Atterbergin rajojen määritys
Kuvaamme juoksevuusrajan, plastisuusrajan ja kutistumisrajan määritysmenetelmät, jotka ovat tärkeimpiä maamekaniikassa. Kaikki nämä kokeet tehdään häirityille sitoutuneen maan näytteille.
Nesteenrajankokeen määrittäminen
Tähän kokeeseen otetaan noin 200 p maata luonnollisen kosteassa tilassa, ilman yli 0,5 mm halkaisijaltaan olevia rakeita, jotka voisivat häiritä koetuloksen tarkkuutta. Näytettä ei saa kuivata kuivauskaapissa, vaan se asetetaan välittömästi posliinikuppiin, jossa on tislattua vettä, ja sen tulee antaa olla siellä useita tunteja, kunnes se on kunnolla kostunut. Savimaalla, jonka plastisuusindeksi IP < 20, kostutus kestää noin 4 tuntia, savella IP > 20–18 tuntia. Tämän jälkeen kostutettu näyte kaadetaan lasilevylle ja sekoitetaan hyvin laboratorioveitsellä, jotta saadaan aikaan tiheä, koostumukseltaan tasainen tahna. Mikäli havaitaan yli 0,5 mm kokoisia hiukkasia, ne poistetaan sekoituksen aikana.
Tällä tavoin valmistettu näyte siirretään Casagranden laitteen messinkiseen kuppiin juoksevuusrajan määrittämistä varten (kuva 1), jota laboratorioissamme kutsutaan Casagranden täristimeksi.
Kuva 1. Cassagranden laite myötörajan määrittämiseen
Laite koostuu messingisestä kulhosta, joka liitetään laitteeseen erikoisliitännällä, sekä joustavasta kovakumialustasta, jonka yläosassa on epäkesko ja kääntökahva; epäkesko nousee korkeuteen 1 cm, jolloin kulho putoaa ja osuu alustaan (kuv. 1a). Laitteen mitat on standardoitu. Lisäksi on olemassa myös tarkoin määritettyjen mittojen mukainen profiloitu veitsi (kuv. 1b).
Kulhoon annosteltu näyte tasoitetaan veitsellä niin, että näytteen pinta on täysin tasainen ja näyte peittää hieman yli puolet kulhon etuosasta, siten että sen korkeus kulhon pohjan alimmasta kohdasta on noin 12 mm. Tämän jälkeen kulho asetetaan laitteeseen ja profiloidulla veitsellä leikataan ura keskelle niin, että se on täysin suora ja messinkinen kulhon pohja näkyy; tämä saavutetaan vetämällä veistä varovasti kohtisuoraan kulhon pohjaa vasten. Uran pituuden tulee olla noin 40 mm. Heti sen jälkeen laitteesta käännetään kampia nopeudella 2 kierrosta sekunnissa, jolloin lasketaan kulhon iskut jalustaan ja tarkkaillaan uraa, joka kulhon iskeytyessä jalustaan kapenee, koska näytteen leikatut osat liikkuvat ja pyrkivät liittymään yhteen. Kampia käännetään niin kauan, kunnes ura sulkeutuu matkalta 10 mm. Kun tämä on saavutettu, kampien kääntö lopetetaan, minkä jälkeen veitsellä otetaan näytettä noin 2 cm3 määrä yhtyneen uran ympäriltä molemmilta puolilta, se asetetaan kellolasille ja määritetään maan kosteuspitoisuus.
Tämä koe toistetaan 3-4 kertaa samalla tavalla, mutta joka kerta eri kosteudella, mikä saavutetaan siten, että näyte sekoitetaan ensin pienemmän vesimäärän kanssa ja sitten vettä lisätään muita kokeita varten. Jokaisen suoritetun kokeen jälkeen näyte kaadetaan lasilevylle, johon lisätään hieman vettä ja sekoitetaan hyvin, jotta saadaan tasainen, joka kerta hieman juoksevampi, tahnamainen massa.
Kokeen suorittamiseksi valmistettu massa ei saa olla liian sakeaa eikä liian juoksevaa, sillä maaperän konsistenssitilat, jotka ovat liian kaukana juoksemisrajasta, eivät anna tähän kokeeseen tarvittavaa tarkkuutta. Yleensä hyväksytään, että jos iskujen määrä on pienempi kuin 10 tai suurempi kuin 50, koe on epäonnistunut, mutta kokeen tarkkuuden katsotaan olevan parempi, jos näiden rajojen väli on 10-40 iskua.
