Penentuan batas Atterberg
Kami akan menjelaskan percobaan penentuan batas cair, batas plastis, dan batas susut, yang paling penting dalam mekanika tanah. Semua percobaan ini dilakukan pada contoh tanah terganggu dari tanah kohesif.
Percobaan penentuan batas cair
Untuk pengujian ini diambil sekitar 200 g tanah dalam keadaan lembap alami, tanpa butiran berdiameter lebih dari 0,5 mm, yang dapat mengganggu ketelitian hasil pengujian. Sampel tidak boleh dikeringkan dalam oven, melainkan langsung dimasukkan ke dalam cawan porselen berisi air suling, di mana sampel harus dibiarkan selama beberapa jam sampai terbasahi dengan baik. Untuk lempung berlanau dengan indeks plastisitas IP < 20 waktu pembasahan berlangsung sekitar 4 jam, untuk liat IP > 20 sampai 18 jam. Setelah itu, sampel yang telah dibasahi dituangkan ke pelat kaca dan dicampur dengan baik menggunakan pisau laboratorium, sehingga diperoleh bubur kental dengan komposisi yang seragam. Jika terlihat partikel yang lebih besar dari 0,5 mm, partikel tersebut dihilangkan saat pencampuran.
Sampel yang telah disiapkan demikian dituangkan ke dalam mangkuk kuningan alat Casagrande untuk penentuan batas cair (gbr. 1), yang di laboratorium kami disebut pengguncang Casagrande.
Gbr. 1. Aparat Cassagrande untuk penentuan batas luluh
Alat ini terdiri dari mangkuk kuningan, yang melalui sambungan khusus dimasukkan ke dalam alat, alas elastis dari karet keras, dengan eksenter di bagian atas dan tuas pemutar, di mana eksenter terangkat hingga ketinggian 1 cm, sehingga mangkuk jatuh dan membentur alas (gambar 1a). Dimensi alat ini telah dinormalkan. Selain itu, terdapat juga pisau berbentuk khusus dengan dimensi yang telah ditentukan secara tepat (gambar 1b).
Sampel yang dibawa ke dalam mangkuk kuningan diratakan dengan pisau sedemikian rupa sehingga permukaan sampel benar-benar datar, dan sampel menutupi sedikit lebih dari separuh bagian depan mangkuk, dengan tinggi sampel di atas titik terendah dasar mangkuk sekitar 12 mm. Kemudian mangkuk dipasang pada alat dan dengan pisau berprofil dibuat alur di tengah sehingga benar-benar lurus dan dasar kuningan mangkuk terlihat, yang dicapai dengan menarik pisau secara hati-hati tegak lurus terhadap dasar mangkuk. Panjang alur harus sekitar 40 mm. Segera setelah itu tuas alat diputar dengan kecepatan 2 putaran per detik, sambil menghitung benturan mangkuk pada alas dan mengamati alur, yang akibat benturan mangkuk pada alas menyempit, karena bagian sampel yang terbelah bergerak dan cenderung menyatu. Pemutaran tuas alat berlangsung sampai alur menyatu pada panjang 10 mm. Setelah itu pemutaran tuas dihentikan, lalu segera dengan pisau diambil sampel sebanyak sekitar 2 cm3 dari bagian di sekitar alur yang menyatu di kedua sisi, ditempatkan di kaca arloji, dan kadar air tanah ditentukan.
Percobaan ini diulangi 3-4 kali dengan cara yang sama, tetapi setiap kali dengan kadar air yang berbeda, yang dicapai dengan mencampur sampel terlebih dahulu dengan sedikit air, lalu air ditambahkan untuk percobaan berikutnya. Setelah setiap percobaan selesai, sampel dipindahkan ke pelat kaca, lalu ditambahkan sedikit air dan dicampur היטang agar diperoleh massa bubur yang merata, setiap kali sedikit lebih encer.
Untuk pelaksanaan percobaan, pasta yang disiapkan tidak boleh terlalu kental maupun terlalu cair, karena keadaan konsistensi tanah yang terlalu jauh dari batas cair tidak memberikan ketelitian yang diperlukan untuk percobaan ini. Umumnya diterima bahwa jika jumlah pukulan kurang dari 10 atau lebih besar dari 50, percobaan dianggap gagal, tetapi ketelitian percobaan dianggap lebih baik jika rentang batas ini adalah 10-40 pukulan.
