Az Atterberg-határok meghatározása
Ismertetjük a folyási határ, a plaszticitási határ és a zsugorodási határ meghatározására szolgáló vizsgálatokat, amelyek a talajmechanikában a legfontosabbak. Ezeket a vizsgálatokat egyaránt bolygatott, kötött talajmintákon végzik.
A folyási határ meghatározásának kísérlete
Ehhez a vizsgálathoz körülbelül 200 p természetes nedvességtartalmú talajt veszünk, 0,5 mm átmérőnél nagyobb szemcsék nélkül, amelyek rontanák a vizsgálati eredmények pontosságát. A mintát nem szabad szárítószekrényben szárítani, hanem közvetlenül desztillált vizet tartalmazó porcelántálba kell helyezni, ahol több órán át kell maradnia, amíg kellően át nem nedvesedik. A plaszticitási indexe IP < 20 értékű vályognál az átitatás körülbelül 4 órát tart, IP > 20 agyagnál 18 órát. Ezután az átitatott mintát üveglapra öntjük, és laboratóriumi késsel alaposan összekeverjük, hogy sűrű, egyenletes összetételű pépet kapjunk. Ha 0,5 mm-nál nagyobb részecskék észlelhetők, azokat keverés közben eltávolítjuk.
Az így előkészített mintát a folyási határ meghatározására szolgáló Casagrande-készülék sárgaréz csészéjébe öntik (á. 1), amelyet laboratóriumainkban Casagrande-féle rázógépnek neveznek.
Ábra 1. Cassagrande-féle folyáshatár-meghatározó készülék
A készülék egy sárgaréz tálkából áll, amelyet egy különleges kapcsolattal csatlakoztatnak a készülékhez, egy keménygumiból készült rugalmas talpból, a felső részén excenterrel és forgató karral, miközben az excenter 1 cm magasságig emelkedik, aminek következtében a tálka leesik és a talphoz ütődik (ábr. 1a). A készülék méretei szabványosítottak. Ezenkívül létezik még egy pontosan meghatározott méretű profilozott kés is (ábr. 1b).
A bemért mintát a sárgaréz tálkában késsel elsimítják úgy, hogy a minta felülete teljesen sík legyen, és a minta a tálka elülső részének valamivel több mint felét fedje le, úgy, hogy a magassága a tálka fenekének legalacsonyabb pontja fölött körülbelül 12 mm legyen. Ezután a tálkát a készülékbe helyezik, és a profilozott késsel középen barázdát vágnak úgy, hogy az teljesen egyenes legyen, és a sárgaréz tálka feneke láthatóvá váljon; ezt úgy érik el, hogy a kést óvatosan, a tálka fenekére merőlegesen húzzák végig. A barázda hossza körülbelül 40 mm legyen. Ezután azonnal a készülék karját 2 fordulat/másodperc sebességgel forgatják, miközben számolják a tálka talpra ütődéseit, és figyelik a barázdát, amely a tálka talpra ütődései miatt beszűkül, mivel a felvágott mintarészek elmozdulnak és összeolvadásra törekednek. A kar forgatása mindaddig tart, amíg a barázda 10 mm hosszon össze nem záródik. Amikor ez megtörténik, a kar további forgatását abbahagyják, majd közvetlenül ezután késsel kiveszik a mintát körülbelül 2 cm3 mennyiségben az összezárt barázda körüli részből mindkét oldalon, óraüvegekbe helyezik, és meghatározzák a talaj nedvességtartalmát.
Ezt a vizsgálatot 3-4 alkalommal ugyanúgy megismétlik, de minden alkalommal eltérő nedvességtartalommal, amit úgy érnek el, hogy a mintát először kisebb mennyiségű vízzel keverik össze, majd a további vizsgálatokhoz adják hozzá a vizet. Minden befejezett vizsgálat után a mintát üveglapra öntik, ahol egy kevés vizet adnak hozzá és jól összekeverik, hogy egyenletes, minden alkalommal valamivel hígabb, pépes masszát kapjanak.
A kísérlet elvégzéséhez előkészített pép nem lehet sem túl sűrű, sem túl híg, mert a folyási határtól túlságosan eltérő talajkonzisztencia-állapotok nem biztosítják ehhez a kísérlethez a szükséges pontosságot. Általában elfogadjuk, hogy ha az ütésszám kisebb, mint 10, vagy nagyobb, mint 50, akkor a kísérlet sikertelen, de a kísérlet pontosságát jobbnek tekintjük, ha e határok közötti tartomány 10-40 ütés.
