Determinación dos límites de Atterberg
Describiremos os ensaios para determinar o límite de fluencia, o límite de plasticidade e o límite de retracción, que son os máis importantes na mecánica dos solos. Todos estes ensaios realízanse sobre mostras alteradas de solo cohesivo.
Ensaio de determinación do límite de fluidez
Para este ensaio tómase arredor de 200 p de solo en estado naturalmente húmido, sen grans cun diámetro superior a 0,5 mm, que poderían alterar a precisión dos resultados do ensaio. A mostra non debe secarse na estufa, senón que se coloca directamente nunha cunca de porcelana con auga destilada, onde debe permanecer varias horas ata quedar ben humedecida. Para arxila limosa cun índice de plasticidade IP < 20, a humectación dura arredor de 4 hora; para arxila IP > 20 ata 18 horas. Despois, a mostra humedecida transvásase a unha placa de vidro e mestúrase ben cun coitelo de laboratorio, para obter unha pasta espesa de composición uniforme. Se se observan partículas maiores de 0,5 mm, elimínanse durante a mestura.
A mostra así preparada transfírese á cunca de latón do aparello de Casagrande para a determinación do límite de fluidez (fig. 1), que nos nosos laboratorios se denomina trebelladora de Casagrande.
Fig. 1. Aparato de Cassagrande para determinar o límite de fluencia
O aparato consta dunha cuncada de latón, que mediante unha conexión especial se incorpora ao aparello, dunha base elástica de caucho duro, cun excentrador na parte superior e unha manivela para xirar, polo que o excentrador elévase ata unha altura de 1 cm, facendo que a cuncada caia e golpee a base (fig. 1a). As dimensións do aparato están normalizadas. Ademais, existe tamén un coitelo perfilado de dimensións exactamente determinadas (fig. 1b).
A mostra amontoada na cunca de latón alísase cun coitelo de xeito que a superficie da mostra quede completamente plana, e que a mostra cubra algo máis da metade da parte frontal da cunca, facendo que a súa altura por riba do punto máis baixo do fondo da cunca sexa duns 12 mm. A continuación, a cunca colócase no aparello e, cun coitelo perfilado, córtase unha regaña no centro de modo que sexa completamente recta e que se vexa o fondo de latón da cunca, o que se consegue pasando coidadosamente o coitelo perpendicularmente ao fondo da cunca. A lonxitude da regaña debe ser duns 40 mm. Inmediatamente despois xírase a manivela do aparello a unha velocidade de 2 revolucións por segundo, contando os golpes da cunca contra a base e observando a regaña, que, a consecuencia dos golpes da cunca contra a base, se vai estreitando, porque as partes cortadas da mostra se moven e tenden a unirse. A xiro da manivela do aparello continúa ata que a regaña se peche nunha lonxitude de 10 mm. Cando isto se consegue, déixase de xirar a manivela e, acto seguido, extráese cun coitelo unha mostra na cantidade duns 2 cm3 da parte arredor da regaña pechada por ambos os lados, colócase en vidros de reloxo e determínase a humidade do solo.
Este ensaio repítese 3-4 veces do mesmo xeito, pero cada vez cunha humidade distinta, o que se consegue se a mostra primeiro se mestura cunha menor cantidade de auga e logo se vai engadindo auga para os demais ensaios. Despois de cada ensaio rematado, a mostra vértese sobre unha placa de vidro, onde se lle engade algo de auga e se mestura ben, para obter unha masa pastosa uniforme, cada vez un pouco máis fluída.
Para a realización do ensaio, a pasta preparada non debe ser nin demasiado espesa nin demasiado fluída, porque estados de consistencia do solo demasiado afastados do límite de fluidez non proporcionan a precisión necesaria para este ensaio. Xeralmente admítese que, se o número de golpes é menor ca 10 ou maior ca 50, o ensaio non foi satisfactorio, pero considérase que a precisión do ensaio é mellor se o intervalo destes límites é de 10-40 golpes.
