Penderfynu ar derfynau Atterberg
Byddwn yn disgrifio’r profion ar gyfer pennu’r terfyn llif, y terfyn plastigrwydd a’r terfyn crebachu, sydd bwysicaf ym mecaneg pridd. Gwneir yr holl brofion hyn ar samplau aflonydd o bridd cydlynol.
Prawf pennu’r terfyn hylifol
Ar gyfer yr arbrawf hwn cymerir tua 200 o bridd yn ei gyflwr llaith naturiol, heb ronynnau â diamedr dros 0,5 mm, a fyddai’n tarfu ar gywirdeb canlyniadau’r arbrawf. Ni ddylid sychu’r sampl mewn sychwr; yn lle hynny, caiff ei roi ar unwaith mewn cwpan porslen â dŵr distyll, lle dylai aros am sawl awr nes ei fod wedi gwlychu’n dda drwyddo draw. Ar gyfer lôm â mynegai plastigrwydd IP < 20 mae’r gwlychu’n para tua 4 awr, ac ar gyfer clai IP > 20 hyd at 18 awr. Wedyn caiff y sampl wlychedig ei dywallt ar blât gwydr a’i gymysgu’n drylwyr â chyllell labordy, er mwyn cael past trwchus o gyfansoddiad unffurf. Os sylwir ar ronynnau mwy na 0,5 mm, cânt eu tynnu wrth gymysgu.
Caiff y sampl a baratowyd fel hyn ei dywallt i gwpan bres offer Casagrande ar gyfer pennu’r terfyn llif (ffig. 1), a elwir yn ein labordai yn siglydd Casagrande.
Ffig. 1. Aparatus Cassagrande ar gyfer pennu’r terfyn cynnyrch
Mae’r ddyfais yn cynnwys bowlen bres, sy’n cael ei chysylltu â’r ddyfais trwy gyswllt arbennig, sylfaen elastig o rwber caled, gydag ecsentrig yn y rhan uchaf a dolen i’w throi, lle mae’r ecsentrig yn codi i uchder o 1 cm, ac o ganlyniad mae’r bowlen yn syrthio ac yn taro’r sylfaen (ffig. 1a). Mae dimensiynau’r ddyfais wedi’u safoni. Yn ogystal, ceir cyllell broffiliedig o ddimensiynau penodol iawn hefyd (ffig. 1b).
Mae’r sampl wedi’i dynnu i’r bowlen bres yn cael ei lyfnhau â chyllell fel bod wyneb y sampl yn hollol wastad, a bod y sampl yn gorchuddio ychydig yn fwy na hanner rhan flaen y bowlen, fel bod ei uchder uwchlaw’r pwynt isaf ar waelod y bowlen tua 12 mm. Yna caiff y bowlen ei chysylltu â’r ddyfais a gwneir rhych yn y canol â chyllell broffiliedig fel ei bod yn hollol syth ac fel bod gwaelod pres y bowlen i’w weld, a chyflawnir hyn trwy dynnu’r gyllell yn ofalus yn berpendicwlar i waelod y bowlen. Dylai hyd y rhych fod tua 40 mm. Yn syth wedyn, caiff handlen y ddyfais ei throi ar gyflymder o 2 chwyldro’r eiliad, wrth gyfrif ergydion y bowlen yn erbyn y sylfaen ac arsylwi’r rhych, sy’n culhau o ganlyniad i ergydion y bowlen yn erbyn y sylfaen, gan fod rhannau wedi’u torri’r sampl yn symud ac yn tueddu i uno. Mae troi handlen y ddyfais yn para hyd nes bod y rhych yn uno ar hyd 10 mm. Pan gyflawnir hyn, rhoddir y gorau i droi’r handlen ymhellach, ac yn syth wedyn tynnir y sampl â chyllell mewn swm o tua 2 cm3 o’r rhan o amgylch y rhych unedig o’r ddwy ochr, caiff ei roi mewn gwydrau gwylio, a phennir lleithder y pridd.
