Bepaling van Atterberg-grense
Ons sal die toetse beskryf vir die bepaling van die vloeigrens, plastisiteitsgrens en krimpgrens, wat die belangrikste in grondmeganika is. Al hierdie toetse word op versteurde monsters van gebonde grond uitgevoer.
Proef vir die bepaling van die vloeigrens
Vir hierdie toets word ongeveer 200 p grond in natuurlik vogtige toestand geneem, sonder korrels met ’n deursnee van meer as 0,5 mm, wat die akkuraatheid van die toetresultate sou benadeel. Die monster mag nie in ’n droogstoof gedroog word nie, maar word onmiddellik in ’n porseleinkoppie met gedistilleerde water geplaas, waar dit vir etlike ure moet bly totdat dit goed deurweek is. Vir leem met ’n plastisiteitsindeks IP < 20 duur die deurweek ongeveer 4 uur, vir klei IP > 20 tot 18 uur. Daarna word die deurweekte monster op ’n glasplaat oorgedra en met behulp van ’n laboratoriummes goed gemeng, sodat ’n dik pap met ’n egalige samestelling verkry word. Indien deeltjies groter as 0,5 mm opgemerk word, word hulle tydens die vermenging verwyder.
Die so voorbereide monster word in die koperbakie van die Casagrande-apparaat vir die bepaling van die vloeigrens oorgedra (afl. 1), wat in ons laboratoriums die Casagrande-slaner genoem word.
Fig. 1. Cassagrande-toestel vir die bepaling van die vloeigrens
Die apparaat bestaan uit ’n messingskotteltjie wat met behulp van ’n spesiale verbinding in die apparaat ingeskakel word, en ’n elastiese voet van harde rubber, met ’n eksenter in die boonste deel en ’n handvatsel om te draai, waardeur die eksenter tot ’n hoogte van 1 cm gelig word, waardeur die skotteltjie val en teen die voet slaan (fig. 1a). Die afmetings van die apparaat is gestandaardiseer. Daarbenewens is daar ook ’n geprofileerde mes van presies bepaalde afmetings (fig. 1b).
Die ingeskepte monster in die messingskotteltjie word met ’n mes gelyk gemaak sodat die oppervlak van die monster heeltemal vlak is, en die monster net meer as die helfte van die voorste deel van die skotteltjie bedek, met sy hoogte bo die laagste punt van die bodem van die skotteltjie ongeveer 12 mm. Daarna word die skotteltjie in die apparaat geplaas en met die gevormde mes word ’n groef in die middel gesny sodat dit heeltemal reg is en die messingsbodem van die skotteltjie sigbaar is; dit word bereik deur die mes versigtig loodreg op die bodem van die skotteltjie te trek. Die lengte van die groef moet ongeveer 40 mm wees. Onmiddellik daarna word die handvatsel van die apparaat teen ’n spoed van 2 omwentelings per sekonde gedraai, terwyl die slae van die skotteltjie teen die voetstuk getel en die groef waargeneem word, wat as gevolg van die slae van die skotteltjie teen die voetstuk vernou, omdat die gesnyde dele van die monster beweeg en neig om saam te voeg. Die draai van die handvatsel van die apparaat duur totdat die groef oor ’n lengte van 10 mm saamgesluit het. Wanneer dit bereik is, word verder draai van die handvatsel gestaak, en onmiddellik daarna word die monster met die mes in ’n hoeveelheid van ongeveer 2 cm3 uit die deel rondom die saamgeslote groef aan albei kante uitgehaal, in horlosieglasies geplaas en die grondvog bepaal.
Hierdie proef word 3-4 keer op dieselfde manier herhaal, maar elke keer met ’n ander voginhoud, wat bereik word as die monster eers met ’n kleiner hoeveelheid water gemeng word, en daarna word water vir die ander proewe bygevoeg. Ná elke voltooide proef word die monster op ’n glasplaat oorgegooi, waar ’n bietjie water bygevoeg en goed gemeng word om ’n eweredige, elke keer effens dunner, pap massa te verkry.
Vir die uitvoering van die toets mag die voorbereide pasta nie te dik of te vloeibaar wees nie, omdat grondkonsistensietoestande wat te ver van die vloeigrens af lê nie die nodige akkuraatheid vir hierdie toets gee nie. Gewoonlik word aanvaar dat, as die aantal slae minder as 10 of groter as 50 is, die toets misluk het, maar dit word beskou dat die akkuraatheid van die toets beter is as die afstand tussen hierdie grense 10-40 slae is.