Sinala-se que, segundo un procedemento, cada vez, despois de rematar o xiro da manivela ata a unión da rañura nunha lonxitude de 1 cm, a mostra na cunca de latón se mestura inmediatamente cun coitelo e a superficie da mostra na cunca volve alisarse, córtase unha nova rañura e despois xírase a manivela do aparello. Este procedemento repítese ata que se consiga obter tres veces consecutivas o mesmo número de golpes ao pechar a rañura nunha lonxitude de 1 cm, número que se adopta para o procedemento posterior na determinación do límite de fluencia. Os resultados do ensaio represéntanse nun diagrama en escala semilogarítmica (fig. 2). No eixe das abscisas represéntase o número de golpes en escala logarítmica e no eixe das ordenadas a cantidade de auga en porcentaxe do peso seco da mostra en escala aritmética. Dado que en cada ensaio a cantidade de auga w é diferente, obteremos os puntos A, B, C e D, que corresponden a un número distinto de golpes, sendo o número de golpes menor canto maior é a cantidade de auga e viceversa. Unindo estes puntos obtemos unha liña recta inclinada, na cal buscamos o punto M para 25 golpes. A cantidade de auga correspondente a este punto adóptase como límite de fluencia wL.
Fig. 2. Determinación do límite de fluencia
Determinación do límite de plasticidade
A mostra de solo preparada do modo descrito arriba, pero con menos auga, de maneira que sexa unha masa plástica aproximadamente en estado plástico ríxido, enrólase formando unha bóla duns 2-3 cm3, e despois enrólase coa palma da man sobre unha superficie de papel común ou absorbente ata formar un cilindro de espesor 3 mm. Se a mostra pode enrolarse ata ese espesor sen romper, volve reunirse en bóla e enrólase do mesmo xeito. Este procedemento repítese ata conseguir que o cilindro, cun espesor de 3 mm, comece a romperse. Entón os cilindros rotos colócanse en vidros de reloxo e determínase a cantidade de auga. Esa cantidade de auga, expresada en porcentaxes do peso seco da mostra, corresponde ao límite de plasticidade wP.
Determinación do límite de retracción
Fig. 3. Determinación do límite de contracción
A mostra de solo mestúrase con auga destilada do xeito descrito no Ensaio de determinación do límite de fluidez, de modo que a súa consistencia estea aproximadamente no límite de fluidez, cando todos os poros estean saturados de auga. Despois fórmase unha boliña que se deixa secar primeiro ao aire e logo na estufa a 105°C. Esta sucesión no secado é necesaria para evitar fendas na mostra seca, que perturbarían o ensaio. Ao principio mídese inmediatamente o peso W1 da mostra e determínase o seu volume V1 mediante o ensaio por inmersión en mercurio; despois continúase o secado ao aire e logo na estufa, con tomas periódicas da mostra, arrefriamento no desecador e medición do seu peso W2, W3, W4 etc. e do volume V2, V3, V4 etc. Deste xeito comprobarase que, nun certo estado de humidade, o volume da mostra deixa de diminuír aínda que o seu peso segue a baixar debido ao secado. Se a mostra no seu estado inicial está saturada de auga, é dicir, non contén aire nos poros, a perda de auga polo secado da mostra ata o límite de retracción corresponde aproximadamente á diminución do volume da mostra. Despois diso o secado continúa sen medir o volume, ata que a mostra se seque por completo, é dicir, ata a constancia de peso. Entón determínase a cantidade de auga en porcentaxe do peso seco da mostra para cada medición de volume e peso da mostra, e os resultados do ensaio represéntanse nun diagrama (fig. 3). Deste xeito obtéñense os puntos A, B, C, D e E, que se unen, de maneira que normalmente se obtén unha liña cunha ruptura nítida na zona do límite de retracción. No punto de ruptura S obténse a humidade w que corresponde ao límite de retracción _W_S.