On syytä huomata, että erään menetelmän mukaan aina vivun kierron päätyttyä, kun ura on suljettu pituudelta 1 cm, messinkikulhossa oleva näyte sekoitetaan heti veitsellä ja näytteen pinta kulhossa tasoitetaan uudelleen, leikataan uusi ura ja sitten laitteen vipua käännetään. Tätä menettelyä toistetaan, kunnes saadaan kolme kertaa peräkkäin sama iskukertojen määrä uran sulkemisessa pituudelta 1 cm, ja tämä määrä otetaan käyttöön jatkotoimenpiteessä myötörajaa määritettäessä. Koetulokset esitetään diagrammissa semilogaritmisella asteikolla (kuva 2). Abskissa-akselille merkitään iskukertojen määrä logaritmisessa asteikossa ja ordinaatta-akselille veden määrä näytteen kuiva-aineen prosentteina aritmeettisessa asteikossa. Koska jokaisessa kokeessa veden määrä w on erilainen, saadaan pisteet A, B, C ja D, jotka vastaavat eri iskukertojen määriä, jolloin iskukertojen määrä on sitä pienempi, mitä suurempi veden määrä on, ja päinvastoin. Yhdistämällä nämä pisteet saadaan vino suora, jolta etsitään piste M kohdalle 25 iskua. Tähän pisteeseen vastaava veden määrä otetaan myötörajaksi wL.
Kuva 2. Myötörajan määritys
Plastisuusrajan määrittäminen
Edellä kuvatulla tavalla valmistettu maaperänäyte, mutta vähemmällä vedellä siten, että se on muovinen massa suunnilleen sitkeän muovisessa tilassa, kootaan palloksi, jonka tilavuus on noin 2-3 cm3, minkä jälkeen sitä rullataan kämmenellä tavallisen tai imupaperin päällä sauvaksi, jonka paksuus on 3 mm. Jos näyte voidaan rullata tähän paksuuteen ilman murtumista, se kootaan uudelleen palloksi ja rullataan samalla tavalla. Tätä menettelyä toistetaan, kunnes sauva alkaa murtua, kun sen paksuus on 3 mm. Silloin murtuneet sauvat asetetaan kellolasille ja määritetään vesimäärä. Tämä vesimäärä, ilmaistuna prosentteina näytteen kuivapainosta, vastaa plastisuusrajaa wP.
Kutistumisrajan määrittäminen
Kuva 3. Kutistumisrajan määritys
Ma näyte sekoitetaan tislatun veden kanssa tavalla, joka on kuvattu kohdassa Nesteenrajankokeen määrittäminen, niin että sen koostumus on suunnilleen juoksemisrajan kohdalla, kun kaikki huokoset ovat veden kyllästämiä. Sen jälkeen tehdään pallo, jonka annetaan kuivua ensin ilmassa, sitten kuivatuskaapissa lämpötilassa 105°C. Tämä kuivauksen vaiheistus on tarpeen, jotta kuivuneeseen näytteeseen ei muodostuisi halkeamia, jotka häiritsisivät koetta. Heti aluksi mitataan näytteen paino W1 ja määritetään sen tilavuus V1 elohopeaan upottamalla suoritetulla kokeella, minkä jälkeen sitä kuivataan edelleen ilmassa ja sitten kuivatuskaapissa, välillä näytettä ottaen, jäähdyttäen eksikaattorissa ja mittaamalla sen paino W2, W3, W4 jne. sekä tilavuus V2, V3, V4 jne. Näin todetaan, että tietyssä kosteustilassa näytteen tilavuus lakkaa pienenemästä, vaikka sen paino edelleen laskee kuivumisen vuoksi. Jos näyte on alkuperäisessä tilassaan veden kyllästämä, ts. huokosissa ei ole ilmaa, veden menettäminen kuivattaessa näytettä kutistumisrajaan asti vastaa likimain näytteen tilavuuden pienenemistä. Sen jälkeen kuivausta jatketaan edelleen ilman tilavuuden mittaamista, kunnes näyte on täysin kuiva, ts. paino on vakio. Tällöin määritetään veden määrä prosentteina näytteen kuivapainosta jokaista tilavuuden ja painon mittausta varten, ja kokeen tulokset piirretään diagrammiin (kuva 3). Näin saadaan pisteet A, B, C, D ja E, jotka yhdistetään, jolloin tavallisesti saadaan viiva, jossa on jyrkkä taitos kutistumisrajan alueella. Taitekohdassa S saadaan kosteus w, joka vastaa kutistumisrajaa W_S.
