קביעת גבולות אטטרברג, קפילריות וחדירות הקרקע

קביעת גבולות אטברג

נתאר את הניסויים לקביעת גבול הנזילות, גבול הפלסטיות וגבול הכיווץ, שהם החשובים ביותר במכניקת הקרקע. כל הניסויים הללו מבוצעים על דגימות מופרעות של קרקע מלוכדת.

ניסוי לקביעת גבול הנזילות

לצורך ניסוי זה נוטלים כ־200 פ׳ קרקע במצב לחות טבעית, ללא גרגרים בקוטר העולה על 0,5 mm, העלולים לפגוע בדיוק תוצאות הניסוי. את הדגימה אין לייבש בתנור ייבוש, אלא יש להכניסה ישירות לקערת חרסינה עם מים מזוקקים, שם עליה להישאר במשך כמה שעות עד שתירטב היטב. עבור חרסית שמדד הפלסטיות שלה IP < 20 ההרטבה נמשכת כ־4 שעה, ועבור חרסית IP > 20 עד 18 שעות. לאחר מכן מעבירים את הדגימה המורטבת ללוח זכוכית ומערבבים אותה היטב בעזרת סכין מעבדה, עד שמתקבלת עיסה סמיכה והרכבה אחיד. אם מבחינים בחלקיקים גדולים מ־0,5 mm, מסירים אותם במהלך הערבוב.

הדגימה שהוכנה כך מועברת לתוך הקערית מפליז של מכשיר קסגרנדה לקביעת גבול הנזילות (אי. 1), אשר במעבדות שלנו נקרא מרסקת קסגרנדה.

איור 1. מכשיר קסגרנדה לקביעת גבול הזרימה

המכשיר מורכב מקערית פליז, אשר באמצעות חיבור מיוחד מתחברת למכשיר, מבסיס גמיש מגומי קשה, עם אקסצנטר בחלק העליון וידית לסיבוב, כאשר האקסצנטר מורם לגובה של 1 cm, ובשל כך הקערית נופלת ופוגעת בבסיס (איור 1a). מידות המכשיר תקניות. בנוסף קיים גם סכין מעוצב במידות מוגדרות במדויק (איור 1b).

את הדוגמה המובאת לתוך קערית פליז מיישרים בעזרת סכין כך שמשטח הדוגמה יהיה שטוח לחלוטין, ושדוגמה תכסה מעט יותר ממחצית החלק הקדמי של הקערית, כך שגובהה מעל הנקודה הנמוכה ביותר של תחתית הקערית יהיה בערך 12 mm. לאחר מכן מחברים את הקערית למכשיר וחותכים בלהב המעוצב חריץ במרכז כך שיהיה ישר לחלוטין ושיראו את תחתית הפליז של הקערית, דבר המושג באמצעות משיכת הלהב בזהירות בניצב לתחתית הקערית. אורך החריץ צריך להיות בערך 40 mm. מיד לאחר מכן מסובבים את ידית המכשיר במהירות של 2 סיבובים בשנייה, תוך ספירת המכות של הקערית בבסיס ותצפית בחריץ, אשר מצטמצם עקב המכות של הקערית בבסיס, משום שחלקי הדוגמה שנחתכו זזים ונוטים להתאחד. סיבוב ידית המכשיר נמשך עד שהחריץ נסגר לאורך של 10 mm. כאשר מושגת תוצאה זו, מפסיקים את סיבוב הידית, ומיד לאחר מכן מוציאים בעזרת סכין דוגמה בכמות של כ-2 cm3 מן האזור סביב החריץ המאוחד משני הצדדים, מניחים אותה בזכוכיות שעון וקובעים את לחות הקרקע.

ניסוי זה חוזר על עצמו 3-4 פעמים באותו אופן, אך בכל פעם בלחות שונה, דבר המושג אם בתחילה מערבבים את הדגימה עם כמות קטנה יותר של מים, ולאחר מכן מוסיפים מים לשאר הניסויים. לאחר כל ניסוי שהושלם, מעבירים את הדגימה ללוח זכוכית, שם מוסיפים מעט מים ומערבבים היטב, כדי לקבל מסה עיסתית אחידה, דלילה מעט יותר בכל פעם.

לביצוע הניסוי, התערובת המוכנה אינה צריכה להיות סמיכה מדי ולא נוזלית מדי, שכן מצבי עקביות של הקרקע הרחוקים מדי מגבול הנזילות אינם נותנים את הדיוק הדרוש לניסוי זה. מקובל בדרך כלל שאם מספר המכות קטן מ-10 או גדול מ-50, הניסוי נכשל, אך נחשב שהדיוק של הניסוי טוב יותר אם המרווח בין גבולות אלה הוא 10-40 מכות.