Determinación da capilaridade
O ensaio para determinar a altura da ascensión capilar da auga realízase de dous xeitos: por medición directa da altura da ascensión capilar da auga e por medición indirecta mediante un capilarímetro.
Experimento de determinación da altura capilar por medición directa
Dunha mostra perturbada tómanse uns 300 de solo, que se seca a 105°C, logo, tras arrefriala, tritúrase ata convertela nun po moi fino, sen esmagar os grans. O po obtido vértese nun tubo de vidro de diámetro ø 25 mm, de lonxitude 1,5 - 2,5 m, aberto por ambos extremos, cuxo extremo inferior se pecha previamente con algodón de vidro ou cun anaco de tecido. No extremo superior aberto vertemos o po seco ata unha altura duns 10 cm, logo ergue-se o tubo e déixase caer con golpe sobre un chan de madeira ou outro soporte elástico, ata que se observe o asentamento do po no tubo. O control do asentamento do po realízase marcando liñas cunha tiza graxa no tubo. Despois vertemos outros 10 cm de po e repetimos o mesmo procedemento ata encher o tubo cun po seco compactado da mostra de solo, cuxa capilaridade investigamos. A continuación mergullamos o fondo do tubo nun recipiente de vidro con auga destilada sen fluxo, de modo que o extremo inferior do tubo non debe descansar no fondo do recipiente (fig. 4). Fixamos o tubo de vidro a unha regra graduada cun listón, de maneira que tanto o tubo coma a escala queden verticais. Despois observamos o ascenso da auga no tubo, que se distingue claramente pola cor: a mostra seca é de cor clara, a húmida escura. A distancia entre o nivel da auga no recipiente e o bordo superior da mostra húmida representa a altura do ascenso capilar hk.
Sl. 4. Determinación da altura da ascensión capilar da auga por medida directa
A observación realízase por regra despois de 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 etc. horas. Os resultados da observación represéntanse nun diagrama, cuxas abscisas indican o tempo en horas e as ordenadas as alturas da ascensión capilar da auga en mm (fig. 5).
No caso do material areoso, a ascensión capilar é ao principio rápida, despois máis lenta, e a altura final da subida alcánzase axiña. No caso do material arxiloso, a ascensión capilar é ao principio máis lenta, pero máis prolongada, e acada unha altura considerablemente maior.
Este método para determinar a altura capilar é longo, especialmente no caso de solo arxiloso. Ademais, a altura da ascensión capilar depende da temperatura do aire así como da súa humidade, polo que é necesario manter estes factores o máis constantes posible.
Fig. 5. Diagrama da ascensión capilar da auga no solo, a-area; b-po; c-solo arxiloso
Ensaio de determinación da altura capilar mediante un capilarímetro
Existen varios capilarímetros de diferentes construcións, como os capilarímetros de Beskow, Jürgenson e Engelhardt. Aquí describiremos o principio de funcionamento co capilarímetro de Beskow, que é o máis utilizado.
Esta proba realízase en mostras intactas ou perturbadas. Se a mostra está perturbada, introdúcese no aparello no estado límite de fluidez.
