Հողի Ատտերբերգի սահմանների, կապիլյարության և թափանցելիության որոշում

Ատտերբերգի սահմանների որոշումը

Կներկայացնենք հոսման սահմանի, պլաստիկության սահմանի և կծկման սահմանի որոշման փորձերը, որոնք հողերի մեխանիկայում ամենակարևորն են։ Այս բոլոր փորձերն իրականացվում են կապակցված հողի խանգարված նմուշների վրա։

Հոսման սահմանի որոշման փորձը

Այս փորձի համար վերցվում է մոտ 200 գ բնական խոնավ վիճակում գտնվող հող, առանց 0,5 mm տրամագծից մեծ հատիկների, որոնք կարող էին խանգարել փորձի արդյունքների ճշգրտությանը։ Նմուշը չի թույլատրվում չորացնել չորանոցում, այլ անմիջապես դրվում է ճենապակե բաժակի մեջ՝ թորած ջրով, որտեղ պետք է մնա մի քանի ժամ, մինչև լավ ներծծվի։ Պլաստիկության ինդեքսը IP < 20 ունեցող կավավազի համար ներծծումը տևում է մոտ 4 ժամ, իսկ IP > 20 կավի համար՝ մինչև 18 ժամ։ Այնուհետև ներծծված նմուշը տեղափոխվում է ապակյա թիթեղի վրա և լաբորատոր դանակի օգնությամբ լավ խառնվում է, որպեսզի ստացվի խիտ, միատարր բաղադրությամբ շիլա։ Եթե նկատվում են 0,5 mm-ից մեծ մասնիկներ, դրանք խառնման ընթացքում հեռացվում են։

Այսպես պատրաստված նմուշը լցվում է Casagrande-ի հոսունության սահմանը որոշող սարքի փողային գավաթիկի մեջ (նկ. 1), որը մեր լաբորատորիաներում կոչվում է Casagrande-ի թափահարիչ։

Նկ. 1. Կասագրանդեի սարք՝ հոսունության սահմանը որոշելու համար

Սարքը բաղկացած է փողային փոքր ամանից, որը հատուկ միացման միջոցով միացվում է սարքին, կոշտ ռետինից էլաստիկ պատվանդանից՝ վերևի մասում էքսցենտրով և պտտման բռնակով, ընդ որում էքսցենտրն բարձրանում է մինչև 1 cm բարձրության, ինչի հետևանքով ամանը ընկնում և հարվածում է պատվանդանին (նկ. 1a)։ Սարքի չափերը նորմավորված են։ Բացի այդ, կա նաև պրոֆիլավորված դանակ՝ ճշգրիտ սահմանված չափերով (նկ. 1b)։

Բերված նմուշը փողային ամանի մեջ դանակով հարթեցվում է այնպես, որ նմուշի մակերեսը լինի լիովին հարթ, և նմուշը ծածկի ամանի առջևի մասի փոքր-ինչ ավելի քան կեսը՝ այնպես, որ նրա բարձրությունը ամանի հատակի ամենացածր կետից վերև լինի մոտ 12 mm։ Այնուհետև ամանը միացվում է ապարատին, և ձևավորված դանակով միջնամասում բացվում է ակոսը այնպես, որ այն լինի լիովին ուղիղ և երևա ամանի փողային հատակը, ինչը ստացվում է դանակը զգուշորեն ամանի հատակին ուղղահայաց քաշելով։ Ակոսի երկարությունը պետք է լինի մոտ 40 mm։ Անմիջապես հետո ապարատի բռնակը պտտվում է վայրկյանում 2 պտույտ արագությամբ, որի ընթացքում հաշվում են ամանի հարվածները հենակին և դիտում ակոսը, որը ամանի հենակին հարվածների հետևանքով նեղանում է, քանի որ նմուշի կտրված մասերը շարժվում են և ձգտում են միանալ։ Ապարատի բռնակի պտտումը շարունակվում է այնքան ժամանակ, մինչև ակոսը միանա 10 mm երկարությամբ։ Երբ դա ստացվում է, դադարում են բռնակը պտտել, ապա անմիջապես դանակով հանում են մոտ 2 cm3 քանակությամբ նմուշը միացած ակոսի հատվածից՝ երկու կողմից, տեղադրում ժամացույցային ապակիների մեջ և որոշում հողի խոնավությունը։