Megjegyzendő, hogy az egyik eljárás szerint minden egyes, a kar elfordításának befejezése után, a 1 cm hosszúságú barázda összezáródásakor a sárgaréz tálkában levő mintát azonnal késsel elkeverik, majd a tálkában a minta felületét ismét elsimítják, új barázdát vágnak, ezután az apparátus karját ismét elfordítják. Ezt az eljárást mindaddig ismételjük, amíg három egymást követő alkalommal ugyanazt az ütésszámot nem kapjuk a 1 cm hosszúságú barázda összezáródásakor; ezt az ütésszámot vesszük alapul a folyáshatár meghatározásának további eljárásához. A vizsgálati eredményeket féllogaritmikus beosztású diagramra visszük fel (2. ábra). Az abszcisszatengelyre az ütés számát logaritmikus beosztásban, az ordinátatengelyre pedig a vízmennyiséget a minta száraz tömegének százalékában, aritmetikai beosztásban visszük fel. Mivel minden egyes kísérletnél a vízmennyiség w eltérő, ezért az A, B, C és D pontokat kapjuk, amelyek különböző ütés-számoknak felelnek meg, ahol az ütés száma annál kisebb, minél nagyobb a vízmennyiség, és fordítva. E pontok összekötésével ferde egyenest kapunk, amelyen a 25 ütéshez tartozó M pontot keressük. Az ehhez a ponthoz tartozó vízmennyiséget fogadjuk el folyáshatárként, wL-ként.
Ábra 2. A folyási határ meghatározása
A plaszticitási határ meghatározása
A fent leírt módon elkészített talajmintát, de kevesebb vízzel, úgy hogy a plasztikus anyag nagyjából keményplasztikus állapotú legyen, kb. 2-3 cm3-as golyóvá gyúrjuk össze, majd tenyérrel, közönséges vagy nedvszívó papíron 3 mm vastag rúddá sodorjuk. Ha a minta ilyen vastagságig törés nélkül sodorható, akkor ismét golyóvá összegyúrjuk és ugyanígy tovább sodorjuk. Ezt az eljárást addig ismételjük, amíg a rúd 3 mm vastagságnál törni nem kezd. Ekkor a törött rudakat óraüvegekbe tesszük, és meghatározzuk a víztartalmat. Ez a vízmennyiség, a minta száraz tömegének százalékában kifejezve, megfelel a plaszticitási határnak, wP-nek.
A zsugorodási határ meghatározása
Ábra 3. A zsugorodási határ meghatározása
A talajmintát desztillált vízzel összekeverjük az Folyási határ meghatározása alatt leírt módon, úgy hogy a konzisztenciája megközelítőleg a folyási határon legyen, amikor minden pórus vízzel telített. Ezután golyót formálunk belőle, és először levegőn, majd a szárítószekrényben 105°C-on hagyjuk száradni. A szárítás ilyen fokozatossága azért szükséges, hogy elkerüljük a kiszáradt mintában keletkező repedéseket, amelyek megzavarnák a kísérletet. Rögtön az elején megmérjük a minta W1 tömegét, és meghatározzuk V1 térfogatát higanyba merítéssel végzett kísérlettel, majd tovább szárítjuk levegőn, aztán a szárítószekrényben, időnként mintát véve, exszikkátorban lehűtve és megmérve annak W2, W3, W4 stb. tömegét és V2, V3, V4 stb. térfogatát. Ezzel megállapítható, hogy egy bizonyos nedvességi állapotnál a minta térfogata már nem csökken tovább, noha a tömege a szárítás miatt továbbra is csökken. Ha a minta kezdeti állapotában vízzel telített, azaz pórusaiban nincs levegő, akkor a minta szárítása a zsugorodási határig bekövetkező vízvesztesége megközelítőleg megegyezik a minta térfogatcsökkenésével. Ezt követően a szárítást a térfogat mérése nélkül folytatjuk mindaddig, amíg a minta teljesen ki nem szárad, azaz amíg a tömege állandóvá nem válik. Ekkor minden térfogat- és tömegmérésnél meghatározzuk a víztartalmat a minta száraz tömegének százalékában, és a kísérlet eredményeit felvisszük a diagramra (l. 3). Így megkapjuk az A, B, C, D és E pontokat, amelyeket összekötünk, és általában egy éles törésű görbét kapunk a zsugorodási határ tartományában. A töréspontban, S-ben, a W_S zsugorodási határnak megfelelő w nedvességtartalom adódik.