Fig. 6. Capilarímetro de Beskow
O capilarímetro de Beskow consta de dous recipientes (fig. 6), unidos nas partes inferiores entre si mediante unha mangueira de goma reforzada. No recipiente 1 colócase unha mostra de solo sobre un fondo filtrante, mentres que debaixo del hai un recipiente parcialmente cheo de auga destilada e parcialmente de mercurio, situado na parte inferior de modo que encha tamén toda a mangueira de goma e a parte inferior do recipiente 2. Ao comezo da proba, o nivel de mercurio en ambos os recipientes é o mesmo. Despois, o recipiente 2 báixase cara abaixo, co que se crea debaixo do fondo filtrante do recipiente 1 unha depresión. Cando esta depresión se fai maior ca as forzas capilares na mostra, o aire penetra a través da mostra ata o fondo filtrante e, inmediatamente despois, o nivel de mercurio en ambos os recipientes iguala-se ao descender o recipiente 2. A diferenza Hg entre os niveis de mercurio nun e noutro recipiente no momento da igualación da depresión e das forzas capilares, é dicir, xusto antes de que o aire comezase a penetrar pola mostra, convertida á altura dunha columna de auga e aumentada pola altura da columna de auga h debaixo da mostra, dá a altura capilar hk. Como o mercurio é 13,6 veces máis pesado ca a auga, a altura da ascensión capilar hk é:
hk = 13,6 Hg + h
Determinación da permeabilidade do terreo
A proba de laboratorio para determinar a permeabilidade do solo realízase mediante aparellos especiais chamados permeámetros. Existen distintas construcións de permeámetros, que porén poden dividirse en dous grupos: permeámetros con presión de auga constante, para solos de gran máis groso, e permeámetros con presión de auga decrecente para solos de gran fino. Nos dous casos, a proba realízase con mostras non alteradas.
Mediante un ensaio de laboratorio determínase o coeficiente de permeabilidade do solo, cuxo valor se expresa a unha determinada temperatura, debido á diferente viscosidade da auga a distintas temperaturas, o que afecta o valor do coeficiente de permeabilidade k. Adoita expresarse o coeficiente k á temperatura t =10°C. Polo tanto, se 10°C, a temperatura da auga ao determinar o coeficiente k foi T distinta de t = 10°C entón o seu valor recálculase segundo a fórmula:
k10oC = ηt /η10oC * kT
onde ηt e η10oC son a viscosidade da auga á temperatura de traballo T, respectivamente á temperatura adoptada t =10°C.
kT valor obtido do coeficiente de permeabilidade do solo á temperatura de traballo T.
Os valores de viscosidade para distintas temperaturas T danse na táboa 1.
Ensaio con presión constante de auga
Fig. 7. Permeámetro con presión constante da auga
Para esta proba tómase unha mostra indeformada de solo nun cilindro metálico de diámetro D, altura h, con bordo inferior afiado, introducíndoa no solo ou nunha mostra indeformada maior. Despois de igualar as superficies superior e inferior da mostra coas beiras do cilindro, a mostra no cilindro colócase no aparello (fig. 7) entre o filtro superior e o inferior. O filtro inferior consiste nunha peneira densa e nunha pedra filtrante, co fin de permitir o paso da auga a través da mostra e evitar o lavado das partículas do solo. O filtro superior está sen peneira, xa que existe unha menor posibilidade de lavado das partículas. A entrada de auga na mostra faise desde o nivel N, que se mantén constante mediante un rebose, de modo que a presión hidrostática H sexa constante. Baixo esta presión a auga pasa a través da mostra de espesor h e, mediante o tubo incorporado na parte superior do aparello, chega á probeta de vidro M onde gotea.
En canto comeza o paso da auga a través da mostra no recipiente, poñemos en marcha o cronómetro e observamos a cantidade de auga q que entra no recipiente durante o tempo t. Segundo a lei de Darcy é
q = k*A*t*i
onde k é o coeficiente de permeabilidade en cm/sec, A a área da sección da mostra, i a carga hidráulica, i = H/h.
Da ecuación anterior temos k= qh/Ath [cm/sec].
A cantidade de auga que pasa a través da mostra lémola en intervalos de tempo determinados desde o inicio ata o final da observación, de modo que dispoñemos tanto das cantidades parciais como da cantidade total de auga que atravesou a mostra.
Para excluír as burbullas de aire na mostra e na auga, que poden dar lugar a resultados erróneos da proba, é necesario que antes da proba a mostra estea en estado saturado, e que para a realización da proba se empregue auga fervida ou, polo menos, auga repousada.
No canto do aparello descrito anteriormente, baseado na presión hidrostática debida á diferenza de nivel da auga H, existen tamén aparellos nos que a presión hidrostática é producida por unha presión de aire de 10 a 15 kp/cm2, mantida constante mediante un compresor.