Այս փորձը կրկնվում է 3-4 անգամ նույն եղանակով, բայց ամեն անգամ՝ տարբեր խոնավությամբ, ինչը ստացվում է, եթե նմուշը նախ խառնվում է ավելի քիչ ջրի հետ, ապա մնացած փորձերի համար ջուրն աստիճանաբար ավելացվում է։ Յուրաքանչյուր ավարտված փորձից հետո նմուշը թափվում է ապակե թիթեղի վրա, որտեղ ավելացվում է մի քիչ ջուր և լավ խառնվում, որպեսզի ստացվի միատարր, ամեն անգամ մի փոքր ավելի նոսր, խմորանման զանգված։

Փորձի անցկացման համար պատրաստված շլամը չպետք է լինի չափազանց խիտ և ոչ էլ չափազանց հեղուկ, քանի որ հողի կոնսիստենցիայի վիճակները, որոնք չափազանց հեռու են հոսման սահմանից, չեն ապահովում անհրաժեշտ ճշտությունը այս փորձի համար։ Սովորաբար ընդունվում է, որ եթե հարվածների թիվը փոքր է քան 10 կամ մեծ է քան 50, փորձը չի հաջողվել, սակայն համարվում է, որ փորձի ճշտությունն ավելի լավ է, եթե այս սահմանների միջակայքը 10-40 հարված է։

Նշվում է, որ ըստ մեկ եղանակի՝ ամեն անգամ լծակի պտտումն ավարտվելուց հետո, մինչև 1 cm երկարությամբ ակոսի միացումը, նմուշը բրոնզե ամանում անմիջապես խառնվում է դանակով, և ամանում նմուշի մակերեսը կրկին հարթեցվում է, բացվում է նոր ակոս, ապա պտտվում է սարքի լծակը։ Այս ընթացակարգը կրկնվում է այնքան ժամանակ, մինչև երեք անգամ անընդմեջ ստացվի նույն հարվածների թիվը 1 cm երկարությամբ ակոսի միացման ժամանակ, և այդ թիվն ընդունվում է հետագա ընթացակարգի համար՝ հոսունության սահմանը որոշելու ժամանակ։ Փորձարկման արդյունքները նշում ենք կիսալոգարիթմական բաժանմամբ դիագրամում (նկ. 2)։ Աբսցիսների առանցքի վրա դրվում է հարվածների թիվը լոգարիթմական բաժանմամբ, իսկ օրդինատների առանցքի վրա՝ ջրի քանակը՝ նմուշի չոր քաշի տոկոսներով՝ թվաբանական բաժանմամբ։ Քանի որ յուրաքանչյուր փորձի դեպքում ջրի քանակը w տարբեր է, ապա կստանանք A, B, C և D կետերը, որոնք համապատասխանում են տարբեր հարվածների թվին, ընդ որում հարվածների թիվն ավելի փոքր է, երբ ջրի քանակը ավելի մեծ է, և հակառակը։ Միացնելով այս կետերը՝ ստանում ենք թեք ուղիղ գիծ, որի վրա որոնում ենք M կետը՝ 25 հարվածների համար։ Այս կետին համապատասխանող ջրի քանակը ընդունվում է որպես հոսունության սահման wL։

