Вызначэнне межаў Атэрберга
Мы апішам апыты вызначэння мяжы цякучасці, мяжы пластычнасці і мяжы ўсаджвання, якія найбольш важныя ў механіцы грунтаў. Усе гэтыя апыты праводзяцца на парушаных узорах звязанага грунту.
Вопыт вызначэння мяжы цякучасці
Для гэтага выпрабавання бяруць каля 200 г глебы ў натуральна вільготным стане, без зярнят дыяметрам большым за 0,5 mm, якія маглі б парушыць дакладнасць вынікаў выпрабавання. Узор нельга сушыць у сушыльнай шафе, а трэба адразу змясціць яго ў парцалянавую чашку з дыстыляванай вадой, дзе ён павінен заставацца некалькі гадзін, пакуль добра не прамокне. Для суглінку, у якога індэкс пластычнасці IP < 20, прамочванне доўжыцца каля 4 гадзіны, для гліны IP > 20 — да 18 гадзін. Затым прамочаны ўзор перакладаюць на шкляную пласціну і з дапамогай лабараторнага нажа добра змешваюць, каб атрымаць густую кашу аднастайнага складу. Калі заўважаюцца часціцы большыя за 0,5 mm, іх падчас змешвання выдаляюць.
Такім чынам падрыхтаваны ўзор пераносіцца ў латунную чашку прыбора Казаграндэ для вызначэння мяжы цякучасці (рыс. 1), які ў нашых лабараторыях называецца казаграндэвай траскалкай.
Рыс. 1. Прыбор Казаграндэ для вызначэння мяжы цякучасці
Прыбор складаецца з латуневай чарпачкі, якая праз адмысловую злучку ўключаецца ў прыбор, эластычнай асновы з цвёрдай гумы, з эксцэнтрыкам у верхняй частцы і ручкай для павароту, пры гэтым эксцэнтрык узнімаецца на вышыню 1 cm, з-за чаго чарпачка падае і ўдараецца аб аснову (мал. 1a). Памеры прыбора нармаваныя. Акрамя таго, існуе яшчэ і профіляваны нож дакладна вызначаных памераў (мал. 1b).
Перапалаты ўзор у латунную чарыцу выраўноўваецца нажом так, каб паверхня ўзору была цалкам роўная і каб узор пакрываў крыху больш за палову пярэдняй часткі чарыцы, пры гэтым яго вышыня над найніжэйшай кропкай дна чарыцы павінна быць каля 12 mm. Затым чарыцу ўключаюць у прыбор і прафіляваным нажом праразаюць баразну пасярэдзіне так, каб яна была цалкам прамой і каб было відаць латуннае дно чарыцы, чаго дасягаюць асцярожным правядзеннем нажа перпендыкулярна да дна чарыцы. Даўжыня баразны павінна быць каля 40 mm. Неадкладна пасля гэтага круцяць ручку прыбора са хуткасцю 2 абаротаў у секунду, пры гэтым лічаць удары чарыцы аб падстаўку і назіраюць за баразной, якая праз удары чарыцы аб падстаўку звужаецца, бо разрэзаныя часткі ўзору рухаюцца і імкнуцца злучыцца. Кручэнне ручкі прыбора працягваецца да таго часу, пакуль баразна не злучыцца на даўжыні 10 mm. Калі гэтага дасягаюць, далейшае кручэнне ручкі спыняюць, а затым нажом вымаюць узор у колькасці каля 2 cm3 з участку вакол злучанай баразны з абодвух бакоў, кладуць яго ў гадзіннікавыя шкельцы і вызначаюць вільготнасць грунту.
Гэты дослед паўтараецца 3-4 разоў аднолькавым спосабам, але кожны раз з іншай вільготнасцю, што дасягаецца, калі ўзор спачатку змешваюць з меншай колькасцю вады, а затым ваду дадаюць для астатніх доследаў. Пасля кожнага завершанага доследу ўзор перасыпаюць на шкляную пліту, дзе дадаюць крыху вады і добра змешваюць, каб атрымаць аднастайную, кожны раз крыху больш рэдкую кашападобную масу.
Для правядзення вопыту прыгатаваная кашыца не павінна быць ні занадта густой, ні занадта вадкай, бо станы кансістэнцыі грунту, занадта аддаленыя ад мяжы цякучасці, не даюць патрэбнай дакладнасці для гэтага вопыту. Звычайна прымаецца, што калі колькасць удараў меншая за 10 або большая за 50, вопыт лічыцца няўдалым, але лічыцца, што дакладнасць вопыту лепшая, калі інтэрвал гэтых межаў складае 10-40 удараў.