Ailadroddir yr arbrawf hwn 3-4 gwaith yn yr un ffordd, ond bob tro gyda lleithder gwahanol, a gyflawnir os cymysgir y sampl yn gyntaf â swm llai o ddŵr, ac yna ychwanegir dŵr ar gyfer y gweddill o’r profion. Ar ôl pob arbrawf a gwblhawyd, caiff y sampl ei dywallt ar blât gwydr, lle ychwanegir ychydig o ddŵr a’i gymysgu’n dda, er mwyn cael màs pasty unffurf, bob tro ychydig yn deneuach.
Ar gyfer cynnal yr arbrawf, ni ddylai’r past a baratowyd fod yn rhy drwchus nac yn rhy denau, oherwydd nid yw cyflyrau cysondeb y pridd sy’n rhy bell oddi wrth y terfyn llif yn rhoi’r cywirdeb angenrheidiol ar gyfer yr arbrawf hwn. Fel arfer derbynnir, os yw nifer yr ergydion yn llai na 10 neu’n fwy na 50, fod yr arbrawf wedi methu, ond ystyrir bod cywirdeb yr arbrawf yn well os yw’r bylchau rhwng y terfynau hyn yn 10-40 ergyd.
Nodir bod, yn ôl un weithdrefn, bob tro ar ôl cwblhau troi’r ddolen nes i’r rhigol uno hyd o 1 cm mae’r sampl yn y bowlen bres yn cael ei gymysgu ar unwaith â chyllell a’i wyneb yn y bowlen yn cael ei lefelu eto, rhigol newydd yn cael ei thorri, ac yna mae dolen yr offeryn yn cael ei throi. Ailadroddir y weithdrefn hon nes y ceir, deirgwaith yn olynol, yr un nifer o daro wrth i’r rhigol uno ar hyd o 1 cm, ac mae’r nifer hwn yn cael ei fabwysiadu ar gyfer y weithdrefn bellach wrth bennu’r terfyn llifo. Caiff canlyniadau’r prawf eu trosglwyddo i ddiagram ar raddfa semilogarithmig (ffig. 2). Ar echel yr abscis rhoddir nifer y taro ar raddfa logarithmig, ac ar echel yr ordinad y swm o ddŵr mewn canrannau o bwysau sych y sampl ar raddfa rifyddol. Gan fod swm y dŵr w yn wahanol ym mhob prawf, byddwn yn cael y pwyntiau A, B, C a D, sy’n cyfateb i wahanol niferoedd o daro, a’r nifer o daro yn llai po fwyaf yw’r swm o ddŵr ac i’r gwrthwyneb. Drwy uno’r pwyntiau hyn, ceir llinell syth ar oledd, lle rydym yn chwilio am y pwynt M ar gyfer 25 o daro. Cymerir y swm o ddŵr sy’n cyfateb i’r pwynt hwn fel terfyn llifo wL.
Ffig. 2. Pennu’r terfyn llifo
Pennu’r terfyn plastig
Caiff sampl pridd a baratowyd yn y modd a ddisgrifiwyd uchod, ond â llai o ddŵr, fel bod y màs plastig yn weddol yn y cyflwr plastig caled, ei rolio’n bêl tua 2-3 cm3, ac yna caiff ei rolio â chledr y llaw ar arwyneb papur cyffredin neu amsugnol yn silindr o drwch 3 mm. Os gellir rholio’r sampl i’r trwch hwn heb dorri, yna caiff ei gasglu’n bêl eto a’i rolio yn yr un modd. Ailadroddir y broses hon hyd nes y ceir bod y silindr, wrth drwch o 3 mm, yn dechrau torri. Yna gosodir y silindrau sydd wedi torri mewn gwydrau oriawr a phenderfynir ar y swm dŵr. Mae’r swm dŵr hwn, wedi’i fynegi fel canran o bwysau sych y sampl, yn cyfateb i’r terfyn plastig wP.