Նկ. 2. Հոսունության սահմանագծի որոշում

Պլաստիկության սահմանի որոշում

Վերևում նկարագրված եղանակով պատրաստված, սակայն ավելի քիչ ջուր պարունակող հողի նմուշը, որպեսզի այն լինի պլաստիկ զանգված՝ մոտավորապես կոշտ-պլաստիկ վիճակում, հավաքվում է մոտ 2-3 cm3 գնդիկի մեջ, ապա ձեռքի ափով՝ սովորական կամ ներծծող թղթի վրա, գլորվում է 3 mm հաստությամբ գլանիկի։ Եթե նմուշը այդ հաստությամբ գլորվում է առանց կոտրվելու, ապա այն նորից հավաքվում է գնդիկի մեջ և նույն ձևով գլորվում։ Այս գործընթացը կրկնվում է այնքան ժամանակ, մինչև ստացվի, որ գլանիկը 3 mm հաստության դեպքում սկսի կոտրվել։ Այնուհետև կոտրված գլանիկները դրվում են ժամացույցային ապակիների վրա և որոշվում է ջրի քանակը։ Այդ ջրի քանակը, արտահայտված նմուշի չոր քաշի տոկոսներով, համապատասխանում է պլաստիկության սահմանին wP։

Նեղացման սահմանաչափի որոշումը

Նկ. 3. Կծկման սահմանագծի որոշումը

Հողի նմուշը խառնում են թորած ջրի հետ՝ այնպես, ինչպես նկարագրված է Հոսման սահմանը որոշելու փորձի մեջ, որպեսզի դրա կոնսիստենցիան մոտավորապես լինի հոսման սահմանի վրա, երբ բոլոր ծակոտիները ջրով հագեցած են։ Այնուհետև պատրաստվում է գնդիկ, որը թողնվում է չորանալու նախ օդում, ապա չորանոցում՝ 105°C-ում։ Չորացման այս հաջորդականությունը անհրաժեշտ է, որպեսզի չորացած նմուշում խուսափեն ճաքերից, որոնք կխանգարեն փորձին։ Սկզբում անմիջապես չափվում է նմուշի W1 քաշը և որոշվում է նրա V1 ծավալը՝ սնդիկի մեջ ընկղմմամբ, ապա այն շարունակվում է չորանալ օդում, հետո՝ չորանոցում, պարբերաբար նմուշ վերցնելով, սառեցնելով էքսիկատորում և չափելով նրա W2, W3, W4 և այլն քաշը, ինչպես նաև V2, V3, V4 և այլն ծավալը։ Այդ կերպ կհաստատվի, որ խոնավության մի որոշակի վիճակում նմուշի ծավալը դադարում է նվազել, թեև նրա քաշը չորացման պատճառով շարունակում է նվազել։ Եթե նմուշը իր սկզբնական վիճակում ջրով հագեցած է, այսինքն՝ ծակոտիներում օդ չի պարունակում, ապա նմուշի չորացման ընթացքում մինչև սեղմման սահմանը ջրի կորուստը մոտավորապես համապատասխանում է նմուշի ծավալի նվազմանը։ Դրանից հետո չորացումը շարունակվում է առանց ծավալի չափման, մինչև նմուշը լրիվ չորանա, այսինքն՝ մինչև քաշի կայունությունը։ Այնուհետև յուրաքանչյուր ծավալի և քաշի չափման համար որոշվում է ջրի քանակը՝ նմուշի չոր քաշի տոկոսներով, և փորձի արդյունքները գծագրվում են դիագրամի վրա (նկ. 3): Այդ կերպ ստացվում են A, B, C, D և E կետերը, որոնք միացվում են, այնպես որ սովորաբար ստացվում է սուր ծալքով գիծ սեղմման սահմանի շրջանում։ S ծալքավոր կետում ստացվում է w խոնավությունը, որը համապատասխանում է W_S սեղմման սահմանին։

Կապիլյարության որոշում

Մազանոթային ջրի բարձրացման բարձրությունը որոշելու փորձը կատարվում է երկու եղանակով՝ մազանոթային բարձրացման բարձրության ուղղակի չափմամբ և անուղղակի չափմամբ՝ մազանոթաչափի միջոցով։