Адзначаецца, што паводле аднаго спосабу, кожны раз пасля завяршэння павароту ручкі да зліцця баразёнкі на даўжыні 1 cm узор у латуннай чарпаке адразу змешваецца нажом і паверхня ўзору ў чарпаку зноў выраўноўваецца, праразаецца новая баразёнка, пасля чаго ручка прыбора зноў круціцца. Гэты працэс паўтараецца да таго часу, пакуль тры разы запар не атрымаюць аднолькавую колькасць удараў пры зліцці баразёнкі на даўжыні 1 cm, і гэтая колькасць прымаецца для далейшай працэдуры вызначэння мяжы цякучасці. Вынікі выпрабавання наносім на дыяграму ў семілагарытмічнай шкале (мал. 2). На вось абсцыс наносяць колькасць удараў у лагарытмічнай шкале, а на вось ардынат — колькасць вады ў працэнтах ад сухой масы ўзору ў арыфметычнай шкале. Паколькі ў кожным вопыце розная колькасць вады w, то мы атрымаем кропкі A, B, C і D, якія адпавядаюць рознай колькасці ўдараў, прычым колькасць удараў меншая, калі колькасць вады большая, і наадварот. Злучаючы гэтыя кропкі, атрымліваем нахіленую прамую лінію, на якой шукаем кропку M для 25 удараў. Колькасць вады, якая адпавядае гэтай кропцы, прымаецца як мяжа цякучасці wL.
Рыс. 2. Вызначэнне мяжы цякучасці
Вызначэнне мяжы пластычнасці
Узор грунту, прыгатаваны спосабам, апісаным вышэй, але з меншай колькасцю вады, так што пластычная маса будзе прыблізна ў тугапластычным стане, скочваюць у шарык аб’ёмам каля 2-3 cm3, пасля чаго далонню на падкладцы з звычайнай або ўбіральнай паперы яго качаюць у валок таўшчынёй 3 mm. Калі ўзор скочваецца да такой таўшчыні без разбурэння, яго зноў збіраюць у шарык і качаюць такім жа чынам. Гэтую працэдуру паўтараюць датуль, пакуль не будзе дасягнута, што валок пры таўшчыні 3 mm не пачне ламвацца. Тады зламаныя валокі кладуць у гадзіннікавыя шкельцы і вызначаюць колькасць вады. Гэтая колькасць вады, выражаная ў працэнтах сухой вагі ўзору, адпавядае мяжы пластычнасці wP.
Вызначэнне мяжы ўсаджвання
Рыс. 3. Вызначэнне мяжы ўсаджвання
Вобразы грунту змешваюць з дыстыляванай вадой так, як апісана ў раздзеле Вопыт вызначэння мяжы цякучасці, каб яго кансістэнцыя была прыблізна на мяжы цякучасці, калі ўсе поры насычаны вадой. Затым фарміруюць шарык, які пакідаюць сушыць спачатку на паветры, потым у сушыльнай шафе пры 105°C. Гэтая паслядоўнасць сушкі патрэбна для таго, каб пазбегнуць расколін у высушаным узоры, якія маглі б парушыць вопыт. Адразу ў пачатку вымяраюць вагу W1 узору і вызначаюць яго аб’ём V1 вопытам з апусканнем у ртуць, пасля чаго далей сушаць на паветры, а потым у сушыльнай шафе, перыядычна бяручы ўзоры, астуджаючы іх у эксікатары і вымяраючы іх вагу W2, W3, W4 і г.д. і аб’ём V2, V3, V4 і г.д. Такім чынам будзе ўстаноўлена, што пры пэўным стане вільготнасці аб’ём узору перастае змяншацца, хоць яго вага далей памяншаецца ў выніку сушкі. Калі ў зыходным стане ўзор насычаны вадой, г.зн. не змяшчае паветра ў порах, страта вады пры сушцы да мяжы ўсаджвання прыблізна адпавядае памяншэнню аб’ёму ўзору. Пасля гэтага сушку працягваюць без вымярэння аб’ёму, да таго часу, пакуль узор цалкам не высахне, г.зн. да пастаяннай вагі. Тады вызначаюць колькасць вады ў працэнтах ад сухой вагі ўзору для кожнага вымярэння аб’ёму і вагі ўзору, і вынікі вопыту наносяць на дыяграму (рыс. 3). Такім чынам атрымліваюць пункты A, B, C, D і E, якія злучаюць, так што звычайна атрымліваецца лінія з рэзкім пераломам у вобласці мяжы ўсаджвання. У пункце пералому S атрымліваюць вільготнасць w, якая адпавядае мяжы ўсаджвання _W_S.
