Utvrđivanje Atterbergovih granica
Opisat ćemo opite određivanja granice tečenja, granice plastičnosti i granice skupljanja, koje su najvažnije u mehanici tla. Svi ovi opiti vrše se na poremećenim uzorcima vezanog tla.
Ispitivanje određivanja granice tečenja
Za ovaj opit uzima se oko 200 p tla u prirodno vlažnom stanju, bez zrna prečnika preko 0,5 mm, koja bi poremetila tačnost rezultata opita. Uzorak se ne smije sušiti u sušnici već se neposredno stavlja u porcelansku šolju sa destilovanom vodom, gdje treba da ostane više sati dok se dobro ne provlaži. Za ilovaču čiji je indeks plastičnosti IP < 20 provlaživanje traje oko 4 časa, za glinu IP > 20 do 18 časova. Potom se provlaženi uzorak preruči na staklenu ploču i pomoću laboratorijskog noža dobro promiješa, da se dobije gusta kaša ravnomjernog sastava. Ukoliko se primijete čestice veće od 0,5 mm, one se pri miješanju uklanjaju.
Tako pripremljeni uzorak prenosi se u mesinganu činijicu Casagrandeovog aparata za određivanje granice tečenja (sl. 1), koji se u našim laboratorijama naziva Casagrandeova treskalica.
Slika 1. Cassagrandeov aparat za određivanje granice tečenja
Aparat se sastoji od mesingane činijice, koja se pomoću posebne veze uključuje u aparat, elastičnog postolja od tvrde gume, sa ekscentrom u gornjem dijelu i ručicom za okretanje, pri čemu se ekscentr podiže na visinu od 1 cm, usljed čega činijica pada i udara u postolje (sl. 1a). Dimenzije aparata su normirane. Pored toga postoji još i profilisani nož tačno određenih dimenzija (sl. 1b).
Preručeni uzorak u mesinganu činijicu izravnava se nožem tako da površina uzorka bude potpuno ravna, i da uzorak pokrije nešto više od polovine prednjeg dijela činijice, s tim da njegova visina iznad najniže tačke dna činijice bude oko 12 mm. Zatim se činijica uključi u aparat i profilisanim nožem proseče brazda u sredini tako da bude potpuno prava i da se vidi mesingano dno činijice, što se postiže pažljivim povlačenjem noža upravno na dno činijice. Dužina brazde treba da je oko 40 mm. Odmah zatim okreće se ručica aparata brzinom od 2 obrtaja u sekundi pri čemu se broje udari činijice u postolje i osmatra brazda, koja se usljed udara činijice u postolje sužava, jer se rasečeni dijelovi uzorka pokreću i teže da se spoje. Okretanje ručice aparata traje sve dotle, dok se brazda ne spoji na dužini od 10 mm. Kada se to postigne, prestane se sa daljim okretanjem ručice, te se odmah zatim nožem izvadi uzorak u količini oko 2 cm3 iz dijela oko spojene brazde sa obje strane, stavlja se u sahatna stakla i određuje vlažnost tla.
Ovaj opit se ponavlja 3-4 puta na isti način, ali svaki put sa drugom vlažnošću što se postiže ako se uzorak najprije zameša sa manjom količinom vode, pa se zatim voda dodaje za ostale opite. Poslije svakog završenog opita, uzorak se preručuje na staklenu ploču, gdje se dodaje nešto vode i dobro izmiješa, da se dobije ravnomjerna, svaki put nešto rjeđa, kašasta masa.
Za izvođenje opita spravljena kaša ne smije biti suviše gusta ni suviše tečna, jer stanja konzistencije tla suviše udaljena od granice tečenja ne daju potrebnu tačnost za ovaj opit. Obično se usvaja da ako je broj udara manji od 10 ili veći od 50, opit nije uspio, ali se smatra da je tačnost opita bolja ako je razmak ovih granica 10-40 udara.
