Stanovení Atterbergových mezí
Popíšeme zkoušky stanovení meze tekutosti, meze plasticity a meze smrštivosti, které jsou v mechanice zemin nejdůležitější. Všechny tyto zkoušky se provádějí na porušených vzorcích soudržné zeminy.
Pokus stanovení meze tekutosti
Pro tento zkušební postup se odebere asi 200 půdy v přirozeně vlhkém stavu, bez zrn o průměru větším než 0,5 mm, která by narušila přesnost výsledku zkoušky. Vzorek se nesmí sušit v sušárně, ale se okamžitě vloží do porcelánové misky s destilovanou vodou, kde má zůstat několik hodin, dokud se dobře nepromočí. U hlíny s indexem plasticity IP < 20 trvá promočení asi 4 hodiny, u jílu IP > 20 do 18 hodin. Poté se promočený vzorek přenese na skleněnou desku a pomocí laboratorního nože se důkladně promíchá, aby vznikla hustá kaše rovnoměrného složení. Zjistí-li se částice větší než 0,5 mm, při míchání se odstraní.
Takto připravený vzorek se přelije do mosazné misky Casagrandova přístroje pro stanovení meze tekutosti (obr. 1), který se v našich laboratořích nazývá Casagrandova třepačka.
Obr. 1. Cassagrandeův přístroj pro určování meze kluzu
Přístroj se skládá z mosazné mističky, která se pomocí zvláštního spojení zapojuje do přístroje, z pružného podstavce z tvrdé gumy s excentrem v horní části a otočnou rukojetí, přičemž excentr se zvedá do výšky 1 cm, čímž mistička padá a naráží do podstavce (obr. 1a). Rozměry přístroje jsou normované. Kromě toho existuje také profilovaný nůž přesně stanovených rozměrů (obr. 1b).
Nabraný vzorek do mosazné misky se zarovná nožem tak, aby byl jeho povrch zcela rovný a aby vzorek pokryl o něco více než polovinu přední části misky, přičemž jeho výška nad nejnižším bodem dna misky má být asi 12 mm. Potom se miska vloží do přístroje a profilovaným nožem se ve středu vyřízne rýha tak, aby byla zcela přímá a aby bylo vidět mosazné dno misky, čehož se dosáhne opatrným vedením nože kolmo ke dnu misky. Délka rýhy má být asi 40 mm. Ihned poté se otáčí klikou přístroje rychlostí 2 otáček za sekundu, přičemž se počítají údery misky o podstavec a sleduje se rýha, která se vlivem úderů misky o podstavec zužuje, protože rozříznuté části vzorku se pohybují a snaží se spojit. Otáčení kliky přístroje pokračuje tak dlouho, dokud se rýha nespojí na délce 10 mm. Jakmile se toho dosáhne, přestane se s dalším otáčením kliky a ihned poté se nožem vyjme vzorek v množství asi 2 cm3 z části kolem spojené rýhy na obou stranách, vloží se do hodinových sklíček a stanoví se vlhkost zeminy.
Tato zkouška se opakuje 3-4krát stejným způsobem, ale pokaždé s jinou vlhkostí, čehož se dosáhne tak, že se vzorek nejprve zamíchá s menším množstvím vody a poté se voda přidává pro ostatní zkoušky. Po každé dokončené zkoušce se vzorek přesype na skleněnou desku, kde se přidá trochu vody a dobře promíchá, aby vznikla rovnoměrná, pokaždé o něco řidší kašovitá hmota.
Pro provedení pokusu nesmí být připravená kaše ani příliš hustá, ani příliš řídká, protože stavy konzistence zeminy příliš vzdálené od meze tekutosti neposkytují pro tento pokus potřebnou přesnost. Obvykle se předpokládá, že je-li počet úderů menší než 10 nebo větší než 50, pokus se nezdařil, avšak má se za to, že přesnost pokusu je lepší, je-li rozmezí těchto mezí 10-40 úderů.