Pennu’r terfyn crebachu
Ffig. 3. Pennu’r terfyn crebachu
Cymysgir sampl o bridd â dŵr distyll yn y ffordd a ddisgrifir o dan Prawf pennu’r terfyn hylifol, fel bod ei gysondeb tua’r terfyn hylifol, pan fo’r holl mandyllau wedi’u dirlawn â dŵr. Yna ffurfir pelen sy’n cael ei gadael i sychu yn gyntaf yn yr awyr, ac yna mewn sychwr ar 105°C. Mae’r trefn hon o sychu yn angenrheidiol er mwyn osgoi craciau yn y sampl sydd wedi sychu, a fyddai’n amharu ar y prawf. Ar y dechrau mesurir pwysau W1 y sampl ar unwaith a phennir ei chyfaint V1 drwy brawf trochi mewn mercwri, yna caiff ei sychu ymhellach yn yr awyr, ac wedyn yn y sychwr, gyda samplau’n cael eu tynnu o bryd i’w gilydd, eu hoeri mewn desicadwr a mesur eu pwysau W2, W3, W4 etc. a’u cyfaint V2, V3, V4 etc. Yn y ffordd hon gwelir, mewn un cyflwr o leithder, fod cyfaint y sampl yn peidio â lleihau er bod ei bwysau’n parhau i ostwng o ganlyniad i sychu. Os yw’r sampl yn ei chyflwr cychwynnol wedi’i dirlawn â dŵr, h.y. nid oes aer yn y mandyllau, mae colli dŵr wrth sychu’r sampl hyd at y terfyn crebachu yn cyfateb yn fras i leihad cyfaint y sampl. Wedi hynny caiff y sychu ei barhau heb fesur cyfaint, nes bod y sampl wedi sychu’n llwyr, h.y. hyd at bwysau cyson. Yna pennir y cynnwys dŵr fel canran o bwysau sych y sampl ar gyfer pob mesuriad o gyfaint a phwysau’r sampl, a gosodir canlyniadau’r prawf ar ddiagram (ffig. 3). Yn y ffordd hon ceir pwyntiau A, B, C, D ac E, sy’n cael eu cysylltu, fel arfer gan roi llinell gyda thoriad miniog yn ardal y terfyn crebachu. Yn y pwynt plygu S ceir y lleithder w sy’n cyfateb i derfyn crebachu _W_S.
Pennu capilaredd
Cynhelir yr arbrawf ar gyfer pennu uchder codiad capilaidd dŵr mewn dwy ffordd, sef drwy fesur uniongyrchol uchder y codiad capilaidd dŵr a mesur anuniongyrchol gan ddefnyddio capilarimedr.
Prawf pennu uchder capilari trwy fesur uniongyrchol
O’r sampl aflonyddwyd cymerir tua 300 pondi o bridd, sy’n cael ei sychu ar 105°C, ac yna, ar ôl iddo oeri, ei falu’n bowdr hynod fân, heb falu’r gronynnau. Caiff y powdr a geir ei dywallt i mewn i diwb gwydr â diamedr ø 25 mm, hyd 1,5 - 2,5 m, agored ar y ddau ben, y mae ei ben isaf wedi’i gau ymlaen llaw â gwlân gwydr neu ddarn o ddefnydd. I’r pen uchaf agored tywalltir y powdr sych i uchder o tua 10 cm, yna codir y tiwb a’i ollwng i syrthio â thrawiad ar loriau pren neu ryw gynhaliaeth elastig arall, nes bod y powdr yn dangos ymsuddiant yn y tiwb. Rheolir ymsuddiant y powdr drwy farcio llinellau â sialc brasterog ar y tiwb. Wedi hynny tywalltir 10 cm pellach o bowdr ac ailadroddir yr un weithdrefn nes inni lenwi’r tiwb â phowdr sych cryno o’r sampl pridd yr ydym yn profi ei gapilariaeth. Yna boddir gwaelod y tiwb mewn llestr gwydr â dŵr distyll llonydd, fel na chaiff pen isaf y tiwb orwedd ar waelod y llestr (fig. 4). Caiff y tiwb gwydr ei osod â phren mesur ar gyfer y raddfa, fel bod y tiwb a’r raddfa yn fertigol. Wedi hynny arsylwn godi’r dŵr yn y tiwb, sy’n cael ei adnabod yn glir yn ôl y lliw: mae’r sampl sych yn lliw golau, y sampl wlyb yn dywyll. Mae’r pellter rhwng lefel y dŵr yn y llestr ac ymyl uchaf y sampl wlyb yn cynrychioli uchder y codiad capilari hk.
