Определяне на границите на Атeрберг
Ще опишем опитите за определяне на границата на текучест, границата на пластичност и границата на свиване, които са най-важни в почвената механика. Всички тези опити се извършват върху нарушени проби от свързана почва.
Опит за определяне на границата на течливост
За този опит се вземат около 200 p почва в естествено влажно състояние, без зърна с диаметър над 0,5 mm, които биха нарушили точността на резултатите от опита. Пробата не бива да се суши в сушилня, а се поставя непосредствено в порцеланова чашка с дестилирана вода, където трябва да престои няколко часа, докато се овлажни добре. За глинесто- песъчлива почва, чийто индекс на пластичност IP < 20, овлажняването продължава около 4 часа, а за глина IP > 20 — от 18 часа. След това овлажнената проба се прехвърля върху стъклена плоча и с помощта на лабораторен нож се разбърква добре, за да се получи гъста каша с равномерен състав. Ако се забележат частици по-големи от 0,5 mm, те се отстраняват при разбъркването.
Така приготвената проба се изсипва в месинговата чашка на апарата на Казагранде за определяне на границата на текучест (сл. 1), който в нашите лаборатории се нарича Казаграндеова трескалка.
Фиг. 1. Уредът на Casagrande за определяне на границата на провлачване
Апаратът се състои от месингова паничка, която посредством специална връзка се включва в апарата, еластична поставка от твърда гума, с ексцентър в горната част и ръчка за въртене, при което ексцентърът се повдига на височина от 1 cm, вследствие на което паничката пада и удря поставката (фиг. 1а). Размерите на апарата са нормализирани. Освен това има и профилиран нож с точно определени размери (фиг. 1б).
Пренесената проба в месинговата чашка се изравнява с нож, така че повърхността на пробата да бъде напълно равна и пробата да покрива малко повече от половината от предната част на чашката, като височината ѝ над най-ниската точка на дъното на чашката да бъде около 12 mm. След това чашката се включва в апарата и с профилирания нож се прорязва бразда в средата така, че да бъде напълно права и да се вижда месинговото дъно на чашката, което се постига чрез внимателно водене на ножа перпендикулярно на дъното на чашката. Дължината на браздата трябва да бъде около 40 mm. Непосредствено след това дръжката на апарата се завърта със скорост 2 оборота в секунда, като се броят ударите на чашката в основата и се наблюдава браздата, която вследствие на ударите на чашката в основата се стеснява, защото разрязаните части на пробата се движат и се стремят да се съединят. Завъртането на дръжката на апарата продължава дотогава, докато браздата се съедини на дължина 10 mm. Когато това се постигне, се преустановява по-нататъшното завъртане на дръжката и веднага след това с нож се изважда проба в количество около 2 cm3 от частта около съединената бразда от двете страни, поставя се в часовникови стъкла и се определя влажността на почвата.
Този опит се повтаря 3-4 пъти по същия начин, но всеки път с различна влажност, което се постига, ако пробата първо се смеси с по-малко количество вода, а след това водата се добавя за останалите опити. След всеки завършен опит пробата се изсипва върху стъклена плоча, където се добавя малко вода и се разбърква добре, за да се получи равномерна, всеки път малко по-рядка, кашеста маса.
За провеждане на опита приготвената каша не бива да бъде нито твърде гъста, нито твърде течна, защото състояния на консистенцията на почвата, твърде отдалечени от границата на течливост, не дават необходимата точност за този опит. Обикновено се приема, че ако броят на ударите е по-малък от 10 или по-голям от 50, опитът не е успял, но се счита, че точността на опита е по-добра, ако обхватът на тези граници е 10-40 удара.
Отбелязва се, че по един метод, всеки път след завъртането на ръчката до съединяването на браздата на дължина 1 cm пробата в месинговата чашка веднага се размесва с нож и отново се изравнява повърхността на пробата в чашката, прорязва се нова бразда, след което се завърта ръчката на апарата. Тази процедура се повтаря дотогава, докато се постигне три пъти последователно да се получи една и съща бройка удара при съединяването на браздата на дължина 1 cm, която бройка се приема за по-нататъшната процедура при определяне на границата на текучест. Резултатите от изпитването нанасяме на диаграма в полулогаритмично разделение (фиг. 2). На абсцисната ос се нанася броят на ударите в логаритмична скала, а на ординатната ос количеството вода в проценти от сухото тегло на пробата в аритметична скала. Тъй като при всеки опит количеството вода w е различно, ще получим точки A, B, C и D, които отговарят на различен брой удари, като броят на ударите е по-малък, колкото по-голямо е количеството вода, и обратно. Свързвайки тези точки, получаваме наклонена права линия, върху която търсим точката M за 25 удара. Количеството вода, което отговаря на тази точка, се приема за граница на текучест wL.