Upozorňuje se, že podle jednoho postupu se po každém otočení páčky až do spojení rýhy v délce 1 cm vzorek v mosazné misce ihned promíchá nožem a povrch vzorku v misce se znovu vyrovná, vyřeže se nová rýha a potom se páčka přístroje otáčí. Tento postup se opakuje tak dlouho, dokud se třikrát po sobě nedosáhne stejného počtu úderů při spojení rýhy v délce 1 cm, přičemž se tento počet přijímá pro další postup při určování meze tečení. Výsledky zkoušky vynášíme do diagramu v semilogaritmickém měřítku (obr. 2). Na osu x se vynáší počet úderů v logaritmickém měřítku a na osu y množství vody v procentech suché hmotnosti vzorku v aritmetickém měřítku. Protože je při každé zkoušce rozdílné množství vody w, dostaneme body A, B, C a D, které odpovídají různému počtu úderů, přičemž počet úderů je menší, je-li množství vody větší, a naopak. Spojením těchto bodů dostaneme šikmou přímku, na níž hledáme bod M pro 25 úderů. Množství vody odpovídající tomuto bodu se přijímá jako mez tečení wL.
Obr. 2. Stanovení meze kluzu
Stanovení meze plasticity
Vzorek zeminy připravený způsobem popsaným výše, ale s menším množstvím vody, tak aby byl plastický materiál přibližně v tuho plastickém stavu, se shrne do kuličky o velikosti asi 2-3 cm3, a poté se dlaní na podložce z obyčejného nebo savého papíru vyválí do válečku o tloušťce 3 mm. Pokud se vzorek vyválí na tuto tloušťku bez lámání, znovu se shrne do kuličky a válí se stejným způsobem. Tento postup se opakuje tak dlouho, dokud se váleček při tloušťce 3 mm nezačne lámat. Pak se zlomené válečky vloží do hodinových skel a stanoví se množství vody. Toto množství vody, vyjádřené v procentech suché hmotnosti vzorku, odpovídá mezi plasticity wP.
Stanovení smršťovací meze
Obr. 3. Určení hranice smrštění
Vzorek zeminy se smíchá s destilovanou vodou způsobem popsaným v části Pokus stanovení meze tekutosti, tak aby jeho konzistence byla přibližně na mezi tekutosti, kdy jsou všechny póry nasyceny vodou. Poté se vytvoří kulička, která se nechá sušit nejprve na vzduchu, potom v sušárně při 105°C. Tato postupnost sušení je nutná, aby se zabránilo trhlinám ve vysušeném vzorku, které by pokus narušily. Hned na začátku se změří hmotnost W1 vzorku a určí se jeho objem V1 pokusem s ponořením do rtuti, poté se dále suší na vzduchu a pak v sušárně, s občasným odebráním vzorku, ochlazením v exsikátoru a měřením jeho hmotnosti W2, W3, W4 atd. a objemu V2, V3, V4 atd. Tímto způsobem se zjistí, že při určitém stavu vlhkosti objem vzorku přestává klesat, i když jeho hmotnost dále vlivem sušení ubývá. Je-li vzorek ve svém počátečním stavu nasycen vodou, tj. neobsahuje v pórech vzduch, odpovídá ztráta vody sušením vzorku až do meze smrštění přibližně zmenšení objemu vzorku. Poté se sušení dále pokračuje bez měření objemu, až do úplného vysušení vzorku, tj. do stálosti hmotnosti. Pak se určí množství vody v procentech suché hmotnosti vzorku pro každé měření objemu a hmotnosti vzorku a výsledky pokusu se nanesou do diagramu (obr. 3). Tímto způsobem se získají body A, B, C, D a E, které se spojí tak, že se obvykle získá čára s ostrým lomem v oblasti meze smrštění. V lomovém bodě S se získá vlhkost w, která odpovídá mezi smrštění _W_S.
Stanovení kapilarity
Zkouška stanovení výšky kapilárního vzestupu vody se provádí dvěma způsoby, a to přímým měřením výšky kapilárního vzestupu vody a nepřímým měřením pomocí kapilarimetru.