A kapillaritás meghatározása
A víz kapilláris emelkedési magasságának meghatározási próbáját kétféleképpen végzik, mégpedig a víz kapilláris emelkedési magasságának közvetlen mérésével és kapilláriméterrel végzett közvetett méréssel.
Kapilláris magasság meghatározásának kísérlete közvetlen méréssel
A zavart mintából körülbelül 300 pondi talajt vesznek, amelyet 105°C szárítanak, majd lehűlés után egészen finom porrá őrölnek, a szemcsék összezúzása nélkül. A nyert port egy 25 mm átmérőjű, 1,5 - 2,5 m hosszú, mindkét végén nyitott üvegcsőbe öntjük, amelynek alsó végét előzőleg üveggyapottal vagy egy darab vászonnal zárjuk le. A nyitott felső végbe a kiszárított port körülbelül 10 cm magasságig öntjük, majd a csövet felemeljük és ütve ejtjük egy fa padlóra vagy más rugalmas alátétre addig, amíg a por ülepedése meg nem mutatkozik a csőben. A por ülepedését a csövön zsíros krétával húzott vonalakkal ellenőrizzük. Ezután további 10 cm port öntünk bele, és ugyanezt az eljárást ismételjük, amíg a csövet a talajminta tömör, száraz porával meg nem töltjük, amelynek kapillaritását vizsgáljuk. Ezután a cső alját állóvízzel töltött üvegedénybe merítjük, úgy, hogy a cső alsó vége ne feküdjön az edény fenekén (4 ábra). Az üvegcsövet egy léccel rögzítjük a skálához úgy, hogy a cső és a skála is függőleges legyen. Ezután figyeljük a víz emelkedését a csőben, amely a színe alapján jól felismerhető: a száraz minta világos színű, a nedves sötét. A víz szintje az edényben és a nedves minta felső széle közötti távolság adja a kapilláris emelkedés hk magasságát.
Ábr. 4. A víz kapilláris emelkedési magasságának meghatározása közvetlen méréssel
A megfigyelést általában 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 stb. óra elteltével végzik. A megfigyelés eredményeit diagramra viszik fel, amelynek abszcisszái az órákban megadott időt, ordinátái pedig a víz kapilláris emelkedésének milliméterben megadott magasságát jelentik (ábr. 5).
Homokos anyag esetén a kapilláris emelkedés kezdetben hirtelen, majd lassabb, és a végső emelkedési magasság gyorsan elérhető. Agyagos anyag esetén a kapilláris emelkedés kezdetben lassabb, de tartósabb, és lényegesen nagyobb magasságot ér el.
A kapilláris magasság meghatározásának ez a módja időigényes, különösen agyagos talaj esetén. Ezenkívül a kapilláris felszivárgás magassága függ a levegő hőmérsékletétől, valamint annak páratartalmától is, ezért ezeket a tényezőket lehetőség szerint állandó értéken kell tartani.
Ábra 5. A talajban fellépő kapilláris vízemelkedés diagramja, a-homok; b-por; c-agyagos talaj
A kapilláris magasság meghatározásának vizsgálata kapilláriméterrel
Többféle különböző kialakítású kapilláriméter létezik, mint például a Beskow-, Jürgenson- és Engelhardt-féle kapilláriméterek. Itt a leggyakrabban alkalmazott Beskow-kapilláriméter működési elvét ismertetjük.
Ez a vizsgálat zavartalan vagy zavart mintákon történik. Ha a minta zavart, akkor a folyási határ állapotában helyezik a készülékbe.