Фиг. 2. Определяне на границата на провлачване
Определяне на границата на пластичност
Проба от почвата, приготвена по описания по-горе начин, но с по-малко вода, така че да бъде пластична маса в приблизително жилавопластично състояние, се събира на топка с около 2-3 cm3, след което се търкаля с длан върху подложка от обикновена или попивателна хартия в цилиндър с дебелина 3 mm. Ако пробата се търкаля до такава дебелина без да се чупи, тя отново се събира на топка и се търкаля по същия начин. Тази процедура се повтаря дотогава, докато се постигне при дебелина на цилиндъра от 3 mm той да започне да се чупи. Тогава счупените цилиндърчета се поставят в часовникови стъкла и се определя количеството вода. Това количество вода, изразено като процент от сухото тегло на пробата, съответства на границата на пластичност wP.
Определяне на границата на свиване
Фиг. 3. Определяне на границата на свиване
Пробата от почвата се смесва с дестилирана вода по начина, описан под Опит за определяне на границата на течливост, така че консистенцията ѝ да бъде приблизително при границата на течливост, когато всички пори са наситени с вода. След това се оформя топче, което се оставя да изсъхне първо на въздух, а после в сушилня при 105°C. Тази последователност на сушене е необходима, за да се избегнат пукнатини в изсъхналата проба, които биха нарушили опита. Още в началото се измерва теглото на W1 пробата и се определя нейният обем V1 чрез опит с потапяне в живак, след което тя се доизсушава на въздух, а после в сушилня, с периодично вземане на пробата, охлаждане в ексикатор и измерване на теглото ѝ W2, W3, W4 и т.н. и на обема V2, V3, V4 и т.н. По този начин ще се установи, че при едно определено състояние на влажност обемът на пробата престава да намалява, въпреки че теглото ѝ продължава да намалява вследствие на сушенето. Ако пробата в началното си състояние е наситена с вода, т.е. не съдържа въздух в порите, загубата на вода при сушене на пробата до границата на свиване приблизително съответства на намалението на обема ѝ. След това сушенето продължава и без измерване на обема, докато пробата не изсъхне напълно, т.е. до постоянство на теглото. Тогава се определя количеството вода в проценти от сухото тегло на пробата за всяко измерване на обема и теглото на пробата, а резултатите от опита се нанасят върху диаграма (сл. 3). По този начин се получават точките A, B, C, D и E, които се свързват, така че обикновено се получава линия с рязък прелом в областта на границата на свиване. В пречупната точка S се получава влажност w, която съответства на границата на свиване _W_S.
Определяне на капилярността
Опитът за определяне на височината на капилярното издигане на водата се извършва по два начина, а именно чрез директно измерване на височината на капилярното издигане на водата и чрез индиректно измерване с помощта на капиляриметър.
Опит за определяне на капилярната височина чрез пряко измерване
От нарушената проба се вземат около 300 понди почва, която се суши при 105°C, след което след охлаждане се стрива на съвсем фин прах, без да се трошат зърната. Полученият прах се насипва в стъклена тръба с диаметър ø 25 mm, дължина 1,5 - 2,5 m, отворена в двата края, като долният ѝ край предварително се затваря със стъклена вата или парче плат. В отворения горен край насипваме изсушения прах на височина около 10 cm, след това тръбата се повдига и се пуска да пада с удар върху дървен под или друга еластична опора, докато се наблюдава слягане на праха в тръбата. Контролът на слягането на праха се извършва чрез отбелязване на линии с мазен тебешир върху тръбата. След това насипваме още 10 cm прах и повтаряме същата процедура, докато изпълним тръбата с уплътнен сух прах от почвената проба, чиято капилярност изследваме. След това дъното на тръбата потапяме в стъклен съд с дестилирана вода без течение, като долният край на тръбата не бива да лежи на дъното на съда (фиг. 4). Закрепваме стъклената тръба към скала с летва, така че и тръбата, и скалата да са вертикални. След това наблюдаваме изкачването на водата в тръбата, което ясно се разпознава по цвета: сухата проба е светла, влажната е тъмна. Разстоянието между нивото на водата в съда и горния ръб на влажната проба представлява височината на капилярното изкачване hk.
Фиг. 4. Определяне на височината на капилярното издигане на водата чрез директно измерване
Наблюдението се извършва по правило след 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 и т.н. часа. Резултатите от наблюдението се нанасят в диаграма, чийто абсцисен отрез представлява времето в часове, а ординатите - височините на капилярното издигане на водата в mm (фиг. 5).
При песъчлив материал капилярното изкачване в началото е рязко, след това по-бавно и крайната височина на изкачване се достига бързо. При глинест материал капилярното изкачване в началото е по-бавно, но е по-продължително и достига значително по-голяма височина.
Този начин за определяне на капилярната височина е продължителен, особено при глинести почви. Освен това височината на капилярното издигане зависи от температурата на въздуха, както и от неговата влажност, поради което е необходимо тези фактори да се поддържат възможно най-постоянни.
