Bestemmelse af Atterberg-grænserne
Vi vil beskrive forsøgene til bestemmelse af flydegrænsen, plasticitetsgrænsen og svindegrænsen, som er de vigtigste i jordmekanik. Alle disse forsøg udføres på omrørte prøver af kohæsiv jord.
Forsøg til bestemmelse af flydegrænsen
Til denne prøve tages cirka 200 p jord i naturligt fugtig tilstand, uden korn med en diameter over 0,5 mm, som kunne forstyrre prøveresultatets nøjagtighed. Prøven må ikke tørres i tørreskab, men anbringes straks i en porcelænsskål med destilleret vand, hvor den skal blive i flere timer, indtil den er godt opfugtet. For lerjord, hvis plasticitetsindeks IP < 20, varer opfugtningen omkring 4 time, for ler IP > 20 til 18 timer. Derefter hældes den opfugtede prøve over på en glasplade og blandes grundigt med en laboratoriekniv, så der opnås en tyk grød med ensartet sammensætning. Hvis der konstateres partikler større end 0,5 mm, fjernes de under omrøringen.
Den således forberedte prøve hældes over i Casagrande-apparatets messingkop til bestemmelse af flydegrænsen (fig. 1), som i vores laboratorier kaldes Casagrande-rysteren.
Fig. 1. Cassagrandes apparat til bestemmelse af flydegrænsen
Apparatet består af en messingkop, som ved hjælp af en særlig forbindelse tilsluttes apparatet, et elastisk underlag af hårdgummi med en excentrik i den øverste del og et drejehåndtag, hvorved excentrikken hæves til en højde af 1 cm, hvilket får koppen til at falde og slå mod underlaget (fig. 1a). Apparatets mål er standardiserede. Derudover findes der også en profileret kniv med nøjagtigt bestemte dimensioner (fig. 1b).
Den udtagne prøve i en messingkop udjævnes med en kniv, så prøvens overflade bliver helt plan, og prøven dækker lidt mere end halvdelen af koppens forreste del, således at dens højde over koppens bunds laveste punkt er omkring 12 mm. Derefter sættes koppen i apparatet, og der skæres en rille i midten med den profilerede kniv, så den bliver helt lige og messingbunden i koppen kan ses, hvilket opnås ved forsigtigt at føre kniven vinkelret på koppens bund. Rillens længde skal være omkring 40 mm. Umiddelbart derefter drejes apparatets håndsving med en hastighed på 2 omdrejninger i sekundet, samtidig med at antallet af kopslag mod soklen tælles, og rillen observeres, som på grund af slagene mod soklen bliver smallere, fordi de afskårne dele af prøven bevæger sig og søger at forenes. Drejningen af apparatets håndsving fortsættes, indtil rillen er lukket over en længde på 10 mm. Når dette er opnået, standses den videre drejning af håndsvinget, og derefter udtages straks med kniv en mængde prøve på omkring 2 cm3 fra området omkring den lukkede rille på begge sider, lægges i urglassene og jordens fugtighed bestemmes.
Denne prøve gentages 3-4 gange på samme måde, men hver gang med forskellig fugtighed, hvilket opnås ved først at blande prøven med en mindre mængde vand og derefter tilsætte vand til de øvrige prøver. Efter hver afsluttet prøve hældes prøven over på en glasplade, hvor der tilsættes lidt vand og blandes godt, så man får en ensartet, hver gang lidt tyndere, grynet masse.
Til udførelse af forsøget må den tilberedte masse hverken være for tyk eller for flydende, da jordens konsistenstilstande, der ligger for langt fra flydegrænsen, ikke giver den fornødne nøjagtighed for dette forsøg. Normalt antages det, at hvis antallet af slag er mindre end 10 eller større end 50, er forsøget mislykket, men det anses for, at forsøgets nøjagtighed er bedre, hvis afstanden mellem disse grænser er 10-40 slag.
