Классификация механических элементов и их свойства
Свойства механических элементов твердой фазы почв и почвообразующих пород, химический и минералогический составы меняются от их размера довольно отчетливо, а иногда и резко, что послужило основанием для разделения их на группы, или фракции.
Такая группировка называется классификацией механических элементов. Наибольшее признание получила классификация механических элементов Н. А. Качинского.
|
Названия фракций механических элементов |
Размеры фракций, мм |
| Камни | > 3 |
| Гравий | 3—1 |
| Песок: | |
| крупный | 1—0,5 |
| средний | 0,5—0,25 |
| мелкий | 0,25—0,05 |
| Пыль: | |
| крупная | 0,05—0,01 |
| средняя | 0,01—0,005 |
| мелкая | 0,005-0,001 |
| Ил: | |
| грубый | 0,001—0,0005 |
| тонкий | 0,0005—0,0001 |
| коллоиды | < 0,0001 |
Охарактеризуем главнейшие особенности фракций механических элементов.
Камни (>3 мм) — обломки горных пород и минералов, водопроницаемость провальная, элементы питания находятся в труднодоступной форме.
Гравий (3—1 мм) — обломки первичных минералов, водопроницаемость провальная, водоподъемная способность отсутствует, влагоемкость очень низкая (< 3 %), элементы питания растений в труднодоступной форме.
Песок (1—0,05 мм) — обломки первичных минералов, среди которых преобладают кварц и полевые шпаты; по мере уменьшения диаметра частиц песка возрастает содержание кварца как минерала, более устойчивого к выветриванию; водопроницаемость высокая, низкая водоподъемная способность (от нескольких до 50 см) и низкая влагоемкость (3—10 %).
Пыль крупная (0,05—0,01 мм) — близка по минералогическому составу к фракциям песка, но водные свойства несколько лучше, не участвует в структурообразовании.
Почвы, обогащенные крупной и средней пылью, после дождя и последующего высыхания заплывают с образованием поверхностной корки, отрицательно влияющей на водно-воздушные свойства пахотного горизонта, что может привести к гибели всходов растений; устраняется это боронованием.
Пыль средняя и мелкая (0,01—0,001 мм) — в этих фракциях по сравнению с крупной пылью уменьшается количество кварца и полевых шпатов, особенно в мелкой пыли.
В мелкой пыли больше слюд, роговой обманки, характерно наличие вторичных минералов и гумусовых веществ; частицы средней пыли практически не участвуют в структурообразовании.
А частицы мелкой пыли способны к коагуляции и структурообразованию; влагоемкость и водоподъемная способность высокие; водопроницаемость низкая.
Ил (< 0,001 мм) — в илистой фракции первичных минералов мало, среди них кварц, ортоклаз, мусковит; ил состоит в основном из высокодисперсных вторичных минералов, глинных минералов, гумусовых веществ, обладает высокой поглотительной способностью.
Способностью к коагуляции и склеиванию механических элементов в агрегаты; коллоидная фракция ила играет главную роль в физико-химических почвенных процессах; ил является средоточием элементов питания растений; богат оксидами железа и алюминия; влагоемкость очень высока; водопроницаемость и водоподъемная способность минимальные.
Частицы твердой фазы почвы крупнее 1 мм (камни и гравий) называют скелетной частью, а менее 1 мм — мелкоземом.
Учитывая, что каждая фракция (группа) механических элементов обладает определенными свойствами, от которых зависят показатели плодородия, принято определять их процентное содержание и процентное соотношение.
Процентное содержание каменистой и гравелистой фракций определяют на основе просеивания образца почвы через почвенные сита, а в основу метода разделения по размеру фракций мелкозема положены скорости их падения в воде, рассчитанные по формуле Дж. Т. Стокса.
Методы определения состава грунтовой смеси
Для определения состава используется принцип расчленения грунтовой смеси на определенные группы, схожие по своему составу и специально отобранные для пробы. Размеры частиц определяется в миллиметрах, а вес – в граммах.
Существуют различные методики определения такого состава, главными из которых являются ситовой, ареометрический, пипеточный и отмучивание.
