Utvrđivanje Atterbergovih granica
Opisat ćemo pokuse određivanja granice tečenja, granice plastičnosti i granice skupljanja, koje su najvažnije u mehanici tla. Svi ti pokusi izvode se na poremećenim uzorcima kohezivnog tla.
Pokus određivanja granice tečenja
Za ovaj opit uzima se oko 200 g tla u prirodno vlažnom stanju, bez zrna promjera preko 0,5 mm, koja bi poremetila točnost rezultata opita. Uzorak se ne smije sušiti u sušioniku već se neposredno stavlja u porculansku šalicu s destiliranom vodom, gdje treba ostati više sati dok se dobro ne navlaži. Za ilovaču čiji je indeks plastičnosti IP < 20 navlaživanje traje oko 4 sata, za glinu IP > 20 do 18 sati. Potom se navlaženi uzorak prenese na staklenu ploču i pomoću laboratorijskog noža dobro promiješa, da se dobije gusta kaša ravnomjernog sastava. Ako se primijete čestice veće od 0,5 mm, one se pri miješanju uklanjaju.
Ovako pripremljeni uzorak prenosi se u mjedenу zdjelicu Casagrandeova aparata za određivanje granice tečenja (sl. 1), koji se u našim laboratorijima naziva Casagrandeova treskalica.
Slika 1. Casagrandeov aparat za određivanje granice tečenja
Aparat se sastoji od mesingane zdjelice, koja se pomoću posebnog spoja uključuje u aparat, elastičnog postolja od tvrde gume, s ekscentrom u gornjem dijelu i ručicom za okretanje, pri čemu se ekscenter podiže na visinu od 1 cm, uslijed čega zdjelica pada i udara u postolje (sl. 1a). Dimenzije aparata su normirane. Osim toga postoji i profilirani nož točno određenih dimenzija (sl. 1b).
Umeseni uzorak u mjedenu zdjelicu poravna se nožem tako da površina uzorka bude potpuno ravna i da uzorak pokrije nešto više od polovice prednjeg dijela zdjelice, tako da njegova visina iznad najniže točke dna zdjelice bude oko 12 mm. Zatim se zdjelica uključi u aparat i profiliranim nožem zareže brazda u sredini tako da bude potpuno ravna i da se vidi mjedeno dno zdjelice, što se postiže pažljivim povlačenjem noža okomito na dno zdjelice. Duljina brazde treba biti oko 40 mm. Odmah zatim okreće se ručica aparata brzinom od 2 okretaja u sekundi pri čemu se broje udari zdjelice u postolje i promatra brazda, koja se uslijed udara zdjelice o postolje sužava, jer se razrezani dijelovi uzorka pokreću i teže da se spoje. Okretanje ručice aparata traje sve dok se brazda ne spoji na duljini od 10 mm. Kada se to postigne, prestaje se s daljnjim okretanjem ručice, te se odmah zatim nožem uzme uzorak u količini oko 2 cm3 iz dijela oko spojene brazde s obje strane, stavlja se u satna stakla i određuje se vlažnost tla.
Ovaj pokus ponavlja se 3-4 puta na isti način, ali svaki put s različitom vlažnošću, što se postiže ako se uzorak najprije izmiješa s manjom količinom vode, a zatim se voda dodaje za ostale pokuse. Nakon svakog završenog pokusa, uzorak se preručuje na staklenu ploču, gdje se doda nešto vode i dobro izmiješa, da bi se dobila ravnomjerna, svaki put nešto rjeđa, kašasta masa.
Za izvođenje opita pripremljena kaša ne smije biti ni previše gusta ni previše tekuća, jer stanja konzistencije tla previše udaljena od granice tečenja ne daju potrebnu točnost za ovaj opit. Obično se uzima da je, ako je broj udara manji od 10 ili veći od 50, opit neuspješan, ali se smatra da je točnost opita bolja ako je raspon ovih granica 10-40 udara.