Կապիլյար բարձրության որոշման փորձը ուղղակի չափմամբ

Խանգարված նմուշից վերցվում է մոտ 300 պոնդի հող, որը չորացվում է մինչև 105°C-ը, ապա սառչելուց հետո մանրացվում է շատ նուրբ փոշու, առանց հատիկները փշրելու։ Ստացված փոշին լցվում է ապակե խողովակի մեջ՝ ø 25 mm տրամագծով, 1,5 - 2,5 m երկարությամբ, բաց երկու ծայրերից, որի ստորին ծայրը նախապես փակվում է ապակե բամբակով կամ կտորի կտորով։ Բաց վերին ծայրից լցնում ենք չորացված փոշին մոտ 10 cm բարձրությամբ, ապա խողովակը բարձրացնում ենք և թողնում, որ ընկնելով հարվածի փայտե հատակին կամ մեկ այլ առաձգական հենարանի վրա՝ մինչև ցույց կտրվի փոշու նստեցումը խողովակում։ Փոշու նստեցումը վերահսկում ենք խողովակի վրա ճարպային կավճով գծեր նշելով։ Դրանից հետո լցնում ենք ևս 10 cm փոշի և կրկնում նույն ընթացքը, մինչև խողովակը լցվի նմուշի խտացված չոր փոշով, որի մազանոթայնությունը հետազոտում ենք։ Այնուհետև խողովակի հատակը ընկղմում ենք թորած ջրով անշարժ ապակե անոթի մեջ, այնպես որ խողովակի ստորին ծայրը չպետք է հենվի անոթի հատակին (նկ. 4)։ Ապակե խողովակը ձողիկով ամրացնում ենք սանդղակին, այնպես որ և՛ խողովակը, և՛ սանդղակը լինեն ուղղահայաց։ Դրանից հետո դիտում ենք ջրի բարձրացումը խողովակում, որը հստակ ճանաչվում է գույնով՝ չոր նմուշը բաց գույնի է, խոնավը՝ մուգ։ Անոթում ջրի մակարդակի և խոնավ նմուշի վերին եզրի միջև հեռավորությունը ներկայացնում է մազանոթային բարձրացման hk բարձրությունը։

Նկ. 4. Ջրի կապիլյար բարձրացման բարձրության որոշումը ուղիղ չափմամբ

Դիտարկումը սովորաբար կատարվում է 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 և այլն ժամերից հետո։ Դիտարկման արդյունքները գծագրվում են դիագրամի վրա, որի աբսցիսները ներկայացնում են ժամանակը ժամերով, իսկ օրդինատները՝ ջրի մազանոթային բարձրացման բարձրությունները մմ-ով (նկ. 5)։

Ավազոտ նյութի դեպքում մազանոթային բարձրացումը սկզբում կտրուկ է, ապա՝ ավելի դանդաղ, և բարձրացման վերջնական բարձրությունը շուտ է հասնում։ Կավային նյութի դեպքում մազանոթային բարձրացումը սկզբում ավելի դանդաղ է, բայց ավելի երկարատև է և հասնում է զգալիորեն ավելի մեծ բարձրության։

Կապիլյար բարձրության այս որոշման եղանակը ժամանակատար է, հատկապես կավային հողի դեպքում։ Բացի այդ, կապիլյար բարձրացումը կախված է օդի ջերմաստիճանից, ինչպես նաև դրա խոնավությունից, ուստի անհրաժեշտ է, որ այդ գործոնները հնարավորինս պահպանվեն հաստատուն։

Նկ. 5. Հողում ջրի մազանոթային բարձրացման դիագրամ, ա՝ ավազ; բ՝ փոշեհող; գ՝ կավային հող