Daar word daarop gewys dat volgens een prosedure, elke keer nadat die handvatsel gedraai is totdat die groef oor ’n lengte van 1 cm saamgesluit het, die monster in die koperbakkie dadelik met ’n mes gemeng word en die oppervlak van die monster in die bakkie weer gelyk gemaak word, ’n nuwe groef gesny word, waarna die handvatsel van die toestel gedraai word. Hierdie prosedure word herhaal totdat drie keer agtereenvolgens dieselfde aantal slae verkry word by die samesluiting van die groef oor ’n lengte van 1 cm, en hierdie aantal word vir die verdere prosedure by die bepaling van die vloeigrens aanvaar. Die toetsresultate word op ’n diagram in semilogaritmiese skaal aangebring (fig. 2). Op die abskisas-as word die aantal slae in logaritmiese skaal aangebring en op die ordinaat-as die hoeveelheid water in persentasie van die droë gewig van die monster in rekenkundige skaal. Aangesien die hoeveelheid water w by elke proef verskil, sal ons punte A, B, C en D verkry wat ooreenstem met ’n verskillende aantal slae, waar die aantal slae kleiner is hoe groter die hoeveelheid water is en omgekeerd. Deur hierdie punte te verbind, verkry ons ’n skuins reguit lyn, waarop ons die punt M soek vir 25 slae. Die hoeveelheid water wat met hierdie punt ooreenstem, word as die vloeigrens wL aanvaar.
Fig. 2. Bepaling van die vloeigrens
Bepaling van die plastisiteitsgrens
Die grondmonster, voorberei op die wyse hierbo beskryf, maar met minder water, sodat dit ’n plastiese massa in ’n ongeveer taai-plastiese toestand vorm, word saamgerol tot ’n balletjie van ongeveer 2-3 cm3, en word daarna met die palm op ’n gewone of absorberende papieroppervlak gerol tot ’n rolletjie van 3 mm dik. As die monster tot dié dikte gerol kan word sonder om te breek, word dit weer tot ’n balletjie saamgedruk en op dieselfde manier gerol. Hierdie proses word herhaal totdat die rolletjie by ’n dikte van 3 mm begin breek. Dan word die gebreekte rolletjies in horlosieglasies geplaas en die hoeveelheid water bepaal. Dié hoeveelheid water, uitgedruk as ’n persentasie van die droë gewig van die monster, stem ooreen met die plastisiteitsgrens wP.
Bepaling van die krimplimiet
Fig. 3. Bepaling van die krimpgrens
Die grondmonster word met gedistilleerde water gemeng op die wyse wat onder Proef vir die bepaling van die vloeigrens beskryf word, sodat sy konsistensie ongeveer by die vloeigrens is, wanneer al die porieë met water versadig is. Daarna word ’n bolletjie gevorm wat eers in die lug laat droog word, en dan in ’n droogstoof by 105°C. Hierdie droogvolgorde is nodig om krake in die gedroogde monster te voorkom, wat die proef sou versteur. Heel aan die begin word die gewig W1 van die monster gemeet en sy volume V1 bepaal deur die proef met onderdompeling in kwik; daarna word dit verder in die lug, en dan in die droogstoof, gedroog met periodieke monsterneming, afkoeling in ’n eksikator en meting van sy gewig W2, W3, W4 ens. en volume V2, V3, V4 ens. Op dié manier sal vasgestel word dat by een vogtoestand die volume van die monster ophou verminder, hoewel sy gewig nog verder afneem weens droogte. As die monster in sy aanvanklike toestand met water versadig is, d.w.s. geen lug in die porieë bevat nie, kom die waterverlies by droogmaak tot by die krimpgrens ongeveer ooreen met die vermindering in volume van die monster. Daarna word die droogproses sonder volumemeting voortgesit totdat die monster heeltemal droog is, d.w.s. tot konstante gewig. Dan word die hoeveelheid water in persentasie van die droë gewig van die monster vir elke meting van volume en gewig bepaal, en die resultate van die proef word op die diagram aangebring (fig. 3). Op dié manier word die punte A, B, C, D en E verkry, wat verbind word, sodat daar gewoonlik ’n lyn met ’n skerp knik in die gebied van die krimpgrens verkry word. In die knikpunt S word die vog w verkry wat ooreenstem met die krimpgrens _W_S.