Napominje se da se prema jednom postupku, svaki put po završenom okretanju ručice do spajanja brazde na dužini od 1 cm uzorak u mesinganoj zdjelici odmah izmiješa nožem i ponovno izravna površina uzorka u zdjelici, ureže nova brazda, zatim okreće ručica aparata. Ovaj se postupak ponavlja sve dotle dok se ne postigne da se tri puta uzastopce dobije isti broj udara pri spajanju brazde u dužini od 1 cm, koji se broj usvaja za daljnji postupak pri određivanju granice tečenja. Rezultate ispitivanja nanosimo na dijagram u semilogaritamskoj podjeli (sl. 2). Na os apscisa nanosi se broj udara u logaritamskoj podjeli, a na os ordinata količina vode u postocima suhe težine uzorka u aritmetičkoj podjeli. Kako je kod svakog pokusa različita količina vode w, to ćemo dobiti točke A, B, C i D, koje odgovaraju različitom broju udara, pri čemu je broj udara manji ukoliko je količina vode veća i obratno. Spajanjem tih točaka dobivamo kosu pravac, na kojem tražimo točku M za 25 udara. Količina vode koja odgovara toj točki usvaja se kao granica tečenja wL.
Sl. 2. Utvrđivanje granice tečenja
Utvrđivanje granice plastičnosti
Uzorak tla pripremljen na način opisan gore, ali s manje vode, tako da bude plastična masa približno u žilavo-plastičnom stanju, skuplja se u kuglicu oko 2-3 cm3, pa se zatim valja dlanom na podlozi obične ili upijajuće hartije u valjak debljine 3 mm. Ako se uzorak valja do te debljine bez lomljenja, onda se ponovno skuplja u kuglicu i valja na isti način. Ovaj se postupak ponavlja sve dok se ne postigne da se valjak pri debljini od 3 mm ne počne lomiti. Tada se slomljeni valjci stave u sahatna stakla i odredi količina vode. Ta količina vode, izražena u postocima suhe težine uzorka, odgovara granici plastičnosti wP.
Utvrđivanje granice skupljanja
Sl. 3. Utvrđivanje granice skupljanja
Uzorak tla zamiješa se s destiliranom vodom na način opisan pod Pokus određivanja granice tečenja, tako da njegova konzistencija bude približno na granici tečenja, kada su sve pore zasićene vodom. Zatim se načini kuglica koja se ostavi da se suši najprije na zraku, zatim u sušioniku na 105°C. Ova postupnost u sušenju potrebna je da bi se izbjegle pukotine u isušenom uzorku, koje bi poremetile pokus. Odmah na početku izmjeri se težina W1 uzorka i odredi njegova zapremina V1 pokusom s uranjanjem u živu, zatim se dalje suši na zraku, a potom u sušioniku, uz povremeno uzimanje uzorka, hlađenje u eksikatoru i mjerenje njegove težine W2, W3, W4 itd. i zapremine V2, V3, V4 itd. Na taj način utvrdit će se da pri jednom stanju vlažnosti zapremina uzorka prestaje smanjivati se iako njegova težina i dalje opada uslijed sušenja. Ako je uzorak u svom početnom stanju zasićen vodom, tj. ne sadrži zraka u porama, gubitak vode sušenjem uzorka do granice skupljanja približno odgovara smanjenju zapremine uzorka. Poslije toga sušenje se i dalje nastavlja bez mjerenja zapremine, sve dotle dok se uzorak potpuno ne osuši, tj. do stalnosti težine. Tada se odredi količina vode u postocima suhe težine uzorka za svako mjerenje zapremine i težine uzorka, te se rezultati pokusa nanesu na dijagram (sl. 3). Na taj način dobiju se točke A, B, C, D i E, koje se spajaju, tako da se obično dobiva linija s oštrim prijelomom u području granice skupljanja. U prijelomnoj točki S dobiva se vlažnost w koja odgovara granici skupljanja _W_S.
Utvrđivanje kapilarnosti
Pokus određivanja visine kapilarnog dizanja vode provodi se na dva načina, i to izravnim mjerenjem visine kapilarnog dizanja vode i neizravnim mjerenjem pomoću kapilarimetra.