Navodi se da se prema jednom postupku, nakon svakog završenog okretanja ručice do spajanja brazde na dužini od 1 cm uzorak u mesinganoj činijici odmah promiješa nožem i površina uzorka u činijici ponovo poravna, potom se zasiječe nova brazda, a zatim se ručica aparata okreće dalje. Ovaj postupak ponavlja se sve dok se tri puta zaredom ne dobije isti broj udara pri spajanju brazde na dužini od 1 cm, a taj broj se prihvata za dalji postupak pri određivanju granice tečenja. Rezultati ispitivanja unose se na dijagram u semilogaritamskoj podjeli (sl. 2). Na osu apscise nanosi se broj udara u logaritamskoj podjeli, a na osu ordinate količina vode u procentima suhe težine uzorka u aritmetičkoj podjeli. Budući da je kod svakog opita količina vode w različita, dobit ćemo tačke A, B, C i D, koje odgovaraju različitom broju udara, pri čemu je broj udara manji što je količina vode veća i obrnuto. Povezivanjem tih tačaka dobijamo kosu pravu liniju, na kojoj tražimo tačku M za 25 udara. Količina vode koja odgovara toj tački usvaja se kao granica tečenja wL.
Slika 2. Određivanje granice tečenja
Utvrđivanje granice plastičnosti
Uzorak tla spravljen na način opisan gore, ali s manje vode, tako da čini plastičnu masu približno u žilavo-plastičnom stanju, skupi se u lopticu oko 2-3 cm3, pa se zatim dlanom valja na podlozi obične ili upijajuće hartije u valjak debljine 3 mm. Ako se uzorak valja do te debljine bez lomljenja, ponovo se skuplja u lopticu i valja na isti način. Ovaj postupak se ponavlja sve dok se ne postigne da se valjak pri debljini od 3 mm počne lomiti. Tada se polomljeni valjci stave u sahatna stakla i odredi količina vode. Ta količina vode, izražena u procentima suve težine uzorka, odgovara granici plastičnosti wP.
Utvrđivanje granice skupljanja
Slika 3. Utvrđivanje granice skupljanja
Uzorak tla zamijesi se s destiliranom vodom na način opisan pod Opit određivanja granice tečenja, tako da njegova konzistencija bude približno na granici tečenja, kada su sve pore zasićene vodom. Zatim se načini loptica koja se ostavi da se suši najprije na zraku, zatim u sušnici na 105°C. Ova postupnost u sušenju je potrebna da bi se izbjegle pukotine u isušenom uzorku, koje bi poremetile opit. Odmah na početku izmjeri se težina W1 uzorka i odredi njegova zapremina V1 opitom s potapanjem u živu, zatim se dalje suši na zraku, a potom u sušnici, uz povremeno uzimanje uzorka, hlađenje u eksikatoru i mjerenje njegove težine W2, W3, W4 itd. i zapremine V2, V3, V4 itd. Na taj način utvrdiće se da pri jednom stanju vlažnosti zapremina uzorka prestaje da se smanjuje iako njegova težina i dalje opada usljed sušenja. Ako je uzorak u svom početnom stanju zasićen vodom, tj. ne sadrži vazduha u porama, gubitak vode sušenjem uzorka do granice skupljanja približno odgovara smanjenju zapremine uzorka. Poslije toga sušenje se i dalje nastavlja bez mjerenja zapremine, sve dotle dok se uzorak potpuno ne osuši, tj. do stalnosti težine. Tada se odredi količina vode u procentima suhe težine uzorka za svako mjerenje zapremine i težine uzorka, te se rezultati opita nanesu na dijagram (sl. 3). Na taj način dobiju se tačke A, B, C, D i E, koje se spajaju, tako da se obično dobija linija s oštrim prelomom u oblasti granice skupljanja. U prelomnoj tački S dobija se vlažnost w koja odgovara granici skupljanja _W_S.
Utvrđivanje kapilarnosti
Opit određivanja visine kapilarnog penjanja vode vrši se na dva načina i to direktnim mjerenjem visine kapilarnog penjanja vode i indirektnim mjerenjem pomoću kapilarimetra.