Ábra 6. Beskow kapillárimétere
A Beskow-kapillariméter két edényből áll (á. 6), amelyek alsó részeikben egymással erősített gumicső segítségével vannak összekötve. A 1 edénybe a talajmintát a szűrőfenékre helyezik, alatta pedig egy edény található, amely részben desztillált vízzel, részben higannyal van feltöltve, az alsó részben úgy, hogy az kitöltse az egész gumicsövet és a 2 edény alsó részét is. A kísérlet elején a higanyszint mindkét edényben azonos. Ezután a 2 edényt lefelé süllyesztik, aminek következtében a 1 edény szűrőfeneke alatt túlnyomás keletkezik. Amikor ez a túlnyomás nagyobb lesz, mint a mintában ható kapilláris erők, a levegő áthatol a mintán a szűrőfenékig, és ezt követően a higanyszint a két edényben a 2 edény leengedésével azonnal kiegyenlítődik. A Hg különbség az egyik és a másik edény higanyszintje között abban a pillanatban, amikor a túlnyomás és a kapilláris erők kiegyenlítődnek, vagyis közvetlenül azelőtt, hogy a levegő áthatolni kezdett volna a mintán, vízoszlopmagasságra átszámítva és a minta alatti h vízoszlopmagassággal megnövelve adja a hk kapilláris magasságot. Mivel a higany 13,6-szor nehezebb, mint a víz, ezért a kapilláris emelkedés hk magassága:
hk = 13,6 Hg + h
A talaj áteresztőképességének meghatározása
A talaj áteresztőképességének laboratóriumi vizsgálatát különleges készülékekkel végzik, amelyeket permeamétereknek neveznek. A permeamétereknek különböző kialakításai vannak, de két csoportba sorolhatók: állandó víznyomású permeaméterek, a durvább szemcséjű talajokhoz, és csökkenő víznyomású permeaméterek, a finomszemcsés talajokhoz. Mindkét esetben a vizsgálat zavartalan mintákkal történik.
Laboratóriumi vizsgálattal határozzák meg a talaj áteresztőképességi tényezőjét, amelynek értékét egy meghatározott hőmérsékleten fejezik ki, mivel a víz viszkozitása különböző hőmérsékleteken eltérő, ez pedig befolyásolja az k áteresztőképességi tényező értékét. Leggyakrabban az k tényezőt t =10°C hőmérsékleten adják meg. Ennek megfelelően, ha 10°C, akkor az k tényező meghatározásakor a víz hőmérséklete, T, eltért az t = 10°C értéktől, ezért az értékét a következő képlet szerint számítják át:
k10oC = ηt /η10oC * kT
ahol ηt és η10oC a víz viszkozitása az üzemi T hőmérsékleten, illetve a választott t =10°C hőmérsékleten.
kT a talaj áteresztőképességi együtthatójának a munkahőmérsékleten, T-n kapott értéke.
A különböző T hőmérsékletekre vonatkozó viszkozitási értékeket a 1 táblázat tartalmazza.
Állandó víznyomásos kísérlet
Sl. 7. Párállandó nyomású permeaméter
Ehhez a vizsgálathoz zavartalan talajmintát veszünk egy D átmérőjű, h magasságú, alul kihegyezett élű fémből készült hengerbe, a talajba vagy egy nagyobb zavartalan mintába való benyomással. Miután a minta felső és alsó felületét a henger széleivel egy síkba hozzuk, a hengert tartalmazó mintát a készülékbe helyezzük (7) a felső és alsó szűrő közé. Az alsó szűrő sűrű szitából és szűrőkőből áll, hogy lehetővé tegye a víz átáramlását a mintán, és megakadályozza a talajrészecskék kimosódását. A felső szűrő szita nélküli, mivel itt kisebb a részecskekimosódás veszélye. A vizet a mintába az N szintről vezetjük be, amelyet túlfolyóval állandó szinten tartanak, így a hidrosztatikus nyomás H állandó. E nyomás alatt a víz áthalad a h vastagságú mintán, és a készülék felső részébe bekötött csövön keresztül eljut az M üvegmérőedénybe, ahol csepeg.
Amint a víz áramlani kezd a mintán keresztül a mérőhengerbe, elindítjuk a stopperórát, és figyeljük a q vízmennyiséget, amely t idő alatt jut be a mérőhengerbe. Darcy törvénye szerint ez
q = k*A*t*i
ahol k az áteresztőképességi együttható cm/sec-ben, A a minta keresztmetszeti területe, i a hidraulikus esés, i = H/h.
A fenti egyenletből k= qh/Ath [cm/sec].
A mintán áthaladó vízmennyiséget a megfigyelés kezdetétől a végéig meghatározott időközönként leolvassuk, így megkapjuk a mintán áthaladt víz részletezett és összes mennyiségét is.
A mintában és a vízben lévő légbuborékok kizárása érdekében, amelyek a kísérlet hibás eredményeihez vezethetnek, a vizsgálat előtt a mintának telített állapotban kell lennie, és a vizsgálat végzéséhez forralt vagy legalább állott vizet kell használni.
A fent leírt, a H vízszintkülönbségből adódó hidrostatikus nyomáson alapuló készülék helyett léteznek olyan készülékek is, amelyekben a hidrostatikus nyomást 10 és 15 kp/cm2 közötti légnyomás hozza létre, és kompresszor tartja állandó értéken.