Ffigur 4. Pennu uchder codiad capilaidd dŵr drwy fesur uniongyrchol
Fel rheol, cynhelir yr arsylwi ar ôl 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 ac ati oriau. Rhoddir canlyniadau’r arsylwi ar ddiagram, y mae ei echelin-x yn cynrychioli amser mewn oriau, a’r echelin-y yn cynrychioli uchder esgyniad capilari’r dŵr mewn mm (ffig. 5).
Yn achos deunydd tywodlyd, mae’r codiad capilari ar y dechrau yn sydyn, yna’n arafach ac fe gyrhaeddir yr uchder terfynol yn gyflym. Yn achos deunydd clai, mae’r codiad capilari ar y dechrau yn arafach, ond mae’n para’n hirach ac yn cyrraedd uchder sylweddol uwch.
Mae’r dull hwn o bennu’r uchder capilaraidd yn cymryd amser hir, yn enwedig mewn pridd clai. Yn ogystal, mae uchder y codiad capilaraidd yn dibynnu ar dymheredd yr aer yn ogystal ag ar ei leithder, felly mae angen cadw’r ffactorau hyn mor gyson â phosibl.
Ffig. 5. Diagram o godi dŵr trwy gapilaredd yn y pridd, a-tywod; b-lwch; c-pridd clai
Arbrawf pennu uchder capilari gan ddefnyddio capilarimedr
Mae sawl capilarimedr o wahanol ddyluniadau, megis capilarimedrau Beskow, Jürgenson ac Engelhardt. Yma byddwn yn disgrifio egwyddor weithredu capilarimedr Beskow, sef yr un a ddefnyddir amlaf.
Gwneir y prawf hwn ar samplau heb eu tarfu neu wedi eu tarfu. Os yw’r sampl wedi’i tharfu, caiff ei rhoi yn yr offeryn yn y cyflwr ar y terfyn llifo.
Sl. 6. Capilarimedr Beskow
Mae capilarimedr Beskow yn cynnwys dau lestr (ffig. 6), wedi’u cysylltu yn eu rhannau isaf â’i gilydd drwy bibell rwber wedi’i hatgyfnerthu. Yng nghynhwysydd 1 rhoddir sampl o bridd ar waelod yr hidlydd, tra bod islaw iddo gynhwysydd sydd wedi’i lenwi’n rhannol â dŵr distyll, yn rhannol â mercwri, sydd yn y rhan isaf fel ei fod yn llenwi hefyd y bibell rwber gyfan a rhan isaf y cynhwysydd 2. Ar ddechrau’r arbrawf mae lefel y mercwri yn y ddau lestr yr un fath. Yna caiff y cynhwysydd 2 ei ostwng i lawr, gan greu isbwysedd islaw gwaelod hidlydd y cynhwysydd 1. Pan fydd yr isbwysedd hwn yn fwy na’r grymoedd capilaraidd yn y sampl, mae aer yn treiddio drwy’r sampl i’r gwaelod hidlo ac mae lefel y mercwri yn y ddau lestr yn cydraddoli’n syth wedyn drwy ostwng y cynhwysydd 2. Y gwahaniaeth Hg rhwng lefel y mercwri yn y naill lestr a’r llall ar adeg cydraddoli’r isbwysedd a’r grymoedd capilaraidd, h.y. ychydig cyn i’r aer ddechrau treiddio drwy’r sampl, wedi’i drosi i uchder colofn ddŵr ac wedi’i gynyddu gan uchder y golofn ddŵr h islaw’r sampl, sy’n rhoi’r uchder capilaraidd hk. Gan fod mercwri yn 13,6 gwaith trymach na dŵr, dyma uchder y codiad capilaraidd hk:
hk = 13,6 Hg + h
Pennu athreiddedd y pridd
Gwneir prawf labordy i bennu athreiddedd y pridd gyda chyfarpar arbennig o’r enw permeametrau. Mae gwahanol ddyluniadau o bermeametrau, ond gellir eu rhannu’n ddau grŵp: permeametrau â phwysedd dŵr cyson ar gyfer pridd bras-rawn, a phermemetrau â phwysedd dŵr sy’n lleihau ar gyfer pridd mân-rawn. Yn y ddau achos, cynhelir y prawf ar samplau heb eu haflonyddu.