Ogled određivanja kapilarne visine direktnim mjerenjem
Iz poremećenog uzorka uzme se oko 300 pondi tla, koje se osuši na 105°C, zatim po hlađenju isitni se u sasvim sitan prah, bez drobljenja zrnaca. Dobijeni prah sipa se u staklenu cijev prečnika ø 25 mm, dužine 1,5 - 2,5 m, otvorene na oba kraja, čiji donji kraj se prethodno zatvara staklenom vatom ili komadom platna. U otvoreni gornji kraj sipamo isušeni prah u visini od oko 10 cm, zatim cijev podižemo i puštamo da pada sa udarcem na drveni pod ili neki drugi elastični oslonac sve dotle, dok se pokazuje slijeganje praha u cijevi. Kontrolu slijeganja praha vršimo obilježavanjem crta masnom kredom na cijevi. Poslije toga sipamo daljih 10 cm praha i ponavljamo isti postupak sve dok ne ispunimo cijev zbijenim suhim prahom uzorka tla, čiju kapilarnost ispitujemo. Zatim dno cijevi potopimo u stakleni sud sa destilisanom vodom bez toka, s tim da donji kraj cijevi ne smije ležati na dnu suda (sl. 4). Staklenu cijev pričvrstimo letvom za skalu, tako da i cijev i skala budu vertikalni. Poslije toga osmatramo penjanje vode u cijevi, koje se jasno raspoznaje po boji: suv uzorak je svijetle boje, vlažan tamne. Odstojanje između nivoa vode u sudu i gornje ivice vlažnog uzorka predstavlja visinu kapilarnog penjanja hk.
Sl. 4. Određivanje visine kapilarnog penjanja vode direktnim mjerenjem
Osmatranje se vrši po pravilu poslije 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 itd. časova. Rezultati osmatranja nanose se na dijagram, čije apscise predstavljaju vrijeme u časovima, a ordinate visine kapilarnog penjanja vode u mm (sl. 5).
Kod pješčanog materijala, kapilarno penjanje je u početku naglo, zatim sporije i krajnja visina penjanja se brzo dostiže. Kod glinovitog materijala, kapilarno penjanje je u početku sporije, ali je dugotrajnije i dostiže znatno veću visinu.
Ovaj način određivanja kapilarne visine je dugotrajan, naročito kod glinovitog tla. Osim toga visina kapilarnog penjanja zavisi od temperature zraka kao i od njegove vlažnosti, zbog čega je potrebno da se ovi faktori održavaju koliko god je moguće stalnim.
Sl. 5. Dijagram kapilarnog penjanja vode u tlu, a-pijesak; b-prašina; c-glinovito tlo
Ispitivanje određivanja kapilarne visine pomoću kapilarimetra
Postoji više kapilarimetara različitih konstrukcija, kao što su kapilarimetri Beskowa, Jürgensona i Engelhardta. Ovdje ćemo opisati princip rada sa kapilarimetrom Beskowa, koji se najviše primjenjuje.
Ovaj ispit izvodi se na neporemećenim ili poremećenim uzorcima. Ako je uzorak poremećen, tada se unosi u uređaj u stanju na granici tečenja.
Slika 6. Kapilarimetar Beskowa
Kapilarimetar Beskowa sastoji se iz dva suda (sl. 6), spojena u donjim dijelovima međusobno pomoću armiranog gumenog crijeva. U sud 1 stavlja se uzorak tla na filtarsko dno, dok je ispod njega sud ispunjen djelimično destilisanom vodom, djelimično živom, koja je u donjem dijelu tako da ispunjava i cijelo gumeno crijevo i donji dio suda 2. U početku opita je nivo žive u oba suda isti. Zatim se sud 2 spušta naniže, čime se stvara ispod filtarskog dna suda 1 podpritisak. Kada ovaj podpritisak postane veći od kapilarnih sila u uzorku, zrak prodire kroz uzorak u filtarsko dno i nivo žive u oba suda se odmah zatim izjednači izdižući sud 2. Razlika Hg između nivoa žive u jednom i drugom sudu u trenutku izjednačenja podpritiska i kapilarnih sila, tj. neposredno prije nego što je zrak počeo da prodire kroz uzorak, preračunata na visinu vodenog stuba i uvećana za visinu vodenog stuba h ispod uzorka, daje kapilarnu visinu hk. Pošto je živa 13,6 puta teža nego voda, to je visina kapilarnog penjanja hk:
hk = 13,6 Hg + h
Određivanje propusnosti tla
Laboratorijski opit određivanja propustljivosti tla vrši se pomoću naročitih aparata koji se zovu permeametri. Postoje različite konstrukcije permeametara, koji se međutim mogu podijeliti u dvije grupe: permeametri sa konstantnim pritiskom vode, za krupnozrnatija tla i permeametri sa opadajućim pritiskom vode za sitnozrna tla. U oba slučaja opit se vrši sa neporemećenim uzorcima.