Ситовой
В его основе – использование набора сит с отверстиями, размерами 0,25; 0,1; 1; 0,5; 5; 2; 10 мм, а также специальной машины для просеивания с поддоном.
Благодаря такому просеиванию удается определить и визуально увидеть состав грунта, а также процентное соотношение имеющихся в нем минералов и компонентов.
Для получения объективного анализа следует внимательно отнестись к вычислению массы средней пробы грунта, которая должна иметь следующие значения:
- При частицах, размерами до 2 мм — 100 г.
- При частицах, размерами выше 2 мм (до 10% от общего веса) – 500 г.
- При частицах, размерами выше 2 мм (10-30% от общего веса) – 1000 г.
- При частицах, размерами выше 2 мм (свыше 30% от общего веса) – 2000 г.
Ареометрический
Основан на учете изменения плотности суспензии, которая замеряется по мере отстаивания с помощью специального прибора – ареометра.
Предварительно отбирается проба, где используется метод квартования, при котором смесь проходит дополнительно через сито, с диаметром отверстий до 1 мм.
Масса средней пробы составляет:
- Для супесей – 40 г.
- Для глин – 20 г.
- Для суглинков – 30 г.
После определения процентного содержания смесей грунта при помощи ареометра, вычисляют содержание каждой отдельной фракции. Здесь используют метод последовательного вычитания меньшей величины из большей. Пробу отбирают с учетом природной влажности.
Метод отмучивания
Суть методики заключается в определении содержания пылеобразных и глинистых частиц по изменению масса песка после предварительного отмучивания частиц. Для выполнения испытания используется сушильный шкаф, цилиндрическое ведро или сосуд и секундомер.
В ходе проведения испытания просеянный и высушенный до постоянной массы песок (1000 г) помещают в ведро и заливают водой, после чего выдерживают так 2 часа.
Цилиндрическое ведро
Параллельно из воды удаляются все посторонние частицы и глинистые примеси. Промывку производят несколько раз. После того, как вода в ходе промывки станет чистой, можно приступать к сливу суспензии через нижнее отверстие в сосуде.
Далее остается только вычислить содержание в песке отмучиваемых глинистых частиц по формуле:
где:
- m – вес высушенной навески до процесса отмучивания
- m1 — вес высушенной навески после процесса отмучивания
Пипеточный
При таком способе содержание глинистых и пылеобразных частиц определяется путем выпаривания суспензии (получаемой при промывке песка и взвешивании сухого остатка), отобранной с помощью пипетки.
Металлический цилиндр с пипеткой мерного типа
Спустя 1,5-2 минуты, когда осадок ляжет на дно. С помощью мерной пипетки берут пробу и выливают все содержимое на предварительно взвешенный стакан. Полученную суспензию выпаривают в специальном сушильном шкафу.
Результат обрабатывается по формуле:
где:
- m — масса навески песка, г;
- m 1- вес чашки для выпаривания жидкости, г;
- m 2- вес чашки с уже выпаренным порошком, г.
Почему степень неоднородности грунта важна для строительства?
Степень неоднородности грунта является одним из важных параметров, которые необходимо принимать во внимание при проектировании и строительстве различных сооружений. На первый взгляд, грунт может показаться простым и однородным материалом, однако, его неоднородность может значительно влиять на качество, надежность и безопасность строительства
Неоднородность грунта проявляется в различных напряжениях, коэффициентах поглощения, сжимаемости и других характеристиках, которые могут отличаться в разных точках участка строительства. Это может создавать проблемы при выборе оптимального фундамента, расчете общей нагрузки на сооружение и расчете его устойчивости.
Основные причины неоднородности грунта могут быть различными: геологические процессы, воздействие воды, метеорологические условия, антропогенное влияние и другие факторы. Поэтому, знание степени неоднородности грунта позволяет строителям провести более точные и надежные исследования грунта, а также принять меры для его укрепления или предотвращения опасных грунтовых процессов.