Mae’r cyfernod athreiddedd pridd yn cael ei bennu trwy brawf labordy, a mynegir ei werth ar dymheredd penodol, oherwydd bod gludedd dŵr yn amrywio ar dymhereddau gwahanol, sy’n effeithio ar werth y cyfernod athreiddedd k. Fel rheol, mynegir y cyfernod k ar dymheredd t =10°C. Felly, os oedd 10°C, roedd tymheredd y dŵr wrth bennu’r cyfernod k yn T ac yn wahanol i t = 10°C yna caiff ei werth ei ailgyfrifo yn ôl y fformiwla:
k10oC = ηt /η10oC * kT
lle mae ηt a η10oC yn gludedd y dŵr ar y tymheredd gweithio T, neu’r tymheredd a fabwysiadwyd t =10°C.
kT y gwerth a gafwyd ar gyfer cyfernod athreiddedd y pridd ar y tymheredd gweithio T.
Rhoddir gwerthoedd y gludedd ar gyfer gwahanol dymheredd T yn nhabl 1.
Prawf gyda phwysedd dŵr cyson
Ffig. 7. Permeamedr â phwysedd dŵr cyson
Ar gyfer y prawf hwn cymerir sampl pridd heb ei amharu mewn silindr metel â diamedr D, uchder h, ac ag ymyl isaf miniog, drwy ei wasgu i mewn i’r pridd neu i sampl mwy heb ei amharu. Ar ôl i wyneb uchaf ac isaf y sampl gael eu lefelu â’r ymylon ar y silindr, gosodir y sampl yn y silindr yn y cyfarpar (ffig. 7) rhwng y ffilter uchaf a’r ffilter isaf. Mae’r ffilter isaf yn cynnwys rhidyll dwys a charreg hidlo, er mwyn galluogi i ddŵr lifo drwy’r sampl ac atal golchi gronynnau pridd allan. Nid oes rhidyll yn y ffilter uchaf oherwydd bod llai o bosibilrwydd i ronynnau gael eu golchi allan. Cyflenwir dŵr i’r sampl o lefel N, a gedwir yn gyson drwy orlif, fel bod y pwysedd hydrostatig H yn gyson. O dan y pwysedd hwn mae’r dŵr yn mynd trwy’r sampl â thrwch h ac, drwy gyfrwng tiwb wedi’i gysylltu â rhan uchaf y cyfarpar, yn cyrraedd y mesurydd gwydr M lle mae’n diferu.
Cyn gynted ag y bydd llif y dŵr trwy’r sampl yn y silindr mesur yn dechrau, rydyn ni’n cychwyn y stopwats ac yn arsylwi ar y swm o ddŵr q sy’n llifo i mewn i’r silindr mesur yn ystod t. Yn ôl cyfraith Darcy, mae
q = k*A*t*i
lle mae k yn gyfernod athreiddedd mewn cm/eiliad, A yn arwynebedd trawstoriad y sampl, i yn y disgyniad hydrolig, i = H/h.
O’r hafaliad uchod mae gennym k= qh/Ath [cm/sec].
Mae faint o ddŵr sy’n mynd trwy’r sampl yn cael ei ddarllen ar gyfnodau amser unigol o ddechrau hyd ddiwedd yr arsylwi, felly mae gennym faint unigol yn ogystal â chyfanswm y dŵr a lifodd trwy’r sampl.
Er mwyn dileu swigod aer yn y sampl ac yn y dŵr, a all arwain at ganlyniadau prawf anghywir, mae angen i’r sampl fod mewn cyflwr dirlawn cyn y prawf, ac i ddŵr wedi’i ferwi neu o leiaf ddŵr sefyll gael ei ddefnyddio ar gyfer cynnal y prawf.
Yn lle’r ddyfais a ddisgrifiwyd uchod, sy’n seiliedig ar y pwysedd hydrostatig oherwydd gwahaniaeth yn lefel y dŵr H, ceir hefyd ddyfeisiau lle cynhyrchir y pwysedd hydrostatig gan bwysedd aer o 10 i 15 kp/cm2, a gynhelir yn gyson gan gymorth cywasgydd.