Կապիլյարաչափի օգնությամբ կապիլյար բարձրության որոշման փորձ

Կան տարբեր կառուցվածքների մի քանի կապիլյարիմետրեր, ինչպիսիք են Բեսքովի, Յուրգենսոնի և Էնգելհարդտի կապիլյարիմետրերը։ Այստեղ կքննարկենք Բեսքովի կապիլյարիմետրի աշխատանքի սկզբունքը, որը ամենից շատ է կիրառվում։

Այս փորձարկումն իրականացվում է անխաթար կամ խաթարված նմուշների վրա։ Եթե նմուշը խաթարված է, ապա այն սարքավորման մեջ տեղադրվում է հոսունության սահմանային վիճակում։

Նկ. 6. Բեսկովի կապիլյարաչափը

Բեսկովի կապիլարիմետրը կազմված է երկու անոթից (նկ. 6), որոնք ստորին մասերում միմյանց միացված են ամրացված ռետինե խողովակով։ Անոթ 1-ում ֆիլտրող հատակին դրվում է հողի նմուշ, իսկ դրա տակ գտնվող անոթը մասամբ լցված է թորած ջրով, մասամբ՝ սնդիկով, որը ստորին մասում այնպես է տեղավորված, որ լցնում է նաև ամբողջ ռետինե խողովակը և անոթ 2-ի ստորին մասը։ Փորձի սկզբում սնդիկի մակարդակը երկու անոթներում էլ նույնն է։ Այնուհետև անոթ 2-ը իջեցվում է ներքև, ինչի հետևանքով անոթ 1-ի ֆիլտրող հատակի տակ առաջանում է ենթաճնշում։ Երբ այդ ենթաճնշումը դառնում է ավելի մեծ, քան նմուշում գործող կապիլյար ուժերը, օդը նմուշի միջով ներթափանցում է ֆիլտրող հատակ, և սնդիկի մակարդակը երկու անոթներում անմիջապես հավասարվում է անոթ 2-ի իջեցման հետևանքով։ Ենթաճնշման և կապիլյար ուժերի հավասարման պահին, այսինքն՝ այն պահին, երբ օդը դեռ նոր սկսում է ներթափանցել նմուշի միջով, մեկ և մյուս անոթներում սնդիկի մակարդակների տարբերությունը Hg, ջրասյան բարձրության վրա վերահաշվարկված և նմուշի տակ գտնվող h ջրասյան բարձրությամբ ավելացված, տալիս է hk կապիլյար բարձրությունը։ Քանի որ սնդիկը 13,6 անգամ ծանր է, քան ջուրը, ապա կապիլյար բարձրացման hk բարձրությունը՝

hk = 13,6 Hg + h

Հողի թափանցելիության որոշում

Հողի թափանցելիության որոշման լաբորատոր փորձը կատարվում է հատուկ սարքերի միջոցով, որոնք կոչվում են պերմեամետրեր։ Պերմեամետրերի տարբեր կառուցվածքներ կան, սակայն դրանք կարելի է բաժանել երկու խմբի՝ կայուն ջրի ճնշմամբ պերմեամետրեր՝ խոշրհատիկ հողերի համար և նվազող ջրի ճնշմամբ պերմեամետրեր՝ մանրահատիկ հողերի համար։ Երկու դեպքում էլ փորձը կատարվում է չխաթարված նմուշներով։

Լաբորատոր փորձով որոշվում է հողի թափանցելիության գործակիցը, որի արժեքը արտահայտվում է որոշակի ջերմաստիճանում, քանի որ ջրի մածուցիկությունը տարբեր ջերմաստիճաններում տարբեր է, ինչը ազդում է թափանցելիության գործակիցի k արժեքի վրա։ Ամենից հաճախ արտահայտվում է k գործակիցը t =10°C ջերմաստիճանում։ Հետևաբար, եթե 10°C, k գործակցի որոշման ժամանակ ջրի ջերմաստիճանը եղել է T, որը տարբերվում է t = 10°C-ից, ապա դրա արժեքը վերահաշվարկվում է հետևյալ բանաձևով՝