Вызначэнне капілярнасці
Вызначэнне вышыні капілярнага падняцця вады выконваецца двума спосабамі, а менавіта: прамым вымярэннем вышыні капілярнага падняцця вады і ўскосным вымярэннем з дапамогай капілярымера.
Вопыт вызначэння капілярнай вышыні прамым вымярэннем
З парушанага ўзору бяруць каля 300 пондаў грунту, які сушаць пры 105°C, пасля астывання раздрабняюць у зусім дробны парашок, не раздушваючы зерняў. Атрыманую парашковую масу насыпаюць у шкляную трубку дыяметрам ø 25 mm, даўжынёй 1,5 - 2,5 m, адкрытую з абодвух канцоў, ніжні канец якой папярэдне закрываюць шклянай ватай або кавалкам тканіны. У адкрыты верхні канец насыпаем высушаны парашок на вышыню каля 10 cm, пасля чаго трубку падымаем і даём ёй падаць з ударам на драўляную падлогу або іншую пругкую апору да таго часу, пакуль назіраецца асаджэнне парашку ў трубцы. Кантроль асаджэння парашку ажыццяўляем, адзначаючы на трубцы лініі тлустай крэйдай. Пасля гэтага насыпаем яшчэ 10 cm парашку і паўтараем тую ж працэдуру, пакуль не запоўнім трубку ўшчыльненым сухім парашком узору грунту, капілярнасць якога даследуем. Затым дно трубкі апускаем у шкляны посуд з дыстыляванай вадой без плыні, пры гэтым ніжні канец трубкі не павінен ляжаць на дне сасуда (рыс. 4). Шкляную трубку замацоўваем да шкалы планкай так, каб і трубка, і шкала былі вертыкальныя. Пасля гэтага назіраем уздым вады ў трубцы, які выразна распазнаецца па колеры: сухі ўзор светлага колеру, вільготны — цёмнага. Адлегласць паміж узроўнем вады ў сасудзе і верхнім краем вільготнага ўзору ўяўляе сабой вышыню капілярнага ўздыму hk.
Мал. 4. Вызначэнне вышыні капілярнага падняцця вады прамым вымярэннем
Назіранне праводзіцца, як правіла, праз 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 і г.д. гадзін. Вынікі назірання наносяцца на дыяграму, чые абсцысы прадстаўляюць час у гадзінах, а ардынаты — вышыню капілярнага пад’ёму вады ў мм (мал. 5).
У пясчанага матэрыялу капілярны пад’ём спачатку рэзкі, затым павольнейшы, і канчатковая вышыня пад’ёму хутка дасягаецца. У гліністага матэрыялу капілярны пад’ём спачатку павольнейшы, але ён працягваецца даўжэй і дасягае значна большай вышыні.
Гэты спосаб вызначэння капілярнай вышыні з’яўляецца працяглым, асабліва для гліністай глебы. Акрамя таго, вышыня капілярнага ўзняцця залежыць ад тэмпературы паветра, а таксама ад яго вільготнасці, таму неабходна, каб гэтыя фактары захоўваліся як мага больш сталымі.
Рыс. 5. Дыяграма капілярнага пад’ёму вады ў грунце, а-пясок; b-пыл; c-гліністы грунт
Дослед вызначэння капілярнай вышыні пры дапамозе капілярыметра
Існуе некалькі капілярометраў розных канструкцый, такіх як капілярометры Бескава, Юргенсона і Энгельгардта. Тут мы апішам прынцып працы з капілярометрам Бескава, які прымяняецца найчасцей.
Гэтае выпрабаванне праводзіцца на непарушаных або парушаных узорах. Калі ўзор парушаны, яго ўводзяць у апарат у стане на мяжы цякучасці.