Pokus stanovení kapilární výšky přímým měřením
Z porušeného vzorku se odebere asi 300 pondů půdy, která se vysuší na 105°C, poté se po ochlazení rozmělní na velmi jemný prášek, aniž by se drtila zrnka. Získaný prášek se sype do skleněné trubice o průměru ø 25 mm, délky 1,5 - 2,5 m, otevřené na obou koncích, jejíž dolní konec se předem uzavře skleněnou vatou nebo kouskem tkaniny. Do otevřeného horního konce sypeme vysušený prášek do výšky asi 10 cm, poté trubici zvedáme a necháváme ji padat s úderem na dřevěnou podlahu nebo jinou pružnou podložku tak dlouho, dokud se neprojevuje sedání prášku v trubici. Sedání prášku kontrolujeme značkami z voskové křídy na trubici. Poté nasypeme dalších 10 cm prášku a opakujeme stejný postup, dokud trubici nenaplníme zhutněným suchým práškem vzorku půdy, jejíž kapilaritu zkoumáme. Pak dno trubice ponoříme do skleněné nádoby s destilovanou stojatou vodou tak, aby dolní konec trubice neležel na dně nádoby (obr. 4). Skleněnou trubici připevníme lištou ke stupnici tak, aby trubice i stupnice byly svislé. Poté pozorujeme vzestup vody v trubici, který je zřetelně rozpoznatelný podle barvy: suchý vzorek je světlý, vlhký tmavý. Vzdálenost mezi hladinou vody v nádobě a horním okrajem vlhkého vzorku představuje výšku kapilárního vzestupu hk.
Obr. 4. Stanovení výšky kapilárního vzestupu vody přímým měřením
Pozorování se obvykle provádí po 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 atd. hodinách. Výsledky pozorování se zaznamenávají do diagramu, jehož osa x představuje čas v hodinách a osa y výšku kapilárního vzestupu vody v mm (obr. 5).
U písčitého materiálu je kapilární vzestup zpočátku prudký, pak pomalejší a konečná výška vzestupu je dosažena rychle. U jílovitého materiálu je kapilární vzestup zpočátku pomalejší, ale trvá déle a dosahuje podstatně větší výšky.
Tento způsob určování kapilární výšky je zdlouhavý, zejména u jílovité půdy. Kromě toho výška kapilárního vzestupu závisí na teplotě vzduchu i na jeho vlhkosti, a proto je nutné, aby se tyto faktory udržovaly pokud možno stále stejné.
Obr. 5. Diagram kapilárního vzestupu vody v půdě, a-písek; b-prach; c-jílovitá půda
Pokus stanovení kapilární výšky pomocí kapilarimetru
Existuje více kapilarimetrů různých konstrukcí, jako jsou kapilarimetry Beskowa, Jürgensona a Engelhardta. Zde popíšeme princip práce s kapilarimetrem Beskowa, který se používá nejčastěji.
Tato zkouška se provádí na neporušených nebo porušených vzorcích. Je-li vzorek porušený, zavádí se do přístroje ve stavu na mezi plasticity.