Det bemærkes, at ifølge en metode blandes prøven i messingkoppen straks med en kniv, hver gang håndtaget er blevet drejet, indtil furen samles på en længde af 1 cm, og prøvens overflade i koppen igen udjævnes, en ny fure skæres, og derefter drejes apparatets håndtag. Denne procedure gentages, indtil det opnås, at det samme antal slag ved samling af furen på en længde af 1 cm fremkommer tre gange i træk, og dette antal anvendes til den videre procedure ved bestemmelse af flydegrænsen. Forsøgsresultaterne indtegnes i et diagram i semilogaritmisk skala (fig. 2). På abscisseaksen afsættes antallet af slag i logaritmisk skala, og på ordinataaksen vandmængden i procent af prøvens tørvægt i aritmetisk skala. Da vandmængden w er forskellig ved hvert forsøg, får vi punkterne A, B, C og D, som svarer til forskelligt antal slag, hvor antallet af slag er mindre, jo større vandmængden er, og omvendt. Ved at forbinde disse punkter får vi en skrå ret linje, på hvilken vi søger punktet M for 25 slag. Den vandmængde, der svarer til dette punkt, antages som flydegrænsen wL.
Fig. 2. Bestemmelse af flydegrænsen
Bestemmelse af plasticitetsgrænsen
Jordprøven, fremstillet på den ovenfor beskrevne måde, men med mindre vand, så den bliver en plastisk masse i omtrent sejplastisk tilstand, samles til en kugle på omkring 2-3 cm3, og rulles derefter med håndfladen på almindeligt eller sugende papir til en tråd med en tykkelse på 3 mm. Hvis prøven kan rulles til denne tykkelse uden at briste, samles den igen til en kugle og rulles på samme måde. Denne procedure gentages, indtil tråden ved en tykkelse på 3 mm begynder at briste. De brækkede tråde lægges derefter i urglas, og vandindholdet bestemmes. Dette vandindhold, udtrykt i procent af prøvens tørvægt, svarer til plasticitetsgrænsen wP.
Bestemmelse af svindgrænsen
Fig. 3. Bestemmelse af krympningsgrænsen
Jordprøven blandes med destilleret vand på den måde, der er beskrevet under Forsøg til bestemmelse af flydegrænsen, så dens konsistens er omtrent ved flydegrænsen, når alle porer er vandmættede. Derefter formes en lille kugle, som lades tørre først i luft, derefter i tørreskab ved 105°C. Denne tørreprocedure er nødvendig for at undgå revner i den udtørrede prøve, som ellers ville forstyrre forsøget. I begyndelsen måles straks prøvens vægt W1 og dens volumen V1 bestemmes ved forsøg med nedsænkning i kviksølv; derefter tørres den videre i luft og siden i tørreskab, med periodisk udtagning af prøven, afkøling i eksikator og måling af dens vægt W2, W3, W4 osv. og volumen V2, V3, V4 osv. På denne måde fastslås det, at prøvens volumen ved en bestemt fugttilstand ophører med at aftage, selv om dens vægt fortsat falder som følge af tørring. Hvis prøven i sin begyndelsestilstand er vandmættet, dvs. ikke indeholder luft i porerne, svarer vandtabet ved tørring af prøven til svindgrænsen omtrent til reduktionen i prøvens volumen. Derefter fortsættes tørringen også uden volumenmåling, indtil prøven er fuldstændig tør, dvs. til konstant vægt. Så bestemmes vandmængden i procent af prøvens tørvægt for hver måling af prøvens volumen og vægt, og forsøgsresultaterne indtegnes i et diagram (fig. 3). På den måde fås punkterne A, B, C, D og E, som forbindes, så der normalt opnås en linje med et skarpt knæk i området ved svindgrænsen. I knækpunktet S fås fugtindholdet w, som svarer til svindgrænsen _W_S.
Bestemmelse af kapillaritet
Forsøget til bestemmelse af højden af vandets kapillære opstigning udføres på to måder, nemlig ved direkte måling af højden af vandets kapillære opstigning og ved indirekte måling ved hjælp af en kapillaremeter.