Рыс. 6. Капілярыметр Бяскова
Капілярыметр Бескова складаецца з двух сасудаў (рыс. 6), злучаных у ніжніх частках паміж сабой пры дапамозе армаванага гумовага шланга. У сасуд 1 змяшчаецца ўзор грунту на фільтрацыйнае дно, а пад ім знаходзіцца сасуд, часткова запоўнены дыстыляванай вадой, часткова ртуццю, якая ў ніжняй частцы размешчана так, што запаўняе і ўвесь гумовы шланг, і ніжнюю частку сасуда 2. Спачатку доследу ўзровень ртуці ў абодвух сасудах аднолькавы. Потым сасуд 2 апускаюць уніз, чым ствараецца пад фільтрацыйным дном сасуда 1 разрэджанне. Калі гэта разрэджанне становіцца большым за капілярныя сілы ў ўзоры, паветра пранікае праз узор да фільтрацыйнага дна, і ўзровень ртуці ў абодвух сасудах неўзабаве пасля гэтага выраўноўваецца шляхам апускання сасуда 2. Розніца Hg паміж узроўнямі ртуці ў адным і другім сасудзе ў момант выраўноўвання разрэджання і капілярных сіл, г. зн. непасрэдна перад тым, як паветра пачало пранікаць праз узор, пералічаная на вышыню вадзянога слупа і павялічаная на вышыню вадзянога слупа h пад узорам, дае капілярную вышыню hk. Паколькі ртуць 13,6 разоў цяжэйшая за ваду, то вышыня капілярнага пад’ёму hk:
hk = 13,6 Hg + h
Вызначэнне пранікальнасці грунту
Лабараторнае выпрабаванне на вызначэнне пранікальнасці грунту праводзіцца пры дапамозе спецыяльных апаратаў, якія называюцца пермэаметры. Існуюць розныя канструкцыі пермэаметраў, якія, аднак, можна падзяліць на дзве групы: пермэаметры з пастаянным ціскам вады — для грубазярністых грунтоў і пермэаметры са змяншальным ціскам вады — для дробназярністых грунтоў. У абодвух выпадках выпрабаванне праводзіцца на ненарушаных узорах.
Лабараторным выпрабаваннем вызначаецца каэфіцыент водапранікальнасці грунту, значэнне якога выражаецца пры пэўнай тэмпературы, з прычыны рознай глейкасці вады пры розных тэмпературах, што ўплывае на значэнне каэфіцыента водапранікальнасці k. Найчасцей каэфіцыент k выражаюць пры тэмпературы t =10°C. Таму, калі 10°C, тэмпература вады пры вызначэнні каэфіцыента k была T адрозная ад t = 10°C, тады яго значэнне пералічваецца па формуле:
k10oC = ηt /η10oC * kT
дзе ηt і η10oC — вязкасць вады пры рабочай тэмпературы T, адпаведна прынятай тэмпературы t =10°C.
kT атрыманая велічыня каэфіцыента пранікальнасці глебы пры рабочай тэмпературы T.
Значэнні глейкасці для розных тэмператур T прыведзены ў табліцы 1.
Вопыт з пастаянным ціскам вады
Рыс. 7. Пермеаметр з пастаянным ціскам вады
Для гэтага выпрабавання бяруць непарушаны ўзор грунту ў металічны цыліндр дыяметрам D, вышынёй h, з завостраным ніжнім краем, уцісканнем у грунт або ў большы непарушаны ўзор. Пасля таго як верхняя і ніжняя паверхні ўзору выраўноўваюцца з краямі цыліндра, узор у цыліндры змяшчаюць у апарат (мал. 7) паміж верхнім і ніжнім фільтрамі. Ніжні фільтр складаецца з шчыльнага сітка і фільтравальнага каменя, каб забяспечыць праходжанне вады праз узор і прадухіліць вымыванне часціц грунту. Верхні фільтр без сітка, бо магчымасць вымывання часціц меншая. Падача вады ў ўзор ідзе з узроўню N, які з дапамогай пераліву падтрымліваецца сталым, так што гідрастатычны ціск H пастаянны. Пад гэтым ціскам вада праходзіць праз узор таўшчынёй h і з дапамогай трубы, падключанай да верхняй часткі апарата, трапляе ў шкляную мензуру M, дзе капае.
Як толькі вада пачне працякаць праз узор у мензурку, уключым секундамер і назіраем колькасць вады q, якая паступае ў мензурку за час t. Паводле закона Дарсі:
q = k*A*t*i
дзе k — каэфіцыент пранікальнасці ў см/сек, A — плошча папярочнага сячэння ўзору, i — гідраўлічны падзенне напору, i = H/h.
З верхняга ўраўнення маем k= qh/Ath [cm/sec].
Колькасць вады, якая праходзіць праз узор, счытваем у асобных часавых інтэрвалах ад пачатку да канца назірання, так што маем і асобныя, і агульную колькасць вады, што прайшла праз узор.
Каб выключыць паветраныя бурбалкі ў ўзоры і ў вадзе, якія могуць прывесці да памылковых вынікаў выпрабавання, неабходна, каб перад выпрабаваннем узор быў у насычаным стане, а таксама каб для правядзення выпрабавання выкарыстоўвалася пракіпячоная або хаця б адстойная вада.
Замест апісанага вышэй прыбора, заснаванага на гідрастатычным ціску з-за розніцы ўзроўню вады H, існуюць і прыборы, у якіх гідрастатычны ціск ствараецца паветраным ціскам ад 10 да 15 kp/cm2, які падтрымліваецца пастаянным з дапамогай кампрэсара.