k10oC = ηt /η10oC * kT

որտեղ ηt և η10oC -ն աշխատանքային ջերմաստիճանում T գտնվող ջրի մածուցիկությունն է, համապատասխանաբար ընդունված t =10°C ջերմաստիճանում։

kT՝ աշխատանքային ջերմաստիճան T-ում հողի թափանցելիության գործակցի ստացված արժեքը։

Տարբեր ջերմաստիճանների T-ի համար մածուցիկության արժեքները տրված են 1 աղյուսակում։

Ջրի հաստատուն ճնշմամբ փորձը

Նկ. 7. Մշտական ջրային ճնշմամբ permeամետր

Այս փորձարկման համար վերցվում է չխանգարված հողի նմուշը՝ D տրամագծով, h բարձրությամբ մետաղական գլանիկի մեջ, սրած ստորին եզրով, հողի մեջ կամ ավելի մեծ չխանգարված նմուշի մեջ սեղմելով։ Նմուշի վերին և ստորին մակերևույթները գլանիկի եզրերին հավասարեցնելուց հետո նմուշը գլանիկում դրվում է սարքի մեջ (նկ. 7)՝ վերին և ստորին ֆիլտրերի միջև։ Ստորին ֆիլտրը կազմված է խիտ ցանցից և ֆիլտրային քարից, որպեսզի հնարավորություն տրվի ջրի հոսքին նմուշի միջով և կանխվի հողի մասնիկների լվացումը։ Վերին ֆիլտրը առանց ցանցի է, քանի որ մասնիկների լվացման հնարավորությունը ավելի փոքր է։ Ջրի մուտքը նմուշ ապահովվում է N մակարդակից, որը արտահոսքի միջոցով պահվում է հաստատուն, այնպես որ հիդրոստատիկ ճնշումը H հաստատուն է։ Այս ճնշման տակ ջուրը անցնում է h հաստությամբ նմուշի միջով և սարքի վերին մասում միացված խողովակի միջոցով հասնում է ապակե չափասրվակի M, որտեղ կաթում է։

Հենց որ ջուրը նմուշի միջով սկսում է հոսել մենզուրայի մեջ, գործարկում ենք վայրկյանաչափը և դիտարկում ջրի քանակը q, որը t ժամանակում լցվում է մենզուրայի մեջ։ Ըստ Դարսիի օրենքի՝

q = k*A*t*i

որտեղ k՝ թափանցելիության գործակիցն է cm/sec-ով, A՝ նմուշի հատույթի մակերեսը, i՝ հիդրավլիկ անկումը, i = H/h։

Վերոնշյալ հավասարումից ստանում ենք k= qh/Ath [cm/sec].

Նմուշի միջով անցնող ջրի քանակը դիտարկման սկզբից մինչև վերջը հաշվառում ենք առանձին ժամանակային միջակայքներով, այնպես որ ունենում ենք թե՛ առանձին, թե՛ նմուշի միջով անցած ջրի ընդհանուր քանակը։

Նմուշում և ջրում առկա օդային պղպջակները բացառելու համար, որոնք կարող են բերել փորձարկման սխալ արդյունքների, անհրաժեշտ է, որ փորձից առաջ նմուշը լինի հագեցած վիճակում, ինչպես նաև փորձն իրականացնելու համար օգտագործվի եռացրած կամ առնվազն կանգնած ջուր։

Վերևում նկարագրված՝ H ջրի մակարդակի տարբերությունից առաջացող հիդրոստատիկ ճնշման վրա հիմնված ապարատի փոխարեն կան նաև այնպիսի ապարատներ, որոնցում հիդրոստատիկ ճնշումը ստեղծվում է 10 մինչև 15 kp/cm2 օդային ճնշմամբ, որը կոմպրեսորի միջոցով պահվում է հաստատուն։