تحديد حدود أتربرغ، والشعرية، ونفاذية التربة

تحديد حدود أتربيرغ

سنشرح اختبارات تحديد حدّ السيولة، وحدّ اللدونة، وحدّ الانكماش، وهي الأهم في ميكانيكا التربة. وتُجرى جميع هذه الاختبارات على عينات مضطربة من التربة المتماسكة.

اختبار تحديد حدّ السيولة

لهذا الاختبار تؤخذ كمية تقارب 200 من التربة وهي في حالتها الطبيعية الرطبة، من دون حبيبات يتجاوز قطرها 0,5 mm، إذ إن ذلك قد يخلّ بدقة نتائج الاختبار. لا يجوز تجفيف العينة في فرن التجفيف، بل توضع مباشرة في طبق خزفي مع ماء مقطر، حيث ينبغي أن تبقى لعدة ساعات حتى تبتل جيدًا. أما بالنسبة إلى الطمي الذي يكون دليل اللدونة IP < 20، فتستغرق عملية الإشباع بالماء نحو 4 ساعة، وللطين ذي IP > 20 تستغرق من 18 ساعات. بعد ذلك تُنقل العينة المبللة إلى لوح زجاجي وتُخلط جيدًا بواسطة سكين مخبري، للحصول على عجينة كثيفة متجانسة التركيب. وإذا لوحظت جسيمات أكبر من 0,5 mm، فيتم إزالتها أثناء الخلط.

يُفرَّغ العينة المُحضَّرة على هذا النحو في الكأس النحاسية لجهاز كاساغراندي لتحديد حد السيولة (الشكل 1), والذي يُسمّى في مختبراتنا هزاز كاساغراندي.

الشكل 1. جهاز كاساغراندي لتحديد حد الخضوع

يتألف الجهاز من وعاء نحاسي يُوصَل بالجهاز بواسطة وصلة خاصة، وقاعدة مرنة من المطاط الصلب، مع لامركزي في الجزء العلوي ومقبض للدوران، بحيث يرتفع اللامركزي إلى ارتفاع 1 cm، وبذلك يسقط الوعاء ويضرب القاعدة (الشكل 1a). أبعاد الجهاز معيارية. كما يوجد أيضًا سكين مكوَّن ذو أبعاد محددة بدقة (الشكل 1b).

تُسوّى العينة الموضوعة في الوعاء النحاسي بالسكين بحيث يكون سطح العينة مستويًا تمامًا، وأن تغطي العينة قليلاً أكثر من نصف الجزء الأمامي من الوعاء، على أن يكون ارتفاعها فوق أدنى نقطة من قاع الوعاء نحو 12 mm. ثم يُشغَّل الوعاء في الجهاز وتُشق أخدودة في الوسط بالسكين المشكل بحيث تكون مستقيمة تمامًا ويظهر قاع الوعاء النحاسي، ويُحقق ذلك بسحب السكين بحذر عموديًا على قاع الوعاء. ويجب أن يكون طول الأخدود نحو 40 mm. ثم تُدار مقبض الجهاز بسرعة 2 دورة في الثانية، مع عدّ ضربات الوعاء على القاعدة ومراقبة الأخدود، الذي يضيق بسبب ارتطام الوعاء بالقاعدة، لأن الأجزاء المقطوعة من العينة تتحرك وتميل إلى الانضمام. وتستمر إدارة مقبض الجهاز إلى أن ينغلق الأخدود على طول 10 mm. وعند تحقيق ذلك يُتوقف عن متابعة إدارة المقبض، ثم تُستخرج فورًا بالسكين عينة بكمية نحو 2 cm3 من الجزء المحيط بالأخدود المنغلق من الجانبين، وتوضع في زجاجات الساعة ويُحدد محتوى الرطوبة للتربة.