Forsøg til bestemmelse af den kapillære højde ved direkte måling
Fra den forstyrrede prøve tages omkring 300 pundi jord, som tørres ved 105°C, derefter findeles den efter afkøling til et helt fint pulver uden at knuse kornene. Det opnåede pulver hældes i et glasrør med en diameter på ø 25 mm, længde 1,5 - 2,5 m, åbent i begge ender, hvis nederste ende på forhånd lukkes med glasuld eller et stykke stof. I den åbne øverste ende hælder vi det tørrede pulver i en højde på omkring 10 cm, derefter løfter vi røret og lader det falde med slag mod et trægulv eller et andet elastisk underlag, indtil der viser sig sætning af pulveret i røret. Kontrollen af pulverets sætning udfører vi ved at markere streger med fedtkridt på røret. Derefter hælder vi yderligere 10 cm pulver i og gentager den samme fremgangsmåde, indtil vi fylder røret med komprimeret tørt pulver af jordprøven, hvis kapillaritet vi undersøger. Derefter nedsænker vi rørs bunden i et glaskar med stillestående destilleret vand, således at røret nederste ende ikke må hvile på karrets bund (fig. 4). Glasrøret fastgøres med en liste til en skala, så både rør og skala er lodrette. Derefter iagttager vi vandets opstigning i røret, som tydeligt kendes på farven: den tørre prøve er lys, den fugtige mørk. Afstanden mellem vandniveauet i karret og den fugtige prøves øverste kant udgør højden af den kapillære opstigning hk.
Sl. 4. Determination af vandets kapillære opstigningshøjde ved direkte måling
Observationen udføres som regel efter 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 osv. timer. Resultaterne af observationen føres ind i et diagram, hvis abscisser angiver tiden i timer, og hvis ordinater angiver højden af vandets kapillære opstigning i mm (fig. 5).
For sandet materiale er den kapillære opstigning i begyndelsen hurtig, derefter langsommere, og den endelige opstigningshøjde nås hurtigt. For leret materiale er den kapillære opstigning i begyndelsen langsommere, men varer længere og når en betydeligt større højde.
Denne metode til bestemmelse af kapillarhøjden er tidskrævende, især ved lerjord. Desuden afhænger højden af den kapillære opstigning af lufttemperaturen såvel som af dens fugtighed, hvorfor disse faktorer bør holdes så konstante som muligt.
Fig. 5. Diagram over kapillær opstigning af vand i jorden, a-sand; b-støv; c-lerjord
Forsøg til bestemmelse af kapillarhøjden ved hjælp af et kapillarimeter
Der findes flere kapillarimetre af forskellig konstruktion, såsom kapillarimetre af Beskow-, Jürgenson- og Engelhardt-typen. Her vil vi beskrive funktionsprincippet for Beskow-kapillarimetret, som anvendes mest.
Denne prøve udføres på uforstyrrede eller forstyrrede prøver. Hvis prøven er forstyrret, indføres den i apparatet i flydegrænsetilstand.
Fig. 6. Beskows kapillarimeter
Beskows kapillæremeter består af to beholdere (fig. 6), der i de nedre dele er forbundet med hinanden ved hjælp af en armeret gummislange. I beholder 1 anbringes en jordprøve på filtreringsbunden, mens beholderen under den er delvist fyldt med destilleret vand og delvist med kviksølv, som i den nederste del er sådan, at det også fylder hele gummislangen og den nederste del af beholder 2. I begyndelsen af forsøget er kviksølvniveauet i begge beholdere det samme. Derefter sænkes beholder 2 nedad, hvorved der under filtreringsbunden i beholder 1 skabes undertryk. Når dette undertryk bliver større end de kapillære kræfter i prøven, trænger luft gennem prøven til filtreringsbunden, og kviksølvniveauet i begge beholdere udlignes straks derefter ved at tømme beholder 2. Forskellen Hg mellem kviksølvniveauet i den ene og den anden beholder på det tidspunkt, hvor undertrykket og de kapillære kræfter udlignes, dvs. lige før luften begynder at trænge gennem prøven, omregnet til højden af en vandsøjle og forhøjet med højden af vandsøjlen h under prøven, giver den kapillære højde hk. Da kviksølv er 13,6 gange tungere end vand, er højden af den kapillære opstigning hk:
hk = 13,6 Hg + h
Bestemmelse af jordens permeabilitet
Laboratorieprøven til bestemmelse af jordens permeabilitet udføres ved hjælp af særlige apparater, der kaldes permeametre. Der findes forskellige konstruktioner af permeametre, som dog kan opdeles i to grupper: permeametre med konstant vandtryk, til grovkornede jordarter, og permeametre med faldende vandtryk til finkornede jordarter. I begge tilfælde udføres forsøget med urørte prøver.