Строительство на неоднородном грунте может привести к различным проблемам, таким как образование трещин, подседание и деформация сооружения, неравномерное распределение нагрузки и даже коллапс. Поэтому, правильная оценка степени неоднородности грунта и принятие соответствующих мер являются важным этапом проектирования и строительства с различными видами несущих конструкций.
Важность степени неоднородности грунта для строительства:
1. Определение типа и конструкции фундамента, учитывая неоднородность грунта.
2
Предотвращение опасных грунтовых процессов (селей, оползней, осадок и др.) с помощью специальных инженерных мероприятий.
3. Применение соответствующих методов и технологий укрепления и компенсации неоднородности грунта.
4. Расчет нагрузки на конструкцию с учетом неоднородности грунта и определение необходимой устойчивости.
5. Проведение регулярного мониторинга и контроля состояния грунта для предотвращения возможных проблем и своевременных мер по укреплению и ремонту.
Таким образом, степень неоднородности грунта является важной характеристикой, которая должна быть учтена при строительстве любых сооружений. Знание и понимание неоднородности грунта позволяет принимать разумные и обоснованные решения, обеспечивающие безопасность и надежность строительства
ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЯ
4.1. Ситовый анализ материала крупностью свыше 3 мм
(Измененная редакция, Изм. N 1).
4.1.1. Навеску материала на рассев подают порциями или непрерывным потоком, не допуская перегрузки и повреждения сит. При периодическом (разовом) рассеве на верхнем сите должен образовываться слой материала толщиной, не превышающей трехкратного размера максимального куска.
При непрерывном рассеве загрузку верхнего сита следует производить так, чтобы материал на нем располагался толщиной не более чем в один слой, равный размеру максимального куска. Продолжительность разового рассева не менее 10 мин.
(Измененная редакция, Изм. N 1).
4.2. Ситовый анализ материала крупностью менее 3 мм
4.2.2. При наличии в пробе значительного количества частиц крупностью до 0,074 мм и тонких глинистых частиц, налипающих на более крупные частицы, для большей точности анализа проводят предварительный отсев мелочи механически или вручную мокрым способом.
При ручном рассеве мокрым способом навеску помещают на сито с отверстиями сетки наименьшего размера и отмывают мелочь слабой струей воды или многократно погружают сито в бак с водой до тех пор, пока промывочная вода не будет прозрачной.
Механический рассев мокрым способом проводят на ситовом анализаторе с приставкой или установках аналогичного типа.
Материал для рассева помещают на сито, установленное в камере рассева. Камеру рассева герметически закрывают крышкой с гидроциклонными брызгалами и закрепляют в раме ситового анализатора. Затем одновременно включают электродвигатель анализатора и подают воду в брызгала. Расход воды 3 дм /мин.
Подрешетный продукт вместе с водой через патрубок поступает в специальную емкость.
При необходимости получения особо точных данных перед мокрым рассевом применяют диспергацию тонких частиц реагентами-диспергаторами, например, сочетанием соды и жидкого стекла, расходы которых подбирают опытным путем.
4.2-4.2.2. (Измененная редакция, Изм. N 1).
4.2.3. При применении мокрого способа рассева надрешетный продукт высушивают, взвешивают и по разности масс исходной навески и надрешетного продукта определяют массу отмытой мелочи. Надрешетный продукт подвергают рассеву сухим способом на ситовом анализаторе. При этом в набор сит включают и сито с наименьшим размером отверстий сетки, на котором проводилась отмывка. Взвешенную массу подрешетного продукта этого сита объединяют с массой, отмытой ранее мелочи.
4.2.4. При определении гранулометрического состава отмытой мелочи ее собирают в емкость, обезвоживают и подвергают седиментационному анализу.
(Измененная редакция, Изм. N 1).
4.3. Седиментационный анализ материала крупностью менее 0,04 мм
(Измененная редакция, Изм. N 1).
4.3.1. Седиментационный анализ проводят в восходящем потоке воды на непрерывно действующем шламовом анализаторе, состоящем из батареи цилиндроконических (или пирамидальных) сосудов с разной площадью поперечного сечения (например, для батареи из четырех сосудов с соотношением площадей 1:4:16:64). Вода, подаваемая в первый сосуд снизу, поступает самотеком из верхней его части в нижнюю часть последующего и т.д.