يُكرَّر هذا الاختبار 3-4 مرة بالطريقة نفسها، ولكن في كل مرة برطوبة مختلفة، ويتم ذلك إذا جرى أولًا خلط العينة بكمية أقل من الماء، ثم يُضاف الماء للاختبارات الأخرى. بعد كل اختبار منجز، تُنقل العينة إلى لوح زجاجي، حيث يُضاف إليها قليل من الماء وتُمزج جيدًا، للحصول على كتلة عجينية متجانسة، أقل سيولة قليلًا في كل مرة.

من أجل إجراء الاختبار يجب ألا تكون العجينة المحضّرة شديدة الكثافة ولا شديدة السيولة، لأن حالات قوام التربة البعيدة كثيرًا عن حدّ السيولة لا تعطي الدقة المطلوبة لهذا الاختبار. وعادةً يُعتمد أن الاختبار قد فشل إذا كان عدد الضربات أقل من 10 أو أكبر من 50، غير أن دقة الاختبار تُعدّ أفضل إذا كانت المسافة بين هذه الحدود 10-40 ضربة.

ويُذكر أنه وفقًا لإجراءٍ ما، وبعد كل إتمامٍ لدوران المقبض إلى حين التحام الأخدود بطول 1 cm، تُخلط العينة في الوعاء النحاسي فورًا بالسكين وتُسوّى سطح العينة في الوعاء من جديد، ثم يُشق أخدود جديد، وبعد ذلك يُدار مقبض الجهاز. ويُكرر هذا الإجراء حتى يُتحصل ثلاث مرات متتالية على العدد نفسه من الضربات عند التحام الأخدود بطول 1 cm، ويُعتمد هذا العدد لمتابعة الإجراء في تحديد حد السيولة. وتُرسم نتائج الاختبار على مخطط بتدرج شبه لوغاريتمي (الشكل 2). وعلى محور السينات يُوضع عدد الضربات بتدرج لوغاريتمي، وعلى محور العينات كمية الماء بالنسبة المئوية من الوزن الجاف للعينة بتدرج حسابي. وبما أن كمية الماء w تختلف في كل تجربة، فسنحصل على النقاط A وB وC وD التي تقابل أعدادًا مختلفة من الضربات، بحيث يكون عدد الضربات أقل كلما كانت كمية الماء أكبر، والعكس بالعكس. وبوصل هذه النقاط نحصل على خط مستقيم مائل، نبحث عليه عن النقطة M عند 25 ضربة. وتُعتمد كمية الماء الموافقة لهذه النقطة بوصفها حد السيولة wL.

شكل 2. تحديد حد الخضوع

تحديد حد اللدونة

تُحضَّر عينة التربة بالطريقة الموصوفة أعلاه، ولكن بكمية ماء أقل، بحيث تكون الكتلة اللدنة في حالة شبه لدنة متماسكة، ثم تُجمع في كرة بقطر نحو 2-3 cm3، وبعد ذلك تُدحرج براحة اليد على سطح ورق عادي أو ماصّ إلى قضيب بسماكة 3 mm. إذا دُحرجت العينة إلى هذه السماكة دون انكسار، تُجمع مرة أخرى في كرة وتُدحرج بالطريقة نفسها. وتُكرَّر هذه العملية حتى يُلاحظ أن القضيب عند سماكة 3 mm يبدأ بالانكسار. عندئذ توضع القضبان المتكسرة في أطباق الساعة وتُحدد كمية الماء. وتلك الكمية من الماء، معبَّرًا عنها كنسبة مئوية من الوزن الجاف للعينة، تمثل حد اللدونة wP.