יש לציין שלפי שיטה אחת, בכל פעם לאחר סיום סיבוב הידית ועד לאיחוי החריץ לאורך של 1 cm מערבבים מיד את הדוגמה בקערית הפליז בסכין ומיישרים שוב את פני הדוגמה בקערית, חותכים חריץ חדש, ואז מסובבים את ידית המכשיר. תהליך זה חוזר על עצמו עד שמתקבל שלוש פעמים ברציפות אותו מספר מכות בעת איחוי החריץ לאורך של 1 cm, ומספר זה מאומץ להמשך התהליך בקביעת גבול הזרימה. את תוצאות הבדיקה אנו רושמים על דיאגרמה בחלוקה סמי־לוגריתמית (איור 2). על ציר האבסיס נרשם מספר המכות בסקאלה לוגריתמית, ועל ציר האורדינטה כמות המים באחוזים ממשקל הדוגמה היבש בסקאלה אריתמטית. מאחר שבכל ניסיון כמות המים w שונה, נקבל את הנקודות A, B, C ו-D, המתאימות למספרי מכות שונים, כאשר מספר המכות קטן ככל שכמות המים גדולה יותר ולהפך. בחיבור הנקודות הללו מתקבל קו ישר נטוי, שעליו מחפשים את הנקודה M עבור 25 מכות. כמות המים המתאימה לנקודה זו מאומצת כגבול הזרימה wL.

איור 2. קביעת גבול הזרימה

קביעת גבול הפלסטיות

דוגמת הקרקע שהוכנה באופן המתואר לעיל, אך עם פחות מים, כך שתהיה מסה פלסטית במצב כמעט פלסטי־קשיח, מגולגלת לכדור בנפח של כ־2-3 cm3, ולאחר מכן מגולגלת בכף היד על גבי נייר רגיל או נייר סופג לגליל בעובי 3 mm. אם הדוגמה מתגלגלת לעובי כזה בלי להישבר, שוב מאחדים אותה לכדור ומגלגלים באותו אופן. תהליך זה חוזר על עצמו עד שהגליל מתחיל להישבר בעובי של 3 mm. אז מניחים את הגלילים השבורים על זכוכיות שעון וקובעים את כמות המים. כמות מים זו, המובעת באחוזים ממשקל היבש של הדוגמה, מתאימה לגבול הפלסטיות wP.

קביעת גבול הכיווץ

איור 3. קביעת גבול ההתכווצות

דוגמת הקרקע נלוש עם מים מזוקקים בדרך המתוארת תחת ניסוי לקביעת גבול הנזילות, כך שהעקביות שלה תהיה בקירוב בגבול הנזילות, כאשר כל הנקבים רוויים במים. לאחר מכן יוצרים כדורית ומניחים לה להתייבש תחילה באוויר, ולאחר מכן בתנור ב-105°C. סדר ייבוש זה נחוץ כדי למנוע סדקים בדוגמה המיובשת, העלולים לשבש את הניסוי. מיד בתחילה נשקלת דוגמת W1 ונקבע נפחה V1 בניסוי של טבילה בכספית, לאחר מכן מייבשים אותה עוד באוויר, ואחר כך בתנור, תוך לקיחה תקופתית של הדוגמה, קירור בייבשן ומדידת משקלה W2, W3, W4 וכו׳ ונפחה V2, V3, V4 וכו׳. בדרך זו ייקבע שבמצב לחות מסוים נפח הדוגמה חדל להצטמצם אף שמשקלה ממשיך לרדת עקב הייבוש. אם הדוגמה במצבה ההתחלתי רוויה במים, כלומר אינה מכילה אוויר בנקבוביות, אובדן המים בייבוש הדוגמה עד לגבול ההתכווצות תואם בקירוב את הקטנת נפח הדוגמה. לאחר מכן ממשיכים את הייבוש גם בלי מדידת נפח, עד שהדוגמה מתייבשת לחלוטין, כלומר עד להתייצבות המשקל. אז נקבעת כמות המים באחוזים ממשקל היבש של הדוגמה עבור כל מדידת נפח ומשקל של הדוגמה, ותוצאות הניסוי נרשמות בדיאגרמה (איור 3). בדרך זו מתקבלות הנקודות A, B, C, D ו-E, המחוברות זו לזו, כך שבדרך כלל מתקבל קו עם שבירה חדה באזור גבול ההתכווצות. בנקודת השבירה S מתקבלת הלחות w המתאימה לגבול ההתכווצות _W_S.

קביעת קפילריות

הניסוי לקביעת גובה עליית המים הנימית מתבצע בשתי דרכים: מדידה ישירה של גובה העלייה הנימית של המים ומדידה עקיפה באמצעות קפילרימטר.