Kapillaarisuuden määritys
Veden kapillaarisen nousun korkeuden määrityskoe tehdään kahdella tavalla, nimittäin mittaamalla kapillaarisen nousun korkeus suoraan ja mittaamalla se epäsuorasti kapillaarimetrin avulla.
Kapillaarikorkeuden määrityskoe suoralla mittauksella
Häiriintyneestä näytteestä otetaan noin 300 pondia maata, joka kuivataan lämpötilassa 105°C, ja jäähdytyksen jälkeen jauhetaan hyvin hienoksi jauheeksi murskaamatta rakeita. Saatu jauhe kaadetaan lasiputkeen, jonka halkaisija on ø 25 mm, pituus 1,5 - 2,5 m, ja joka on avoin molemmista päistä; putken alapää suljetaan etukäteen lasivillalla tai kangaspalalla. Avoimeen yläpäätyyn kaadetaan kuivattua jauhetta noin 10 cm korkeudelle, minkä jälkeen putki nostetaan ja annetaan pudota iskulla puulattialle tai muulle joustavalle alustalle niin kauan, kunnes putkessa havaitaan jauheen painuminen. Jauheen painumista valvotaan merkitsemällä putkeen viivoja rasvalla liidulla. Tämän jälkeen kaadetaan lisää 10 cm jauhetta ja toistetaan sama menettely, kunnes putki on täytetty tiiviillä kuivalla maaperänäytteen jauheella, jonka kapillaarisuutta tutkitaan. Sitten putken pohja upotetaan lasiastiaan, jossa on seisovaa tislettä vettä, niin että putken alapää ei saa olla astian pohjalla (kuva 4). Lasiputki kiinnitetään listalla asteikkoon niin, että sekä putki että asteikko ovat pystysuorassa. Tämän jälkeen tarkkaillaan veden nousua putkessa, joka erottaa selvästi värin perusteella: kuiva näyte on vaalean värinen, kostea tumma. Veden pinnan tason astiassa ja kostean näytteen yläreunan välinen etäisyys on kapillaarisen nousun korkeus hk.
Kuva 4. Veden kapillaarisen nousun korkeuden määritys suoralla mittauksella
Havainnointi suoritetaan tavallisesti 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 jne. tunnin kuluttua. Havainnoinnin tulokset merkitään diagrammiin, jonka abskissat esittävät aikaa tunteina ja ordinaatat veden kapillaarisen nousun korkeus millimetreinä (kuva 5).
Hiekkamaassa kapillaarinen nousu on aluksi nopeaa, sitten hitaampaa, ja lopullinen nousukorkeus saavutetaan nopeasti. Savimaassa kapillaarinen nousu on aluksi hitaampaa, mutta se kestää pidempään ja saavuttaa huomattavasti suuremman korkeuden.
Tämä kapillaarikorkeuden määritysmenetelmä on aikaa vievä, erityisesti savimaassa. Lisäksi kapillaarinen nousukorkeus riippuu ilman lämpötilasta sekä sen kosteudesta, minkä vuoksi nämä tekijät on pidettävä mahdollisimman vakioina.
Kuva 5. Kapillaarisen veden nousun kaavio maaperässä, a-hiekka; b-pöly; c-savis maa
Koe kapillaarikorkeuden määrittämiseksi kapillaarimetrillä
On olemassa useita eri rakenteisia kapillaarimetrejä, kuten Beskowan, Jürgensonin ja Engelhardtin kapillaarimetrit. Tässä kuvaamme Beskowan kapillaarimetrin toimintaperiaatteen, jota käytetään eniten.
Tämä koe tehdään häiriintymättömillä tai häiriintyneillä näytteillä. Jos näyte on häiriintynyt, se viedään laitteeseen juoksevuusrajan tilassa.
