линейкой с точкой на шкале VI, соответствующей времени отсчета, и находят точку пересечения со шкалой V (шкалой скорости падения частиц);

- соединяют линейкой найденные точки на шкале I и шкале V и на пересечении со шкалой IV получают точку, обозначающую искомый диаметр.