ניסוי קביעת גובה קפילרי במדידה ישירה

מדגימה מופרעת נוטלים כ-300 פוּנדי קרקע, מייבשים אותה ב-105°C, ולאחר מכן, לאחר הקירור, טוחנים אותה לאבקה דקה מאוד, בלי לרסק את הגרגרים. האבקה המתקבלת נמזגת לצינור זכוכית בקוטר ø 25 mm, באורך 1,5 - 2,5 m, הפתוח בשני קצותיו, כאשר הקצה התחתון נסגר תחילה בצמר זכוכית או בחתיכת בד. אל הקצה העליון הפתוח נמזגת האבקה המיובשת לגובה של כ-10 cm, לאחר מכן מרימים את הצינור ומשחררים אותו ליפול במכה על רצפת עץ או על תומך אלסטי אחר, עד שניכרת התיישבות האבקה בצינור. את הבקרה על התיישבות האבקה מבצעים על ידי סימון קווים בגיר שומני על הצינור. לאחר מכן מוסיפים עוד 10 cm אבקה וחוזרים על אותו תהליך עד שממלאים את הצינור באבקה היבשה הדחוסה של דגימת הקרקע, שאת קפילריותה בודקים. אחר כך טובלים את תחתית הצינור בכלי זכוכית עם מים מזוקקים ללא זרימה, כך שהקצה התחתון של הצינור לא יישען על תחתית הכלי (איור 4). מקבעים את צינור הזכוכית אל סרגל בעזרת לוחית, כך שגם הצינור וגם הסרגל יהיו אנכיים. לאחר מכן עוקבים אחר עליית המים בצינור, הניכרת בבירור לפי הצבע: הדגימה היבשה בהירה, והלחה כהה. המרחק בין מפלס המים בכלי לבין הקצה העליון של הדגימה הלחה מייצג את גובה העלייה הנימית hk.

איור 4. קביעת גובה עליית המים הנימית באמצעות מדידה ישירה

המדידה מתבצעת בדרך כלל לאחר 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 וכו’ שעות. תוצאות המדידה נרשמות בדיאגרמה, שבה האבסיסות מייצגות את הזמן בשעות, והאורדינטות את גובה העלייה הנימית של המים במ״מ (איור 5).

בחומר חולי העלייה הנימית בתחילה מהירה, אחר כך איטית יותר, והגובה הסופי של העלייה מושג במהירות. בחומר חרסיתי העלייה הנימית בתחילה איטית יותר, אך היא ממושכת יותר ומגיעה לגובה גדול בהרבה.

שיטה זו לקביעת גובה הקפילריות היא ממושכת, במיוחד בקרקע חרסיתית. נוסף על כך, גובה העלייה הקפילרית תלוי בטמפרטורת האוויר וכן בלחותו, ולכן יש לשמור על גורמים אלה קבועים ככל האפשר.

איור 5. דיאגרמת עליית המים הנימית בקרקע, a-חול; b-אבק; c-קרקע חרסיתית

ניסוי לקביעת גובה נימי באמצעות קפילרימטר

קיימים כמה קפילרימטרים בעלי מבנים שונים, כגון קפילרימטרים של Beskow, של Jürgenson ושל Engelhardt. כאן נתאר את עקרון הפעולה של קפילרימטר Beskow, המשמש ביותר.

בדיקה זו מבוצעת על דגימות לא מופרעות או מופרעות. אם הדגימה מופרעת, מכניסים אותה למכשיר במצב שבגבול הזרימה.

איור 6. קפילרימטר של בסקוב

קפילרימטר של בסקוב מורכב משני מכלים (איור 6), המחוברים בחלקם התחתון זה לזה באמצעות צינור גומי מחוזק. במכל 1 מניחים את דגימת הקרקע על תחתית מסננת, ואילו מתחתיו יש מכל הממולא בחלקו במים מזוקקים ובחלקו בכספית, המצויה בחלק התחתון כך שהיא ממלאת גם את כל צינור הגומי וגם את החלק התחתון של המכל 2. בתחילת הניסוי מפלס הכספית בשני המכלים זהה. לאחר מכן מורידים את המכל 2 כלפי מטה, ובכך נוצר תת-לחץ מתחת לתחתית המסננת של המכל 1. כאשר תת-לחץ זה נעשה גדול יותר מן הכוחות הקפילריים בדגימה, אוויר חודר דרך הדגימה אל תחתית המסננת ומפלס הכספית בשני המכלים משתווה מיד לאחר מכן עקב הוצאת האוויר מן המכל 2. ההפרש Hg בין מפלסי הכספית במכל האחד ובמכל האחר ברגע השוואת תת-הלחץ והכוחות הקפילריים, כלומר ממש לפני שהאוויר התחיל לחדור דרך הדגימה, לאחר המרה לגובה עמוד מים והוספה של גובה עמוד המים h שמתחת לדגימה, נותן את הגובה הקפילרי hk. מאחר שכספית 13,6 כבדה יותר ממים, גובה העלייה הקפילרית hk הוא:

hk = 13,6 Hg + h

קביעת חדירות הקרקע

הניסוי המעבדתי לקביעת חדירות הקרקע מתבצע באמצעות מכשירים מיוחדים הנקראים פרמיאמטרים. קיימים סוגים שונים של פרמיאמטרים, אולם אפשר לחלקם לשתי קבוצות: פרמיאמטרים בעלי לחץ מים קבוע, עבור קרקעות גסות-גרגר, ו-פרמיאמטרים בעלי לחץ מים פוחת עבור קרקעות דקיקות-גרגר. בשני המקרים הניסוי נעשה על דגימות לא מופרעות.

בניסוי מעבדתי נקבע מקדם החדירות של הקרקע, שערכו נמדד בטמפרטורה מסוימת, בשל הצמיגות השונה של המים בטמפרטורות שונות, המשפיעה על ערך מקדם החדירות k. לרוב מבטאים את המקדם k בטמפרטורה t =10°C. לפיכך, אם 10°C, טמפרטורת המים בעת קביעת מקדם k הייתה T שונה מ־t = 10°C אז ערכו מחושב מחדש לפי הנוסחה:

k10oC = ηt /η10oC * kT

כאשר ηt ו-η10oC הם צמיגות המים בטמפרטורת העבודה T, או בטמפרטורה שנקבעה t =10°C.

kT הערך שהתקבל של מקדם החדירות של הקרקע בטמפרטורת העבודה T.

ערכי הצמיגות עבור טמפרטורות שונות T נתונים בטבלה 1.

ניסוי בלחץ מים קבוע

איור 7. פרמיאמטר בלחץ מים קבוע

לצורך ניסוי זה נלקחת דוגמת קרקע בלתי מופרעת בצילינדר מתכת בקוטר D, בגובה h, עם קצה תחתון מושחז, על ידי החדרתה לקרקע או לתוך דוגמה בלתי מופרעת גדולה יותר. לאחר שמשטחי הדוגמה העליון והתחתון מפולסים עם שולי הצילינדר, מניחים את הדוגמה בצילינדר במכשיר (איור 7) בין המסנן העליון והמסנן התחתון. המסנן התחתון מורכב מרשת צפופה ומאבן מסנן, כדי לאפשר זרימת מים דרך הדוגמה ולמנוע שטיפה של חלקיקי הקרקע. המסנן העליון ללא רשת, משום שקיימת אפשרות קטנה יותר לשטיפת חלקיקים. אספקת המים לדוגמה היא מן המפלס N, הנשמר קבוע באמצעות גלישה, כך שלחץ ההידרוסטטי H קבוע. תחת לחץ זה המים עוברים דרך הדוגמה בעובי h ומגיעים באמצעות צינור המחובר לחלקו העליון של המכשיר אל המכל הזכוכיתי M שבו הם מטפטפים.

ברגע שמתחילה זרימת המים דרך הדגימה לתוך המנזורה, נפעיל את שעון העצר ונצפה בכמות המים q הנכנסת למנזורה במשך הזמן t. לפי חוק דארסי היא

q = k*A*t*i

כאשר k הוא מקדם החדירות בס״מ/שנ׳, A שטח החתך של המדגם, i השיפוע ההידראולי, i = H/h.

מן המשוואה שלמעלה מתקבל k= qh/Ath [cm/sec].

את כמות המים העוברת דרך הדגימה אנו קוראים במרווחי זמן שונים, מתחילת התצפית ועד סופה, כך שיש בידינו גם כמויות חלקיות וגם הכמות הכוללת של המים שעברה דרך הדגימה.

כדי לשלול בועות אוויר בדגימה ובמים, העלולות להביא לתוצאות שגויות של הניסוי, יש לדאוג שלפני הניסוי הדגימה תהיה במצב רווי, וכן שלביצוע הניסוי ישתמשו במים מורתחים או לפחות במים שעמדו זמן מה.

במקום המכשיר שתואר לעיל, המבוסס על לחץ הידרוסטטי עקב הפרש הגבהים של המים H, קיימים גם מכשירים שבהם הלחץ ההידרוסטטי נוצר באמצעות לחץ אוויר של 10 עד 15 kp/cm2, הנשמר קבוע בעזרת מדחס.