تحديد حد الانكماش

الشكل 3. تحديد حد الانكماش

تُمزج عيّنة التربة بالماء المقطر بالطريقة الموصوفة تحت اختبار تحديد حدّ السيولة، بحيث تكون قوامها تقريبًا عند حدّ السيولة، عندما تكون جميع المسام مشبعة بالماء. ثم تُشكّل كرة تُترك لتجف أولًا في الهواء، ثم في فرن التجفيف عند 105°C. إن هذا التسلسل في التجفيف ضروري لتجنّب التشققات في العيّنة المجففة، والتي قد تُفسد الاختبار. في البداية تُقاس فورًا كتلة العيّنة W1 ويُحدَّد حجمها V1 باختبار الغمر في الزئبق، ثم يُستمر في تجفيفها في الهواء، ثم في فرن التجفيف، مع أخذ العيّنة على فترات، وتبريدها في المجفف وقياس كتلتها W2، W3، W4 إلخ، وحجمها V2، V3، V4 إلخ. وبذلك سيتبين أنه عند حالة رطوبة معيّنة يتوقف حجم العيّنة عن التناقص، رغم أن كتلتها تواصل الانخفاض بسبب التجفيف. وإذا كانت العيّنة في حالتها الابتدائية مشبعة بالماء، أي لا تحتوي على هواء في المسام، فإن فقدان الماء بالتجفيف حتى حدّ الانكماش يعادل تقريبًا النقص في حجم العيّنة. بعد ذلك يستمر التجفيف دون قياس الحجم، إلى أن تجف العيّنة تمامًا، أي حتى ثبات الكتلة. عندئذ تُحدَّد كمية الماء كنسبة مئوية من الوزن الجاف للعيّنة لكل قياس من قياسات الحجم والكتلة، ثم تُرسم نتائج الاختبار على مخطط (الشكل 3). وبهذه الطريقة نحصل على النقاط A وB وC وD وE، التي تُوصَل بعضها ببعض، بحيث يُستحصل عادةً على خط فيه انكسار حاد في منطقة حدّ الانكماش. وعند نقطة الانكسار S تُستخلص الرطوبة w الموافقة لحدّ الانكماش W_S.

تحديد الخاصية الشعرية

تُجرى تجربة تحديد ارتفاع الصعود الشعري للماء بطريقتين، هما القياس المباشر لارتفاع الصعود الشعري للماء والقياس غير المباشر بواسطة الكابيلاريمتر.

تجربة تحديد الارتفاع الشعري بالقياس المباشر

من العينة المضطربة تُؤخذ نحو 300 بوندِات من التربة، تُجفف عند 105°C، ثم بعد التبريد تُسحق إلى مسحوق ناعم جداً من دون تكسير الحبيبات. ويُسكب المسحوق الناتج في أنبوب زجاجي قطره ø 25 mm، وطوله 1,5 - 2,5 m، مفتوح من الطرفين، ويُغلق طرفه السفلي مسبقاً بقطن زجاجي أو بقطعة قماش. وفي الطرف العلوي المفتوح نملأ المسحوق المجفف حتى ارتفاع يقارب 10 cm، ثم نرفع الأنبوب ونتركه يسقط بصدمة على أرضية خشبية أو أي مسند مرن آخر، إلى أن يظهر هبوط المسحوق داخل الأنبوب. ونراقب هبوط المسحوق بوضع علامات بخطوط طباشير دهنية على الأنبوب. بعد ذلك نضيف 10 cm أخرى من المسحوق ونكرر الإجراء نفسه حتى نملأ الأنبوب بمسحوق جاف مضغوط من عينة التربة التي نختبر خاصيتها الشعرية. ثم نغمر قاع الأنبوب في وعاء زجاجي يحتوي على ماء مقطر ساكن، على أن لا يستند الطرف السفلي للأنبوب إلى قاع الوعاء (الشكل 4). ونثبت الأنبوب الزجاجي بلوحة إلى مقياس، بحيث يكون كل من الأنبوب والمقياس عموديين. بعد ذلك نراقب صعود الماء في الأنبوب، وهو يُعرَف بوضوح من خلال اللون: فالعينة الجافة فاتحة اللون، أما الرطبة فداكنة. وتمثل المسافة بين مستوى الماء في الوعاء والحافة العلوية للعينة الرطبة ارتفاع الصعود الشعري hk.