Pokus određivanja kapilarne visine izravnim mjerenjem
Iz poremećenog uzorka uzme se oko 300 pondi tla, koje se osuši na 105°C, zatim se nakon hlađenja usitni u sasvim fini prah, bez drobljenja zrnaca. Dobiveni prah sipa se u staklenu cijev promjera ø 25 mm, dužine 1,5 - 2,5 m, otvorenu na oba kraja, čiji se donji kraj prethodno zatvara staklenom vunom ili komadom platna. U otvoreni gornji kraj sipamo osušeni prah u visini od oko 10 cm, zatim cijev podižemo i puštamo da pada s udarcem na drveni pod ili neki drugi elastični oslonac sve dotle dok se pokazuje slijeganje praha u cijevi. Kontrolu slijeganja praha vršimo označavanjem crta masnom kredom na cijevi. Poslije toga sipamo daljih 10 cm praha i ponavljamo isti postupak sve dok ne ispunimo cijev zbijenim suhim prahom uzorka tla, čiju kapilarnost ispitujemo. Zatim dno cijevi potopimo u staklenu posudu s destiliranom vodom bez toka, s tim da donji kraj cijevi ne smije ležati na dnu posude (sl. 4). Staklenu cijev pričvrstimo letvom za skalu, tako da i cijev i skala budu okomiti. Poslije toga promatramo penjanje vode u cijevi, koje se jasno raspoznaje po boji: suh uzorak je svijetle boje, vlažan tamne. Udaljenost između razine vode u posudi i gornjeg ruba vlažnog uzorka predstavlja visinu kapilarnog penjanja hk.
Sl. 4. Određivanje visine kapilarnog penjanja vode izravnim mjerenjem
Osmatranje se vrši po pravilu poslije 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 itd. sati. Rezultati osmatranja nanose se na dijagram, čije apscise predstavljaju vrijeme u satima, a ordinate visine kapilarnog penjanja vode u mm (sl. 5).
Kod pjeskovitog materijala kapilarno penjanje isprva je naglo, zatim sporije i konačna visina penjanja brzo se postiže. Kod glinovitog materijala kapilarno penjanje isprva je sporije, ali traje dulje i doseže znatno veću visinu.
Ovaj način određivanja kapilarne visine je dugotrajan, osobito kod glinovitog tla. Osim toga visina kapilarnog penjanja ovisi o temperaturi zraka kao i o njegovoj vlažnosti, zbog čega je potrebno da se ti čimbenici održavaju koliko god je moguće stalnima.
Sl. 5. Dijagram kapilarnog penjanja vode u tlu, a-pijesak; b-prašina; c-glinovito tlo
Pokus određivanja kapilarne visine pomoću kapilarimetra
Postoji više kapilarimetara različitih konstrukcija, kao što su kapilarimetri Beskowa, Jürgensona i Engelhardta. Ovdje ćemo opisati princip rada s kapilarimetrom Beskowa, koji se najviše primjenjuje.
Ovaj se pokus izvodi na neporemećenim ili poremećenim uzorcima. Ako je uzorak poremećen, tada se unosi u uređaj u stanju na granici tečenja.
Sl. 6. Kapilametar Beskowa
Kapilametar Beskowa sastoji se od dvaju sudova (sl. 6), spojenih u donjim dijelovima međusobno pomoću ojačane gumene cijevi. U sud 1 stavlja se uzorak tla na filtarsko dno, dok je ispod njega sud ispunjen djelomično destiliranom vodom, djelomično živom, koja je u donjem dijelu tako da ispunjava i cijelu gumenu cijev i donji dio suda 2. Na početku pokusa razina žive u oba suda je ista. Zatim se sud 2 spušta naniže, čime se stvara ispod filtarskog dna suda 1 podtlak. Kada ovaj podtlak postane veći od kapilarnih sila u uzorku, zrak prodire kroz uzorak u filtarsko dno i razina žive u oba suda odmah se zatim izjednači spuštanjem suda 2. Razlika Hg između razine žive u jednom i drugom sudu u trenutku izjednačenja podtlaka i kapilarnih sila, tj. neposredno prije nego što je zrak počeo prodirati kroz uzorak, preračunata na visinu vodenog stupca i uvećana za visinu vodenog stupca h ispod uzorka, daje kapilarnu visinu hk. Budući da je živa 13,6 puta teža od vode, visina kapilarnog uspinjanja hk iznosi:
hk = 13,6 Hg + h
Određivanje propusnosti tla
Laboratorijski pokus određivanja propusnosti tla izvodi se pomoću posebnih aparata koji se zovu permeametri. Postoje različite konstrukcije permeametara, koje se međutim mogu podijeliti u dvije skupine: permeametri s konstantnim tlakom vode, za krupnozrnatija tla i permeametri s opadajućim tlakom vode za sitnozrnata tla. U oba slučaja pokus se izvodi na neporemećenim uzorcima.