Perlu dicatat bahwa menurut salah satu prosedur, setiap kali setelah pemutaran tuas selesai hingga alur menyatu pada panjang 1 cm, sampel dalam mangkuk kuningan segera diaduk dengan pisau dan permukaan sampel dalam mangkuk diratakan kembali, alur baru dipotong, lalu tuas alat diputar. Prosedur ini diulangi sampai diperoleh tiga kali berturut-turut jumlah hentakan yang sama saat alur menyatu pada panjang 1 cm, dan jumlah ini diambil untuk langkah selanjutnya dalam penentuan batas leleh. Hasil pengujian ditampilkan pada diagram dengan skala semilogaritmik (gambar 2). Pada sumbu absis ditandai jumlah hentakan dalam skala logaritmik, sedangkan pada sumbu ordinat jumlah air dalam persentase berat kering sampel dalam skala aritmetika. Karena pada setiap percobaan jumlah air w berbeda, maka akan diperoleh titik A, B, C, dan D, yang sesuai dengan jumlah hentakan yang berbeda, dengan jumlah hentakan lebih kecil bila jumlah air lebih besar dan sebaliknya. Dengan menghubungkan titik-titik ini diperoleh garis lurus miring, pada mana kita mencari titik M untuk 25 hentakan. Jumlah air yang sesuai dengan titik ini diambil sebagai batas leleh wL.
Gbr. 2. Penentuan batas luluh
Penentuan batas plastisitas
Sampel tanah yang disiapkan dengan cara yang dijelaskan di atas, tetapi dengan lebih sedikit air, sehingga menjadi massa plastis dalam keadaan kira-kira plastis liat, digumpalkan menjadi bola sekitar 2-3 cm3, lalu digulung dengan telapak tangan di atas alas kertas biasa atau penyerap menjadi silinder dengan ketebalan 3 mm. Jika sampel dapat digulung sampai ketebalan itu tanpa patah, maka sampel kembali digumpalkan menjadi bola dan digulung dengan cara yang sama. Prosedur ini diulangi terus sampai silinder pada ketebalan 3 mm mulai patah. Kemudian silinder yang patah tersebut dimasukkan ke dalam kaca arloji dan ditentukan jumlah airnya. Jumlah air itu, dinyatakan dalam persentase berat kering sampel, sesuai dengan batas plastisitas wP.
Penentuan batas susut
Gbr. 3. Penentuan batas penyusutan
Sampel tanah dicampur dengan air suling dengan cara yang dijelaskan pada Percobaan penentuan batas cair, sehingga konsistensinya kira-kira berada pada batas cair, ketika semua pori jenuh oleh air. Kemudian dibuat bola kecil yang dibiarkan mengering terlebih dahulu di udara, lalu dalam oven pada 105°C. Urutan pengeringan ini diperlukan agar terhindar dari retakan pada sampel yang telah dikeringkan, yang dapat mengganggu percobaan. Segera pada awalnya diukur berat W1 sampel dan ditentukan volumenya V1 dengan percobaan pencelupan dalam raksa, lalu dikeringkan lebih lanjut di udara, kemudian dalam oven, dengan pengambilan sampel secara berkala, pendinginan dalam eksikator dan pengukuran beratnya W2, W3, W4 dst. serta volumenya V2, V3, V4 dst. Dengan cara ini akan ditentukan bahwa pada suatu kondisi kadar air volume sampel berhenti berkurang meskipun beratnya masih terus menurun akibat pengeringan. Jika sampel pada keadaan awalnya jenuh air, yakni tidak mengandung udara dalam pori-pori, kehilangan air akibat pengeringan sampai batas susut kira-kira sesuai dengan pengurangan volume sampel. Setelah itu pengeringan tetap dilanjutkan tanpa pengukuran volume, sampai sampel benar-benar kering, yakni hingga beratnya konstan. Kemudian ditentukan jumlah air dalam persentase terhadap berat kering sampel untuk setiap pengukuran volume dan berat sampel, lalu hasil percobaan digambarkan pada diagram (gbr. 3). Dengan cara ini diperoleh titik A, B, C, D dan E, yang dihubungkan, sehingga biasanya didapat garis dengan patahan tajam di daerah batas susut. Pada titik patahan S diperoleh kadar air w yang sesuai dengan batas susut _W_S.
Penentuan kapilaritas
Percobaan penentuan tinggi kenaikan kapiler air dilakukan dengan dua cara, yaitu pengukuran langsung tinggi kenaikan kapiler air dan pengukuran tidak langsung menggunakan kapilarimeter.