الشكل 4. تحديد ارتفاع الصعود الشعري للماء بالقياس المباشر

تُجرى المراقبة عادةً بعد 1 و2 و4 و8 و16 و32 و64 ساعة، إلخ. وتُنقل نتائج المراقبة إلى مخطط تكون فيه الإحداثيات السينية تمثل الزمن بالساعات، والإحداثيات الصادية تمثل ارتفاع صعود الماء شعريًا بالملليمتر (الشكل 5).

في المادة الرملية يكون الصعود الشعري في البداية سريعًا، ثم يتباطأ، ويُبلغ الارتفاع النهائي للصعود بسرعة. أما في المادة الطينية فيكون الصعود الشعري في البداية أبطأ، لكنه يستمر مدة أطول ويصل إلى ارتفاع أكبر بكثير.

هذه الطريقة لتحديد الارتفاع الشعري تستغرق وقتًا طويلًا، ولا سيما في التربة الطينية. وإضافة إلى ذلك فإن ارتفاع الصعود الشعري يعتمد على درجة حرارة الهواء وكذلك على رطوبته، ولذلك يجب الإبقاء على هذه العوامل ثابتة قدر الإمكان.

الشكل 5. مخطط ارتفاع الماء شعريًا في التربة، أ-رمل؛ ب-غبار؛ ج-تربة طينية

اختبار تحديد الارتفاع الشعري بواسطة جهاز قياس الشعيرية

توجد عدة أجهزة لقياس الخاصية الشعرية بتصاميم مختلفة، مثل أجهزة بسكوف، يورغنسون، وإنغهاردت. وسنصف هنا مبدأ العمل بجهاز قياس الخاصية الشعرية من نوع بسكوف، وهو الأكثر استعمالًا.

يُجرى هذا الاختبار على عينات غير مضطربة أو مضطربة. وإذا كانت العينة مضطربة فتُدخل إلى الجهاز في حالة حدّ السيولة.

الشكل 6. جهاز قياس الشعيرية بسكوف

يتألف جهاز بيسكوف للأنابيب الشعرية من وعاءين (الشكل 6)، موصولين في أجزائهما السفلية بواسطة خرطوم مطاطي مسلح. يوضع في الوعاء 1 نموذج التربة على قاع مرشح، بينما يكون أسفله وعاء مملوءًا جزئيًا بالماء المقطر وجزئيًا بالزئبق، بحيث يكون في الجزء السفلي على نحو يملأ أيضًا الخرطوم المطاطي كله والجزء السفلي من الوعاء 2. في بداية التجربة يكون منسوب الزئبق في الوعاءين متساويًا. ثم يُخفض الوعاء 2 إلى الأسفل، مما يخلق تحت قاع المرشح للوعاء 1 ضغطًا سالبًا. وعندما يصبح هذا الضغط السالب أكبر من القوى الشعرية في العينة، ينفذ الهواء عبر العينة إلى قاع المرشح، ثم يتساوى منسوب الزئبق في الوعاءين مباشرةً نتيجة إنزال الوعاء 2. ويعطي الفرق Hg بين منسوب الزئبق في أحد الوعاءين والآخر عند لحظة تساوي الضغط السالب والقوى الشعرية، أي مباشرة قبل أن يبدأ الهواء بالنفاذ عبر العينة، بعد تحويله إلى ارتفاع عمود ماء وزيادته بارتفاع عمود الماء h أسفل العينة، الارتفاع الشعري hk. وبما أن الزئبق 13,6 مرة أثقل من الماء، فإن ارتفاع الصعود الشعري hk:

hk = 13,6 Hg + h

تحديد نفاذية التربة

تُجرى التجربة المخبرية لتحديد نفاذية التربة بواسطة أجهزة خاصة تُسمى permeametri. وتوجد تصاميم مختلفة من أجهزة النفاذية، ويمكن مع ذلك تقسيمها إلى مجموعتين: أجهزة النفاذية ذات الضغط المائي الثابت للترب الأكبر حبيبات، و_أجهزة النفاذية ذات الضغط المائي المتناقص_ للترب الدقيقة الحبيبات. وفي كلتا الحالتين تُجرى التجربة على عينات غير مضطربة.