4.3.2. Крупность зерен материала в каждом сосуде устанавливают по расходу воды, проходящей через аппарат.
4.3.3. Расход воды ( ) в кубических сантиметрах в минуту вычисляют по формуле
— скорость падения зерен в см/с, вычисляемая по формуле Стокса:
Значение гранулометрического состава
Гранулометрический состав определяет практически все свойства почв, поэтому его необходимо учитывать в работе агронома.
Выше поглотительная способность, теплоемкость, влагоемкость, биогенность почв, ниже водо- и воздухопроницаемость и т. д. Таким образом, гранулометрический состав влияет на основные показатели плодородия.
От гранулометрического состава зависят:
- течение в почвах микро-, мезо- и макропроцессов;
- формирование морфологических особенностей почвенных профилей.
Гранулометрический состав влияет на интенсивность развития водной и ветровой эрозий, на проходимость транспорта по грунтовым дорогам.
От гранулометрического состава зависят технологические особенности агроприемов:
- сроки проведения полевых работ,
- дозы минеральных удобрений,
- наиболее целесообразное размещение на пахотных угодьях сельскохозяйственных культур с теми или иными видами обработки почв и т. д.
От гранулометрического состава зависят затраты топлива на обработку почв, на земляные работы.
Какой же гранулометрический состав лучше для земледелия? Многие наиболее благоприятные свойства и режимы складываются в легко- и среднесуглинистых почвах.
Однако при хорошей оструктуренности почв, например черноземов, лучшими будут тяжелосуглинистые и глинистые почвы. В агрономической практике используют приемы, позволяющие при необходимости регулировать гранулометрический состав. На песчаных почвах проводят глинование, на глинистых — пескование.
Влияние гранулометрического состава на продуктивность растений
Продуктивность растений на почвах различного гранулометрического состава может существенно различаться, что объясняется различием в свойствах почв.Оптимальный гранулометрический состав зависит от условий влагообеспеченности и технологии возделывания.В засушливых условиях низкий запас влаги в лёгких почвах (супесях и песках) и слабый капиллярный подъём приводят к существенному снижению урожайности. В условиях хорошего и избыточного увлажнения такие почвы лучше аэрируются и растения на них чувствуют себя лучше.Низкий запас элементов питания в лёгких почвах можно легко устранить при внесении удобрений, которые имеют высокую эффективность на таких почвах вследствие малой буферности.
Виды обломочных несцементированных грунтов
Исходя из неоднородного состава, существует определенная классификация, позволяющая соотносить исследуемые образцы к одной из категорий.
Выделяют такие виды обломочных несцементированных грунтов:
- песчаные;
- суглинки;
- супеси;
- крупнообломочные;
- глиняные.
В основе данной классификации лежит принцип фракционного размера обломков, от чего напрямую зависят свойства, в том числе степени водопоглощения и водорастворения.
Крупнообломочные
Это несвязные крупнодисперсные фракции, сформированные в результате воздействия водных потоков и ледников на скальные породы.
В их составе свыше 50% частиц, диаметр которых превышает 2 мм.
Подразделяются на два вида: с высоким содержанием песчаных (свыше 40%) и глинистых (свыше 30%) частиц.
Они могут быть достаточно однородными, однако все они характеризуются степенью водонасыщения, текучестью и уровнем влажности.
Такие грунты образуются в результате сильного выветривания горных пород.
Щебенистые
Разновидность галечниковых грунтов плотностью от 1,2 до 3 г/см3, представляющие собой раздробленную в результате естественных причин скальную породу.
Частицы в виде щебеночных обломков, имеют размеры от 10 до 200 мм, причем разной формы (игловатая, пластинчатая). Данные грунты в сухом состоянии обладают крайне низкой способностью связываться между собой.
Грунт характеризуется низкой способностью к сжатию, давая эффективную основу для фундамента строений.
Дресвяные/гравийные
Дресвяные и гравийные грунты – это обломочная категория грунтовых составов, имеющая частицы окатанного типа, размером от 3 до 70 мм. Чаще всего такие грунты располагаются в поймах рек, рядом с озерами, прудами и морями.