Percobaan penentuan tinggi kapiler dengan pengukuran langsung
Dari sampel yang terganggu diambil sekitar 300 pondi tanah, yang dikeringkan pada 105°C, kemudian setelah didinginkan dihancurkan menjadi serbuk yang sangat halus, tanpa menghancurkan butiran. Serbuk yang diperoleh dituangkan ke dalam tabung kaca berdiameter ø 25 mm, panjang 1,5 - 2,5 m, terbuka pada kedua ujungnya, yang ujung bawahnya terlebih dahulu ditutup dengan kapas kaca atau sepotong kain. Ke dalam ujung atas yang terbuka dituangkan serbuk kering setinggi sekitar 10 cm, kemudian tabung diangkat dan dijatuhkan dengan benturan ke lantai kayu atau penyangga elastis lainnya sampai terlihat penurunan serbuk di dalam tabung. Pengendalian penurunan serbuk dilakukan dengan menandai garis-garis pada tabung menggunakan kapur berminyak. Sesudah itu dituangkan lagi 10 cm serbuk dan prosedur yang sama diulangi sampai tabung terisi penuh dengan serbuk kering padat dari sampel tanah yang kapilaritasnya akan diuji. Kemudian dasar tabung dicelupkan ke dalam bejana kaca berisi air suling tanpa aliran, dengan syarat ujung bawah tabung tidak boleh menyentuh dasar bejana (gambar 4). Tabung kaca diikat pada mistar skala dengan bilah kayu, sehingga tabung dan skala sama-sama vertikal. Setelah itu diamati naiknya air dalam tabung, yang jelas dikenali dari warna: sampel kering berwarna terang, sampel basah berwarna gelap. Jarak antara permukaan air dalam bejana dan tepi atas sampel basah merupakan tinggi kenaikan kapiler hk.
Gbr. 4. Penentuan tinggi kenaikan kapiler air dengan pengukuran langsung
Pengamatan umumnya dilakukan setelah 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 dan seterusnya jam. Hasil pengamatan dituangkan dalam diagram, yang absisnya menunjukkan waktu dalam jam, sedangkan ordinatnya menunjukkan tinggi kenaikan kapiler air dalam mm (gbr. 5).
Pada material berpasir, kenaikan kapiler pada awalnya cepat, kemudian lebih lambat, dan tinggi akhir kenaikan tercapai dengan cepat. Pada material lempung, kenaikan kapiler pada awalnya lebih lambat, tetapi berlangsung lebih lama dan mencapai tinggi yang jauh lebih besar.
Cara penentuan tinggi kapiler ini memerlukan waktu lama, terutama pada tanah lempung. Selain itu, tinggi kenaikan kapiler bergantung pada suhu udara serta kelembapannya, sehingga faktor-faktor ini perlu dijaga sebisa mungkin tetap.
Gbr. 5. Diagram kenaikan kapiler air di dalam tanah, a-pasir; b-debu; c-tanah lempung
Percobaan penentuan tinggi kapiler dengan menggunakan kapilarimeter
Ada beberapa kapilarimeter dengan berbagai konstruksi, seperti kapilarimeter Beskow, Jürgenson, dan Engelhardt. Di sini akan kami jelaskan prinsip kerja kapilarimeter Beskow, yang paling banyak digunakan.
Pengujian ini dilakukan pada contoh yang tidak terganggu atau terganggu. Jika contoh terganggu, maka dimasukkan ke dalam alat dalam keadaan pada batas luluh.