Laboratorijskim ispitivanjem određuje se koeficijent propusnosti tla čija se vrijednost iskazuje na određenoj temperaturi, zbog različite viskoznosti vode na različitim temperaturama, što utječe na vrijednost koeficijenta propusnosti k. Najčešće se izražava koeficijent k na temperaturi t =10°C. Prema tome, ako je 10°C, temperatura vode pri određivanju koeficijenta k bila T različita od t = 10°C onda se njegova vrijednost preračunava po obrascu:
k10oC = ηt /η10oC * kT
gdje je ηt i η10oC viskozitet vode na radnoj temperaturi T, odnosno usvojenoj temperaturi t =10°C.
kT dobivena vrijednost koeficijenta propusnosti tla na radnoj temperaturi T.
Vrijednosti viskoznosti za različite temperature T dane su u tablici 1.
Ispit s konstantnim tlakom vode
Sl. 7. Permeametar sa stalnim pritiskom vode
Za ovaj pokus uzima se neporemećeni uzorak tla u metalni cilindar promjera D, visine h, sa zaoštrenim donjim rubom, utiskivanjem u tlo ili u veći neporemećeni uzorak. Nakon što se gornja i donja površina uzorka poravnaju s rubovima cilindra, uzorak u cilindru stavi se u aparat (sl. 7) između gornjeg i donjeg filtra. Donji filtar sastoji se od gustog sita i filtarskog kamena, da bi se omogućio protok vode kroz uzorak i spriječilo ispiranje čestica tla. Gornji filtar je bez sita jer postoji manja mogućnost ispiranja čestica. Dovod vode u uzorak je s razine N, koja se pomoću prelijeva održava stalnom, tako da je hidrostatčki pritisak H stalan. Pod tim pritiskom voda prođe kroz uzorak debljine h i pomoću cijevi uključenih u gornji dio aparata dospijeva u staklenu menzuru M gdje kaplje.
Čim voda počne protjecati kroz uzorak u menzuru, pokrenemo štopericu i promatramo količinu vode q koja dotječe u menzuru tijekom vremena t. Prema Darcyjevom zakonu je
q = k*A*t*i
gdje je k koeficijent propusnosti u cm/sec, A površina presjeka uzorka, i hidraulički pad, i = H/h.
Iz gornje jednadžbe imamo k= qh/Ath [cm/sec].
Količinu vode koja prođe kroz uzorak očitavamo u pojedinim vremenskim razmacima od početka do kraja promatranja, tako da imamo i pojedinačnu i ukupnu količinu vode proteklu kroz uzorak.
Kako bi se isključili zračni mjehuri u uzorku i u vodi, koji mogu dovesti do pogrešnih rezultata pokusa, potrebno je da prije pokusa uzorak bude u zasićenom stanju, kao i da se za izvođenje pokusa upotrebljava prokuhana ili barem ustajala voda.
Umjesto prije opisanog aparata zasnovanog na hidrostatičkom pritisku uslijed razlike u razini vode H, postoje i aparati kod kojih je hidrostatički pritisak proizveden zračnim pritiskom od 10 do 15 kp/cm2, održavan konstantnim pomoću kompresora.