يُحدَّد بالاختبار المخبري معامل نفاذية التربة، وتُعبَّر قيمته عند درجة حرارة محددة، بسبب اختلاف لزوجة الماء عند درجات حرارة مختلفة، وهو ما يؤثر في قيمة معامل النفاذية k. وغالبًا ما يُعبَّر عن المعامل k عند درجة الحرارة t =10°C. وعليه، إذا كان 10°C، وكانت درجة حرارة الماء عند تحديد المعامل k هي T مختلفة عن t = 10°C فإن قيمته تُعاد حسابها وفق الصيغة التالية:

k10oC = ηt /η10oC * kT

حيث إن ηt و η10oC هما لزوجة الماء عند درجة الحرارة التشغيلية T، أو عند درجة الحرارة المعتمدة t =10°C.

kT القيمة المحصَّلة لمعامل نفاذية التربة عند درجة حرارة التشغيل T.

تُعطى قيم اللزوجة عند درجات الحرارة المختلفة T في الجدول 1.

اختبار الضغط المائي الثابت

الشكل 7. جهاز النفاذية ذو الضغط المائي الثابت

في هذا الاختبار تُؤخذ عينة تربة غير مضطربة في أسطوانة معدنية قطرها D وارتفاعها h، ذات حافة سفلية مشحوذة، وذلك بغرسها في التربة أو في عينة أكبر غير مضطربة. وبعد تسوية السطحين العلوي والسفلي للعينة بمحاذاة حواف الأسطوانة، توضع العينة في الأسطوانة داخل الجهاز (الشكل 7) بين المرشح العلوي والسفلي. ويتكون المرشح السفلي من منخل دقيق وحجر ترشيح، وذلك للسماح بمرور الماء عبر العينة ومنع غسل جسيمات التربة. أما المرشح العلوي فهو من دون منخل لأن احتمال غسل الجسيمات أقل. ويكون تزويد العينة بالماء من المنسوب N الذي يُحافَظ عليه ثابتًا بواسطة الفائض، بحيث يبقى الضغط الهيدروستاتيكي H ثابتًا. وتحت هذا الضغط يمر الماء عبر العينة بسماكة h، وبواسطة أنبوب موصول بالجزء العلوي من الجهاز يصل إلى المخبار الزجاجي M حيث يقطر.

بمجرد أن يبدأ جريان الماء عبر العينة إلى الأسطوانة المدرجة، نشغّل ساعة الإيقاف ونراقب كمية الماء q التي تدخل الأسطوانة المدرجة خلال الزمن t. ووفقًا لقانون دارسي فإن

q = k*A*t*i

حيث إن k معامل النفاذية بالسنتيمتر/ثانية، و_A_ مساحة مقطع العينة، و_i_ الانحدار الهيدروليكي، i = H/h.

من المعادلة أعلاه لدينا k= qh/Ath [cm/sec].

نقرأ كمية الماء التي تمر عبر العينة في فترات زمنية مختلفة من بداية الرصد حتى نهايته، بحيث نحصل على الكميات الجزئية وعلى الكمية الكلية للماء الذي مر عبر العينة.

ولإزالة الفقاعات الهوائية في العينة وفي الماء، التي قد تؤدي إلى نتائج خاطئة في الاختبار، يجب أن تكون العينة قبل الاختبار في حالة إشباع، وكذلك أن يُستخدم لإجراء الاختبار ماء مغلي أو على الأقل ماء راكد.

وبدلًا من الجهاز الموصوف أعلاه القائم على الضغط الهيدروستاتيكي الناتج عن فرق منسوب الماء H، توجد أيضًا أجهزة يُولَّد فيها الضغط الهيدروستاتيكي بواسطة ضغط هواء من 10 إلى 15 kp/cm2، ويُحافَظ عليه ثابتًا بواسطة ضاغط.