Под строением или сложением таких систем, как пе­сок, щебень (гравий), подразумевается совокупность ряда внешних признаков: размера и формы зерен, шеро­ховатости поверхности и взаиморасположения их в про­странстве. От строения сыпучей среды зависят, напри­мер, такие ее свойства, как водопотребность, способность деформироваться. Сумма факторов, харак­теризующих строение песка, щебня, может быть выраже­на одним параметром — пустотностью. В естественном песке, щебне, где зерна имеют разнообразные форму и размеры, величина пустотности отличается от приведен­ных теоретических пределов.

Независимо от размеров и формы зерен песка, щебня по аналогии с моделью фиктивного грунта различают рыхлую и плотную упаковку зерен. Рыхлая упаковка характеризуется неустойчивым пространственным взаи­морасположением зерен из-за отсутствия контактов со­прикосновения всех зерен и большими промежутками между ними (рис. 6.2, а). Плотная упаковка характери­зуется устойчивым пространственным взаиморасполо­жением зерен и незначительной пустотностью (рис. 6.2, б).

Рыхлая упаковка может легко переходить в плотную под влиянием нормальной нагрузки и колебательных

Воздействий. Наибольшее уплотнение сыпучих сред до­стигается при вибрации. При этом степень уплотнения и соответственно величина пустотности не зависят от то­го, сухие ли зерна или насыщенные водой, а также при­ложена ли к материалу нормальная нагрузка. Сжатие песка под давлением незначительно изменяет его пустот - ность и вместе с тем может сопровождаться дроблением зерен при давлении порядка 20 МПа. Плотно упакован­ные зерна не реагируют на статическую нагрузку и виб­рационное воздействие, так как в этом случае изменяет­ся весьма незначительно взаимное расположение зерен в пространстве.

Автор работы [124] изучал влияние крупности зе­рен и плотности их упаковки на пустотность. Для опытов брали кварцевый песок из поймы р. Самарки. Было уста­новлено, что в уплотненном песке фракций от 2 до 0,1 мм пустотность практически постоянна и равна 33,4%, а в рыхлом песке она возрастает с уменьшением крупности зерен. Результаты аналогичных опытов по изучению из­менения пустотности различных видов песка в вибро­уплотненном состоянии приведены в табл. 6.1.

Из табл. 6.1 следует, что в виброуплотненном песке пустотность возрастает при содержании фракций менее 0,1 мм. При отсутствии же этих фракций пустотность каждого вида песка является величиной постоянной, ког­да между смежными фракциями соблюдается одинако­вое соотношение; в данном случае ак (соотношение меж­ду отверстиями сит) равно 2. Объясняется это следую­щим. Если пустотность песка, содержащего две фракции, при отношении ак=2 равна, например, Л%, то в таком случае пустотность песка, содержащего больше фракций (между которыми соблюдается отношение ак=2), так-

Же должна быть равна Л%. Это подтверждают резуль­таты опытов по определению содержания в песчаной смеси зерен различной формы. Из табл. 6.2 видно, что в

Песках, содержащих фракции от 5 до 0,1 мм, примерно одинаковое количество округлых, полуокатанных и угло­ватых зерен.

Частицы крупностью менее 0,1 мм имеют в основном угловатую форму, а следовательно, и большую порис­тость. Однако увеличение пустотности песка при наличии фракций менее 0,1 мм обусловливается также их способ­ностью адсорбироваться на более крупных зернах и

Образовывать вокруг них пленки из сцепленных между собой микрочастиц. Такие пленки раздвигают зерна и способствуют увеличению пустотности песка. Изучение влияния виброуплотнения на пустотность песка свиде­тельствует о том, что нижний предел песчаной фракции следует ограничить величиной 0,1 мм.

При содержании фракции 0,1 мм большинство кри­вых гранулометрического состава различных песков рез­ко меняет характер очертания, переходя из крутонаклон­ных в пологие. Аналогичные закономерности наблюдают­ся и при исследовании кинетики гидродинамической фильтрации через пористые среды. Из приведенного так­же следует, что при соблюдении указанных условий все фракции песка, имеющие зерна одинаковой формы, ха­рактеризуются примерно одинаковой величиной Dri. Так, для морского песка Dm=0,71, для речного Dm=0,712, а для горного песка Dm=0,676.

Результаты экспериментов по изучению изменения пустотности щебня и гравия показали, что установлен­ные закономерности для песка справедливы и для зна­чительно более крупных зерен в виброуплотненном со­стоянии [4].

Если в смеси между двумя смежными фракциями щебня или гравия соблюдается отношение ак = 2, то в таком случае их пустотность и в виброуплотненном со­стоянии независимо от содержания в смеси той или иной фракции — величина постоянная. Разница только в том, что пустотность щебня больше пустотности гравия, а пустотность щебня пористых пород больше, чем плотных из-за более развитой (шероховатой) поверхности и отно­сительно меньшей собственной массы, затрудняющих пространственную перегруппировку таких зерен.

Естественный песок с округлой формой зерен и гра­вий в виброуплотненном состоянии имеют одинаковую пустотность, равную примерно 29%. Пустотность же искусственных песков равна пустотности щебня, из ко­торого они получены дроблением. По опытным данным пустотность дробленого песка в виброуплотненном со­стоянии колеблется в узких пределах — 0,32—0,34%.

Если соотношение между смежными двумя фракция­ми гравия или щебня меньше 2, пустотность их в вибро­уплотненном состоянии увеличивается и в этом случае наблюдается полная аналогия с изменением пустотности песка. Когда отношение между смежными фракциями более 2, пустотность гравия и щебня уменьшается и тем значительнее, чем больше отношение ак. Эксперимен­тально установлено, что наименьшая пустотность песка, гравия и щебня в виброуплотненном состоянии достига­ется в случаях, когда «диаметр» зерен заполняющей фракции относится к «диаметру» зерен основной фрак­ции как 1:8 (для зерен шарообразной формы это отно­шение составляет 1:7). При ак менее 8 крупные зерна раздвигаются более мелкими, в связи с чем в каждом конкретном случае пустотность смеси зерен в виброуп - плотненном состоянии характеризуется различными ве­личинами.

На плотность упаковки смеси зерен различной круп­ности и соответствующей ей пустотности влияют разме­ры сосуда, в котором проводятся измерения. Вследствие трения о стенки сосуда плотность упаковки зерен снижа­ется в зависимости от объема сосуда, шероховатости по­верхности ограждающих стенок и расстояния между ними. Влияние пристенного эффекта определяется отно­шением Yo/YOo (где Yo — объемная масса зерен в сосуде данной емкости, уоо — максимальная объемная масса зе­рен в неограниченном пространстве).

Влияние пристенного эффекта может быть установле­но экспериментально при заполнении сыпучей средой сосудов различной емкости путем изменения в них рас­стояния между ограждающими стенками.