Laboratorijskim opitom određuje se koeficijent propustljivosti tla čija se vrijednost izražava na jednoj određenoj temperaturi, zbog različite viskoznosti vode na različitim temperaturama, što utiče na vrijednost koeficijenta propustljivosti k. Najčešće se izražava koeficijent k na temperaturi t =10°C. Prema tome, ako je 10°C, temperatura vode pri određivanju koeficijenta k bila T različita od t = 10°C onda se njegova vrijednost preračunava po obrascu:
k10oC = ηt /η10oC * kT
gdje je ηt i η10oC viskozitet vode na radnoj temperaturi T, odnosno usvojenoj temperaturi t =10°C.
kT dobijena vrijednost koeficijenta propustljivosti tla na radnoj temperaturi T.
Vrijednosti viskoziteta za različite temperature T date su u tabeli 1.
Ispitivanje pri konstantnom pritisku vode
Sl. 7. Permeametar sa stalnim pritiskom vode
Za ovaj opit uzima se neporemećeni uzorak tla u metalni cilindar prečnika D, visine h, sa zaoštrenom donjom ivicom, utiskivanjem u tlo ili u veći neporemećeni uzorak. Pošto se gornja i donja površina uzorka izravnavaju sa ivicama cilindra, uzorak u cilindru stavi se u aparat (sl. 7) između gornjeg i donjeg filtera. Donji filter sastoji se iz gustog sita i filterskog kamena, da bi se omogućilo proticanje vode kroz uzorak i sprečilo ispiranje čestica tla. Gornji filter je bez sita pošto postoji manja mogućnost ispiranja čestica. Dovod vode u uzorak je sa nivoa N, koji se pomoću preliva održava stalnim, tako da je hidrostatički pritisak H stalan. Pod ovim pritiskom voda prođe kroz uzorak debljine h i pomoću cijevi uključene u gornji dio aparata dospijeva u staklenu menzuru M gdje kaplje.
Čim počne proticanje vode kroz uzorak u menzuru, pustimo stoper sat u rad i osmatramo količinu vode q koja dotiče u menzuru za vrijeme t. Prema Darcyevom zakonu je
q = k*A*t*i
gdje je k koeficijent propusnosti u cm/sec, A površina presjeka uzorka, i hidraulički pad, i = H/h.
Iz gornje jednačine dobijamo k= qh/Ath [cm/sec].
Količinu vode koja prođe kroz uzorak očitavamo u pojedinačnim vremenskim intervalima od početka do kraja posmatranja, tako da imamo i pojedinačne i ukupnu količinu vode koja je protekla kroz uzorak.
Da bi se isključili vazdušni mehuri u uzorku i u vodi, koji mogu dovesti do pogrešnih rezultata opita, potrebno je da prije opita uzorak bude u zasićenom stanju, kao i da se za izvršenje opita upotrebljava prokuhana ili bar ustajala voda.
Umjesto naprijed opisanog aparata zasnovanog na hidrostatičkom pritisku usljed razlike u nivou vode H, postoje i aparati kod kojih je hidrostatički pritisak proizveden zračnim pritiskom od 10 do 15 kp/cm2, održavan konstantnim pomoću kompresora.