Ved laboratorieforsøg bestemmes jordens permeabilitetskoefficient, hvis værdi angives ved en bestemt temperatur, på grund af vandets forskellige viskositet ved forskellige temperaturer, hvilket påvirker værdien af permeabilitetskoefficienten k. Ofte angives koefficienten k ved temperaturen t =10°C. Derfor, hvis 10°C, var vandtemperaturen ved bestemmelsen af koefficienten k T forskellig fra t = 10°C, så omregnes dens værdi efter formlen:
k10oC = ηt /η10oC * kT
hvor ηt og η10oC er vandets viskositet ved arbejdstemperaturen T, henholdsvis ved den antagne temperatur t =10°C.
kT den opnåede værdi af jordens permeabilitetskoefficient ved arbejdstemperaturen T.
Værdierne for viskositeten ved forskellige temperaturer T er angivet i tabel 1.
Forsøg med konstant vandtryk
Fig. 7. Permeameter med konstant vandtryk
Til denne prøve anvendes en uforstyrret jordprøve i en metalcylinder med diameter D og højde h, med en spidset nederste kant, ved at presse den ned i jorden eller i en større uforstyrret prøve. Efter at prøvens øvre og nedre overflade er afrettet med cylinderens kanter, anbringes prøven i cylinderen i apparatet (fig. 7) mellem det øvre og det nedre filter. Det nedre filter består af en finmasket si og en filtersten for at muliggøre vandgennemstrømning gennem prøven og forhindre udvaskning af jordpartikler. Det øvre filter er uden si, da der er mindre risiko for udvaskning af partikler. Vandtilførslen til prøven sker fra niveau N, som holdes konstant ved hjælp af et overløb, så det hydrostatiske tryk H er konstant. Under dette tryk passerer vandet gennem prøven med tykkelsen h og når via et rør, der er tilsluttet apparatets øverste del, frem til glascylinderen M, hvor det drypper ned.
Så snart vandet begynder at strømme gennem prøven i målecylinderen, sætter vi stopuret i gang og observerer vandmængden q, der tilstrømmer i målecylinderen i tiden t. Ifølge Darcys lov er
q = k*A*t*i
hvor k er gennemtrængelighedskoefficienten i cm/sec, A prøvelegemets tværsnitsareal, i det hydrauliske fald, i = H/h.
Ud fra ovenstående ligning har vi k= qh/Ath [cm/sec].
Mængden af vand, der passerer gennem prøven, aflæses i de enkelte tidsintervaller fra begyndelsen til slutningen af observationen, så vi får både den enkelte og den samlede mængde vand, der er passeret gennem prøven.
For at udelukke luftbobler i prøven og i vandet, som kan føre til forkerte forsøgsresultater, er det nødvendigt, at prøven før forsøget er i mættet tilstand, samt at der til forsøgets udførelse anvendes kogt eller i det mindste stående vand.
I stedet for det ovenfor beskrevne apparat, der er baseret på det hydrostatiske tryk som følge af forskellen i vandstanden H, findes der også apparater, hvor det hydrostatiske tryk frembringes af lufttryk på 10 til 15 kp/cm2, holdt konstant ved hjælp af en kompressor.