Bepaling van kapillariteit
Die proef vir die bepaling van die hoogte van die kapillêre opstyg van water word op twee maniere uitgevoer, naamlik deur direkte meting van die hoogte van die kapillêre opstyg van water en deur indirekte meting met behulp van ’n kapillêrmeter.
Eksperiment vir die bepaling van kapillêre hoogte deur direkte meting
Uit die versteurde monster word ongeveer 300 pondi grond geneem, wat tot 105°C gedroog word, en daarna, na afkoeling, tot ’n baie fyn poeier vergruis word, sonder om die korrels te vergruis. Die verkreë poeier word in ’n glasbuis met ’n deursnee van ø 25 mm, lengte 1,5 - 2,5 m, aan albei kante oop, gegooi, waarvan die onderste punt vooraf met glaswol of ’n stuk doek toegemaak word. In die oop boonste punt giet ons die gedroogde poeier tot ’n hoogte van ongeveer 10 cm, dan lig ons die buis op en laat dit met ’n slag op ’n houtvloer of ’n ander elastiese steun val, totdat die seting van die poeier in die buis sigbaar word. Die beheer van die seting van die poeier voer ons uit deur lyne met vetkryt op die buis te merk. Daarna giet ons nog 10 cm poeier by en herhaal dieselfde prosedure totdat ons die buis vul met die verdigte droë poeier van die grondmonster waarvan ons die kapillariteit ondersoek. Daarna dompel ons die bodem van die buis in ’n glashouer met stil gedistilleerde water, met die voorwaarde dat die onderste punt van die buis nie op die bodem van die houer mag rus nie (fig. 4). Ons bevestig die glasbuis met ’n lat aan ’n skaal, sodat sowel die buis as die skaal vertikaal is. Daarna neem ons die opstyg van water in die buis waar, wat duidelik aan die kleur herken word: die droë monster is lig van kleur, die vogtige donker. Die afstand tussen die vlak van die water in die houer en die boonste rand van die vogtige monster verteenwoordig die hoogte van die kapillêre opstyg hk.
Sl. 4. Opbepaling van die hoogte van kapillêre opstyg van water deur direkte meting
Die waarneming geskied gewoonlik ná 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 ens. ure. Die resultate van die waarneming word op ’n diagram aangebring, waarvan die x-as die tyd in ure voorstel en die y-as die hoogte van die kapillêre styging van water in mm (fig. 5).
By sanderige materiaal is die kapillêre styging aanvanklik vinnig, daarna stadiger, en die finale styghoogte word gou bereik. By kleierige materiaal is die kapillêre styging aanvanklik stadiger, maar dit duur langer en bereik ’n aansienlik groter hoogte.
Hierdie metode vir die bepaling van kapillêre hoogte neem lank, veral by kleigrond. Daarbenewens hang die hoogte van kapillêre opstyg af van die lugtemperatuur sowel as van sy vog, daarom moet hierdie faktore so ver moontlik konstant gehou word.
Fig. 5. Diagram van die kapillêre opstyg van water in die grond, a-sand; b-stof; c-kleigrond
Toets vir die bepaling van kapillêre hoogte met behulp van ’n kapillarimeter
Daar is verskeie kapilariemeters van verskillende konstruksies, soos die kapilariemeters van Beskow, Jürgenson en Engelhardt. Hier sal ons die werkingsbeginsel van die Beskow-kapiliariemeter beskryf, wat die meeste toegepas word.
Hierdie toets word op ongestoorde of versteurde monsters uitgevoer. As die monster versteur is, word dit dan in die apparaat ingebring in die toestand op die vloeigrens.