Gbr. 6. Kapilarimeter Beskowa
Kapilarimeter Beskowa terdiri dari dua bejana (gambar 6), yang dihubungkan pada bagian bawah satu sama lain dengan selang karet berpenguat. Dalam bejana 1 ditempatkan sampel tanah pada dasar filter, sedangkan di bawahnya terdapat bejana yang terisi sebagian dengan air suling dan sebagian dengan raksa, yang pada bagian bawahnya sedemikian rupa sehingga juga mengisi seluruh selang karet dan bagian bawah bejana 2. Pada awal percobaan, tingkat raksa di kedua bejana sama. Kemudian bejana 2 diturunkan ke bawah, sehingga di bawah dasar filter bejana 1 terbentuk tekanan negatif. Ketika tekanan negatif ini menjadi lebih besar daripada gaya kapiler dalam sampel, udara menembus melalui sampel ke dasar filter dan tingkat raksa di kedua bejana segera menjadi sama kembali dengan turunnya bejana 2. Selisih Hg antara tingkat raksa pada satu bejana dan bejana lainnya pada saat penyamaan tekanan negatif dan gaya kapiler, yaitu tepat sebelum udara mulai menembus sampel, yang dikonversi ke tinggi kolom air dan ditambah dengan tinggi kolom air h di bawah sampel, menghasilkan tinggi kapiler hk. Karena raksa 13,6 kali lebih berat daripada air, maka tinggi kenaikan kapiler hk adalah:
hk = 13,6 Hg + h
Penentuan permeabilitas tanah
Uji laboratorium untuk penentuan permeabilitas tanah dilakukan dengan alat khusus yang disebut permeameter. Ada berbagai konstruksi permeameter, yang bagaimanapun dapat dibagi menjadi dua kelompok: permeameter dengan tekanan air konstan, untuk tanah berbutir lebih kasar, dan permeameter dengan tekanan air menurun untuk tanah berbutir halus. Dalam kedua kasus, pengujian dilakukan dengan contoh yang tidak terganggu.
Dengan percobaan laboratorium ditentukan koefisien permeabilitas tanah yang nilainya dinyatakan pada suhu tertentu, karena viskositas air berbeda pada suhu yang berbeda, yang memengaruhi nilai koefisien permeabilitas k. Biasanya koefisien k dinyatakan pada suhu t =10°C. Karena itu, jika 10°C, suhu air pada penentuan koefisien k adalah T yang berbeda dari t = 10°C maka nilainya dihitung kembali dengan rumus:
k10oC = ηt /η10oC * kT
di mana ηt dan η10oC adalah viskositas air pada suhu kerja T, yaitu pada suhu yang diambil t =10°C.
kT nilai koefisien permeabilitas tanah pada temperatur kerja T.
Nilai viskositas untuk berbagai temperatur T diberikan pada tabel 1.
Percobaan dengan tekanan air konstan
Gbr. 7. Permeameter dengan tekanan air konstan
Untuk percobaan ini diambil sampel tanah utuh dalam silinder logam berdiameter D, tinggi h, dengan tepi bawah yang diruncingkan, dengan menekannya ke dalam tanah atau ke dalam sampel utuh yang lebih besar. Setelah permukaan atas dan bawah sampel diratakan dengan tepi silinder, sampel di dalam silinder ditempatkan ke dalam alat (sl. 7) di antara filter atas dan bawah. Filter bawah terdiri dari saringan rapat dan batu filter, agar aliran air melalui sampel dapat terjadi dan pencucian partikel tanah dapat dicegah. Filter atas tidak memakai saringan karena kemungkinan pencucian partikel lebih kecil. Suplai air ke sampel berasal dari tingkat N, yang dipertahankan tetap dengan bantuan pelimpah, sehingga tekanan hidrostatik H tetap. Di bawah tekanan ini air melewati sampel setebal h dan melalui pipa yang terhubung pada bagian atas alat mencapai gelas ukur M tempat air menetes.
Begitu aliran air melalui sampel dalam gelas ukur dimulai, kita jalankan stopwatch dan mengamati jumlah air q yang masuk ke dalam gelas ukur selama waktu t. Menurut hukum Darcy
q = k*A*t*i
di mana k adalah koefisien permeabilitas dalam cm/det, A luas penampang contoh, i penurunan hidraulik, i = H/h.
Dari persamaan di atas diperoleh k= qh/Ath [cm/sec].
Jumlah air yang melewati sampel dibaca pada interval waktu tertentu dari awal hingga akhir pengamatan, sehingga kita memperoleh jumlah air per interval dan jumlah total air yang mengalir melalui sampel.
Untuk menghilangkan gelembung udara dalam sampel dan di dalam air, yang dapat menyebabkan hasil percobaan yang keliru, perlu agar sebelum percobaan sampel berada dalam keadaan jenuh, dan untuk pelaksanaan percobaan digunakan air yang telah direbus atau setidaknya air yang telah didiamkan.
Sebagai pengganti alat yang dijelaskan di atas yang didasarkan pada tekanan hidrostatik akibat perbedaan ketinggian air H, terdapat pula alat-alat di mana tekanan hidrostatik dihasilkan oleh tekanan udara dari 10 sampai 15 kp/cm2, yang dipertahankan konstan dengan bantuan kompresor.