Sl. 6. Beskow’n kapillaarimetri
Beskowin kapillaarimetri koostuu kahdesta astiasta (kuva 6), jotka on yhdistetty alaosistaan toisiinsa vahvistetulla kumiletkulla. Astiaan 1 asetetaan maanäyte suodatinpohjalle, kun taas sen alla oleva astia on osittain tislattua vettä, osittain elohopeaa, joka on alaosassa siten, että se täyttää sekä koko kumiletkun että astian 2 alaosan. Kokeen alussa elohopean pinta on molemmissa astioissa sama. Tämän jälkeen astia 2 lasketaan alaspäin, jolloin astian 1 suodatinpohjan alle syntyy alipaine. Kun tämä alipaine kasvaa suuremmaksi kuin näytteen kapillaarivoimat, ilma tunkeutuu näytteen kautta suodatinpohjaan ja elohopean pinta molemmissa astioissa tasaantuu tämän jälkeen heti astian 2 laskun seurauksena. Elohopeapintojen erotus Hg kummassakin astiassa siinä hetkessä, kun alipaine ja kapillaarivoimat tasapainottuvat, eli juuri ennen kuin ilma alkoi tunkeutua näytteen läpi, muunnettuna vesipatsaan korkeudeksi ja lisättynä näytteen alapuolisen vesipatsaan korkeudella h, antaa kapillaarikorkeuden hk. Koska elohopea on 13,6 kertaa vettä raskaampaa, on kapillaarisen nousun korkeus hk:
hk = 13,6 Hg + h
Maan läpäisevyyden määrittäminen
Maan vedenläpäisevyyden laboratorio-osa kokeessa käytetään erityisiä laitteita, joita kutsutaan permeametreiksi. Permeametreista on olemassa erilaisia rakenteita, mutta ne voidaan jakaa kahteen ryhmään: vakion vesipaineen permeametreihin, karkeammille maalajeille, ja pienenevän vesipaineen permeametreihin hienorakeisille maalajeille. Molemmissa tapauksissa koe tehdään häiriintymättömillä näytteillä.
Laboratoriokokeella määritetään maaperän läpäisevyyskerroin, jonka arvo ilmaistaan tietyssä lämpötilassa, koska veden viskositeetti vaihtelee eri lämpötiloissa, mikä vaikuttaa läpäisevyyskertoimen k arvoon. Yleisimmin ilmoitetaan kerroin k lämpötilassa t =10°C. Jos siis 10°C, lämpötila, jossa kertoimen k määritys tehtiin, oli T, joka poikkesi arvosta t = 10°C, sen arvo lasketaan kaavalla:
k10oC = ηt /η10oC * kT
missä ηt ja η10oC ovat veden viskositeetti työskentelylämpötilassa T ja vastaavasti valitussa lämpötilassa t =10°C.
kT työlämpötilassa T saatu maaperän läpäisevyyskertoimen arvo.
Viskositeettiarvot eri lämpötiloille T on annettu taulukossa 1.
Koe vakiovedenpaineella
Kuva 7. Permeametri vakiovedenpaineella
Tässä kokeessa otetaan häiriintymätön maaperänäyte metalliseen sylinteriin, jonka halkaisija on D ja korkeus h ja jonka alareuna on terävä, painamalla se maahan tai suurempaan häiriintymättömään näytteeseen. Kun näytteen ylä- ja alapinta tasataan sylinterin reunojen kanssa, näyte sylinterissä asetetaan laitteeseen (kuva 7) ylemmän ja alemman suodattimen väliin. Alempi suodatin koostuu tiheästä seulasta ja suodinkivestä, jotta veden virtaus näytteen läpi mahdollistuu ja maahiukkasten huuhtoutuminen estyy. Ylempi suodatin on ilman seulaa, koska hiukkasten huuhtoutumisen mahdollisuus on pienempi. Veden syöttö näytteeseen tapahtuu tasolta N, jota pidetään ylivuodon avulla vakiona, niin että hydrostaattinen paine H on vakio. Tämän paineen alaisena vesi kulkee h paksun näytteen läpi ja laitteiston yläosaan liitetyn putken avulla päätyy lasiseen mittalasiin M, johon se tippuu.
Heti kun veden virtaus näytteen läpi menzuraan alkaa, käynnistämme sekuntikellon ja tarkkailemme vesimäärää q, joka virtaa menzuraan ajan t kuluessa. Darcyn lain mukaan
q = k*A*t*i
jossa k on läpäisevyyskerroin cm/sec, A näytteen poikkipinta-ala, i hydraulinen gradientti, i = H/h.
Edellisestä yhtälöstä saadaan k= qh/Ath [cm/sec].
Näytteen läpi kulkeneen veden määrä luetaan tietyin aikavälein havainnoinnin alusta loppuun, joten saadaan sekä yksittäiset että näytteen läpi kulkeneen veden kokonaismäärä.
Jotta näytteessä ja vedessä olevat ilmakuplat, jotka voivat johtaa virheellisiin koetuloksiin, poistuisivat, on ennen koetta varmistettava, että näyte on kyllästystilassa, ja että kokeen suorittamiseen käytetään keitettyä tai ainakin seisonutta vettä.
Edellä kuvatun, vedenpinnan korkeuserosta H johtuvaan hydrostaattiseen paineeseen perustuvan laitteen asemesta on myös laitteita, joissa hydrostaattinen paine tuotetaan ilmanpaineella, joka on 10–15 kp/cm2, ja jota pidetään kompressorin avulla vakiona.