Fig. 6. Beskow se kapillarimeter
Die Beskowa-kapillimeter bestaan uit twee houers (fig. 6), wat in die onderste dele onderling verbind is deur middel van ’n versterkte rubberpyp. In houer 1 word ’n grondmonster op die filterbodem geplaas, terwyl die houer onder dit gedeeltelik met gedistilleerde water en gedeeltelik met kwik gevul is, wat in die onderste deel so geplaas is dat dit ook die hele rubberpyp en die onderste deel van houer 2 vul. Aan die begin van die proef is die kwikvlak in albei houers dieselfde. Daarna word houer 2 afwaarts laat sak, waardeur onder die filterbodem van houer 1 ’n onderdruk ontstaan. Wanneer hierdie onderdruk groter word as die kapillêre kragte in die monster, dring lug deur die monster tot by die filterbodem, en die kwikvlak in albei houers word kort daarna gelykgestel deur die verlaging van houer 2. Die verskil Hg tussen die kwikvlakke in die een en die ander houer op die oomblik van gelykwording van die onderdruk en kapillêre kragte, d.w.s. net voordat die lug begin deurdring het deur die monster, omgeskakel na die hoogte van ’n waterkolom en verhoog met die hoogte van die waterkolom h onder die monster, gee die kapillêre hoogte hk. Aangesien kwik 13,6 keer swaarder is as water, is die hoogte van die kapillêre styging hk:
hk = 13,6 Hg + h
Bepaling van die deurlaatbaarheid van die grond
Die laboratoriumtoets vir die bepaling van die deurlaatbaarheid van grond word uitgevoer met spesiale toestelle wat permeameters genoem word. Daar bestaan verskillende konstruksies van permeameters, wat egter in twee groepe verdeel kan word: permeameters met konstante waterdruk, vir grofkorrelige gronde, en permeameters met afnemende waterdruk vir fynkorrelige gronde. In albei gevalle word die toets met ongestoorde monsters uitgevoer.
Deur ’n laboratoriumtoets word die permeabiliteitskoëffisiënt van die grond bepaal, waarvan die waarde by ’n bepaalde temperatuur uitgedruk word, weens die verskillende viskositeit van water by verskillende temperature, wat die waarde van die permeabiliteitskoëffisiënt k beïnvloed. Gewoonlik word die koëffisiënt k by ’n temperatuur t =10°C uitgedruk. Dus, indien 10°C, die watertemperatuur by die bepaling van die koëffisiënt k T was wat van t = 10°C verskil het, word die waarde daarvan volgens die formule herbereken:
k10oC = ηt /η10oC * kT
waar ηt en η10oC die viskositeit van water by die bedryfstemperatuur T, respektiewelik die aangeneemde temperatuur t =10°C is.
kT verkry waarde van die gronddoorlaatbaarheidskoëffisiënt by die werktemperatuur T.
Die viskositeitswaardes vir verskillende temperature T word in tabel 1 gegee.
Toets met konstante waterdruk
Fig. 7. Permeameter met konstante waterdruk
Vir hierdie proef word ’n ongestoorde grondmonster in ’n metaalcilinder met deursnee D, hoogte h, en ’n geskerpte onderste rand geneem, deur dit in die grond of in ’n groter ongestoorde monster in te druk. Nadat die boonste en onderste oppervlak van die monster gelyk gemaak is met die rande van die silinder, word die monster in die silinder in die toestel geplaas (fig. 7) tussen die boonste en onderste filter. Die onderste filter bestaan uit ’n fyn sif en ’n filtersteen om waterdeurvloei deur die monster moontlik te maak en uitspoeling van gronddeeltjies te voorkom. Die boonste filter het geen sif nie, aangesien die moontlikheid van uitspoeling kleiner is. Die watertoevoer na die monster kom vanaf die vlak N, wat deur ’n oorloop konstant gehou word, sodat die hidrostatiese druk H konstant is. Onder hierdie druk beweeg water deur die monster met dikte h en bereik dit via ’n pyp wat in die boonste deel van die toestel ingebou is, die glasmeetsilinder M waar dit drup.
Sodra water deur die monster in die maatglas begin vloei, laat ons die stophorlosie loop en neem die hoeveelheid water q waar wat gedurende t in die maatglas invloei. Volgens Darcy se wet is
q = k*A*t*i
waar k die deurlaatbaarheidskoëffisiënt in cm/sec is, A die deursnee-oppervlakte van die monster, i die hidrouliese verval, i = H/h.
Uit die bogenoemde vergelyking kry ons k= qh/Ath [cm/sec].
Die hoeveelheid water wat deur die monster gaan, lees ons in afsonderlike tydintervalle vanaf die begin tot die einde van die waarneming af, sodat ons sowel die individuele hoeveelhede as die totale hoeveelheid water het wat deur die monster gevloei het.
Om lugborrels in die monster en in die water uit te skakel, wat tot verkeerde proefresultate kan lei, is dit nodig dat die monster voor die proef in ’n versadigde toestand is, en dat vir die uitvoering van die proef gekookte of ten minste afgesette water gebruik word.
In plaas van die hierbo beskryfde apparaat wat op hidrostatiese druk as gevolg van die verskil in watervlak H berus, is daar ook apparate waarin die hidrostatiese druk deur lugdruk van 10 tot 15 kp/cm2 opgewek word, en met behulp van ’n kompressor konstant gehou word.