Obr. 6. Beskowův kapilarimetr
Kapilarimetr Beskowa se skládá ze dvou nádob (obr. 6), spojených ve spodních částech navzájem pomocí vyztužené gumové hadice. Do nádoby 1 se umístí vzorek půdy na filtrační dno, zatímco pod ní je nádoba částečně naplněná destilovanou vodou, částečně rtutí, která je ve spodní části tak, že vyplňuje i celou gumovou hadici a spodní část nádoby 2. Na začátku pokusu je hladina rtuti v obou nádobách stejná. Poté se nádoba 2 spustí dolů, čímž se pod filtračním dnem nádoby 1 vytvoří podtlak. Když tento podtlak převýší kapilární síly ve vzorku, vzduch pronikne skrz vzorek do filtračního dna a hladina rtuti v obou nádobách se ihned poté vyrovná vyprázdněním nádoby 2. Rozdíl Hg mezi hladinou rtuti v jedné a druhé nádobě v okamžiku vyrovnání podtlaku a kapilárních sil, tj. bezprostředně předtím, než vzduch začal pronikat vzorkem, přepočtený na výšku vodního sloupce a zvýšený o výšku vodního sloupce h pod vzorkem, dává kapilární výšku hk. Protože rtuť je 13,6krát těžší než voda, je výška kapilárního vzestupu hk:
hk = 13,6 Hg + h
Stanovení propustnosti půdy
Laboratorní zkouška stanovení propustnosti půdy se provádí pomocí zvláštních přístrojů, které se nazývají permeametry. Existují různé konstrukce permeametrů, které však lze rozdělit do dvou skupin: permeametry s konstantním vodním tlakem pro hrubozrnnější půdy a permeametry s klesajícím vodním tlakem pro jemnozrnné půdy. V obou případech se zkouška provádí na neporušených vzorcích.
Laboratorní zkouškou se stanovuje koeficient propustnosti zeminy, jehož hodnota se vyjadřuje při určité teplotě, a to z důvodu různé viskozity vody při různých teplotách, což ovlivňuje hodnotu koeficientu propustnosti k. Nejčastěji se uvádí koeficient k při teplotě t =10°C. Pokud tedy 10°C, teplota vody při určování koeficientu k byla T odlišná od t = 10°C, pak se jeho hodnota přepočítává podle vzorce:
k10oC = ηt /η10oC * kT
kde ηt a η10oC jsou viskozity vody při pracovní teplotě T, respektive při zvolené teplotě t =10°C.
kT získaná hodnota součinitele propustnosti půdy při pracovní teplotě T.
Hodnoty viskozity pro různé teploty T jsou uvedeny v tabulce 1.
Zkouška s konstantním tlakem vody
Obr. 7. Permeametr s konstantním tlakem vody
Pro tento pokus se odebere neporušený vzorek zeminy do kovového válce o průměru D, výšce h, se zašpičatělou spodní hranou, vtlačením do zeminy nebo do většího neporušeného vzorku. Poté, co se horní a dolní plocha vzorku zarovnají s hranami válce, vloží se vzorek ve válci do přístroje (obr. 7) mezi horní a dolní filtr. Dolní filtr se skládá z hustého síta a filtračního kamene, aby bylo umožněno proudění vody vzorkem a zabráněno vyplavování částic zeminy. Horní filtr je bez síta, protože zde existuje menší možnost vyplavování částic. Přívod vody do vzorku je z hladiny N, která se pomocí přepadu udržuje konstantní, takže hydrostatický tlak H je stálý. Pod tímto tlakem voda projde vzorkem o tloušťce h a pomocí trubice připojené k horní části přístroje se dostane do skleněného válce M, kde odkapává.
Jakmile začne proudit voda vzorkem do odměrného válce, spustíme stopky a sledujeme množství vody q, které přitéká do odměrného válce během t. Podle Darcyho zákona je
q = k*A*t*i
kde je k koeficient propustnosti v cm/sec, A plocha průřezu vzorku, i hydraulický spád, i = H/h.
Z horní rovnice máme k= qh/Ath [cm/sec].
Množství vody, které projde vzorkem, odečítáme v jednotlivých časových intervalech od začátku do konce pozorování, takže máme jak dílčí, tak celkové množství vody, které prošlo vzorkem.
Aby se vyloučily vzduchové bubliny ve vzorku i ve vodě, které mohou vést k chybným výsledkům zkoušky, je nutné, aby byl vzorek před zkouškou v nasyceném stavu a aby se pro provedení zkoušky používala převařená nebo alespoň odstátá voda.
Místo výše popsaného přístroje založeného na hydrostatickém tlaku v důsledku rozdílu hladin vody H existují i přístroje, u nichž je hydrostatický tlak vytvářen tlakem vzduchu od 10 do 15 kp/cm2, udržovaným konstantním pomocí kompresoru.