Фиг. 5. Диаграма на капилярното изкачване на водата в почвата, а-пясък; б-прах; в-глинеста почва
Опит за определяне на капилярната височина с помощта на капиляриметър
Съществуват няколко капиляриметъра с различна конструкция, като капиляриметрите на Бесков, Юргенсон и Енгелхардт. Тук ще опишем принципа на работа с капиляриметъра на Бесков, който се прилага най-често.
Този опит се извършва върху ненарушени или нарушени проби. Ако пробата е нарушена, тя се въвежда в апарата в състояние на границата на текучество.
Фиг. 6. Капиляриметър на Бесков
Капиляриметърът на Beskow се състои от два съда (фиг. 6), свързани в долните части помежду си с армирован гумен маркуч. В съд 1 се поставя почвена проба върху филтърно дъно, а под него е съд, частично запълнен с дестилирана вода, частично с живак, който в долната част е така разположен, че запълва и целия гумен маркуч, и долната част на съд 2. В началото на изпита нивото на живака и в двата съда е еднакво. След това съд 2 се спуска надолу, с което под филтърното дъно на съд 1 се създава подналягане. Когато това подналягане стане по-голямо от капилярните сили в пробата, въздухът прониква през пробата към филтърното дъно и нивото на живака в двата съда непосредствено след това се изравнява чрез спускане на съд 2. Разликата Hg между нивата на живака в единия и другия съд в момента на изравняване на подналягането и капилярните сили, т.е. непосредствено преди въздухът да започне да прониква през пробата, преизчислена към височина на воден стълб и увеличена с височината на водния стълб h под пробата, дава капилярната височина hk. Понеже живакът е 13,6 пъти по-тежък от водата, то височината на капилярното покачване hk е:
hk = 13,6 Hg + h
Определяне на пропускливостта на почвата
Лабораторното изпитване за определяне на пропускливостта на почвата се извършва с помощта на специални уреди, наречени пермеаметри. Съществуват различни конструкции на пермеаметри, които обаче могат да се разделят на две групи: пермеаметри с постоянен воден напор, за едрозърнести почви, и пермеаметри с намаляващ воден напор за дребнозърнести почви. И в двата случая изпитването се извършва с ненарушени проби.
С лабораторен опит се определя коефициентът на пропускливост на почвата, чието значение се изразява при определена температура поради различната вискозност на водата при различни температури, което влияе върху стойността на коефициента на пропускливост k. Най-често се изразява коефициентът k при температура t =10°C. Следователно, ако е 10°C, температурата на водата при определяне на коефициента k е била T различна от t = 10°C, тогава неговата стойност се преизчислява по формулата:
k10oC = ηt /η10oC * kT
където ηt и η10oC са вискозитетът на водата при работната температура T, съответно приетата температура t =10°C.
kT получена стойност на коефициента на пропускливост на почвата при работната температура T.
Стойностите на вискозитета за различни температури T са дадени в таблица 1.
Опит с постоянно водно налягане
Фиг. 7. Пермеаметър с постоянно водно налягане
За този опит се взема ненарушена почвена проба в метален цилиндър с диаметър D, височина h, със заострен долен ръб, чрез впресоване в почвата или в по-голяма ненарушена проба. След като горната и долната повърхност на пробата се изравнят с ръбовете на цилиндъра, пробата в цилиндъра се поставя в апарата (фиг. 7) между горния и долния филтър. Долният филтър се състои от плътно сито и филтърен камък, за да се осигури протичане на вода през пробата и да се предотврати отмиване на почвените частици. Горният филтър е без сито, тъй като има по-малка възможност за отмиване на частици. Подаването на вода към пробата е от нивото N, което се поддържа постоянно посредством преливник, така че хидростатичното налягане H е постоянно. Под това налягане водата преминава през пробата с дебелина h и посредством тръбата, включена в горната част на апарата, достига до стъкления мензурен съд M, където капе.
Щом започне протичането на вода през образеца в мензурата, пускаме хронометъра в действие и наблюдаваме количеството вода q, което постъпва в мензурата за време t. Според закона на Дарси е
q = k*A*t*i
където k е коефициентът на пропускливост в cm/sec, A е площта на напречното сечение на образеца, i е хидравличният градиент, i = H/h.
От горното уравнение имаме k= qh/Ath [cm/sec].
Количеството вода, преминало през пробата, отчитаме през отделните времеви интервали от началото до края на наблюдението, така че имаме както отделни, така и общото количество вода, преминало през пробата.
За да се изключат въздушните мехурчета в образеца и във водата, които могат да доведат до погрешни резултати от изпитването, е необходимо преди изпитването образецът да бъде в наситено състояние, както и за извършването на изпитването да се използва преварена или поне престояла вода.
Вместо описания по-горе апарат, основан на хидростатично налягане поради разликата в нивото на водата H, има и апарати, при които хидростатичното налягане се създава от въздушно налягане от 10 до 15 kp/cm2, поддържано постоянно с помощта на компресор.