Различный минералогический состав частиц, составляющих такие грунты, придает ему определенную скелетность, неплохую прочность и устойчивость.
Песчаные
Песчаные грунты – это смесевые частицы разрушенных твердых (горных) пород, включающих в себя зерна кварца и ряда других минералов.
В зависимости от особенностей входящих в состав такого грунта элементов он может иметь высокую, среднюю или низкую плотность. По характеристикам он относится к несвязному минеральному типу, размеры частиц которого составляют от 0,05 до 2 мм в объеме, не больше 50%.
Крупный и гравелистый песок
Песок гравелистого типа состоит из песчинок, размерами от 0,28 мм до 5-6 мм и обладает хорошей несущей способностью за счет плотности 5,5-6,5 кг/см2.
Достаточно схожими свойствами обладает крупный песок, где размеры песчинок составляют от 0,30 до 2 мм.
В состав обоих типов песка входят такие минералы, как полевой шпат (8%), кварц (70%), кальцит (3%) и прочие (11%).
Примечательно, что свойство грунта в плане хорошей несущей способности не зависит от объема влаги, присутствующей в составе гравелистого и крупного песка.
Средний и мелкий песок
Мелкий песок состоит из песчинок, размерами от 1,5 до 2,0, а средний – от 2,0 до 3,0 мм. Такие песчаные составы имеют в среднем плотность порядка 3-5 кг/см2, которая дает им высокую несущую способность.
В отличие от крупного и среднего, мелкий песок при насыщении влагой теряет свои прочностные свойства, которые уменьшаются в 2 раза.
Пылеватые частицы
По своему минеральному составу пылеватые частицы – это практически чистый кварц, реже — полевые шпаты с примесью других минералов. Размеры таких составов от 0,050 до 0,001 мм.
В сухом состоянии они обладают крайне слабой связанностью, имеют низкий уровень пластичности. Хороший капиллярный состав позволяет поднимать воду на высоту до 2,5-3 м.
Суглинок и глинистые частицы
Суглинок – рыхлая порода осадочного типа, содержащая в среднем от 10 до 30% глинистых веществ, размером менее 0,005 мм. В таком грунте может присутствовать супесь – песчаные частицы с содержанием глинистых примесей в объеме до 10%, которые по своим характеристикам очень схожи с песчаными грунтами.
В песчаных суглинках содержится в основном кварц с воднорастворимыми солями, а в глинистых – минералы монтмориллонит, иллит и каолинит.
Методы гранулометрического анализа
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.
«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.
Фракции частиц при гранулометрическом анализе почв
В почвах и породах могут находиться частицы диаметром как менее 0,001 мм, так и более нескольких сантиметров. Для подробного анализа весь возможный диапазон размеров делят на участки, называемые фракциями. Единой классификации частиц не существует.
Исторически первая классификация фракций предложена А. Аттербергом в 1912 и была основана на изучении физических свойств монофракциальных смесей. Их анализ показал резкие качественные различия, в частности, в липкости при достижении размеров 0,002, 0,02 и 0,2 мм.
Шкала Аттерберга легла в основу более новых зарубежных классификаций. В СССР и России была принята несколько иная классификация Н. А. Качинского.
Вместе с этими в классификации Качинского выделяются фракции физического песка и физической глины, соответственно, крупнее и мельче 0,01 мм.
Заключение
Чтобы получить объективные данные относительно гранулометрического состава исследуемого грунта используют разные методы расчета. Это позволяет исключить вероятность ошибок при получении результатов, добившись максимальной точности в плане выявления процентного соотношения сухого остатка, плотности и размера внутренних фракций.
- Свежие записи
- Как избавиться от мошек в цветах комнатных растений
- Что добавить в воду чтобы цветы дольше стояли
- Какие цветы сочетаются друг с другом на клумбе
- Жмых от кофе как удобрение для комнатных цветов
- Белый липкий налет на комнатных цветах как избавиться
- Правообладателям
- Политика конфиденциальности