Ákvörðun Atterberg-marka
Við munum lýsa prófunum til ákvörðunar flæðimarka, mýktarmarka og rýrnunarmarka, sem eru mikilvægust í jarðtækni. Allar þessar prófanir eru framkvæmdar á trufluðum sýnum af bindijarðvegi.
Tilraun til ákvörðunar á flæðimörkum
Fyrir þessa prófun er tekið um það bil 200 p af jarðvegi í náttúrulega röku ástandi, án korna með þvermál yfir 0,5 mm, sem gætu raskað nákvæmni niðurstaðna prófunarinnar. Sýninu má ekki þurrka í þurrkskáp heldur er það sett beint í postulínsskál með eimuðu vatni, þar sem það skal standa í nokkrar klukkustundir þar til það er vel gegnumvætt. Fyrir leirjarðveg með mýktarstuðul IP < 20 tekur gegnumvökvunin um það bil 4 klukkustund, fyrir leir IP > 20 til 18 klukkustundir. Síðan er gegnumvætta sýnið hellt á glerplötu og vandlega hrært saman með rannsóknarhníf, þannig að fáist þykkur grautur með jafnri samsetningu. Ef vart verður við agnir stærri en 0,5 mm, eru þær fjarlægðar við blöndun.
Sýnið sem þannig er undirbúið er sett í messing-skál Casagrande-tækisins til ákvörðunar flæðimarka (mynd 1), sem í okkar rannsóknarstofum er nefnt Casagrande-treskalica.
Mynd 1. Cassagrande-útbúnaður til ákvörðunar á flæðimarki
Tækið samanstendur af messing-skál, sem er tengd við tækið með sérstökum tengi, teygjanlegum undirstelli úr hörðu gúmmíi með öxli í efri hlutanum og sveif til að snúa, þar sem öxlin lyftist upp í hæð 1 cm, sem veldur því að skálin fellur og slær í undirstellið (mynd 1a). Mál tækisins eru stöðluð. Auk þess er einnig til lagaður hnífur með nákvæmlega ákveðnum málum (mynd 1b).
Upptekna sýninu í koparskálinni er jafnað með hníf þannig að yfirborð sýnisins verði alveg slétt og sýnið þeki aðeins meira en helming framhluta skálarinnar, þannig að hæð þess yfir lægsta punkti botns skálarinnar sé um það bil 12 mm. Síðan er skálin sett í tækið og með sniðnum hníf skorin rás í miðjunni þannig að hún sé alveg bein og koparbotn skálarinnar sjáist, sem næst með því að draga hnífinn varlega hornrétt á botn skálarinnar. Lengd rásarinnar á að vera um það bil 40 mm. Strax á eftir er sveif tækisins snúið með hraðanum 2 snúninga á sekúndu, þar sem högg skálarinnar í undirstöðuna eru talin og fylgst með rásinni, sem þrengist vegna högganna á skálina í undirstöðuna, þar sem skornu hlutarnir í sýninu hreyfast og vilja sameinast. Snúningur sveifar tækisins heldur áfram þar til rásin sameinast á lengdinni 10 mm. Þegar því er náð er hætt að snúa sveifinni áfram og strax á eftir er sýnið tekið út með hníf, í magni um það bil 2 cm3, úr hlutanum umhverfis sameinaða rásina beggja vegna, sett í úrglös og rakainnihald jarðvegsins ákvarðað.
Þetta próf er endurtekið 3-4 sinnum á sama hátt, en í hvert sinn með annarri rakaþéttni sem næst þannig að sýnið er fyrst hrært með minni vatnsmagni og síðan er vatni bætt við fyrir hin prófin. Eftir hvert lokið próf er sýninu hellt á glerplötu, þar sem bætt er við nokkru vatni og vel blandað, til að fá jafna, í hvert sinn örlítið þynnri, grautkennda massa.
Til að framkvæma tilraunina má blandaða grautarblöndu hvorki vera of þykka né of þunna, þar sem ástand jarðvegsseigju sem er of langt frá flæðimarkinu gefur ekki nauðsynlega nákvæmni fyrir þessa tilraun. Almennt er miðað við að ef höggafjöldinn er minni en 10 eða meiri en 50, hafi tilraunin mistekist, en talið er að nákvæmnin sé betri ef bilið milli þessara marka er 10-40 högg.
Tekið er fram að samkvæmt einni aðferð er, í hvert sinn eftir að sveifinni hefur verið snúið þar til skorpan sameinast á lengdinni 1 cm, sýnið í messingaskálinni strax blandað með hnífi og yfirborð sýnisins í skálinni jafnað á ný, ný skora skorin og síðan er sveif tækisins snúið. Þetta ferli er endurtekið þar til sama fjölda högga er fengið þrisvar í röð við samruna skorunnar á lengdinni 1 cm, og þessi fjöldi er tekinn til frekari meðferðar við ákvörðun flæðimarka. Niðurstöður prófunarinnar eru settar inn á díagram í hálflogaritmískri skölun (mynd 2). Á x-ásinn er settur fjöldi högga í logaritmískri skölun en á y-ásinn vatnsmagnið í prósentum af þurrþyngd sýnisins í reikniskölun. Þar sem vatnsmagnið w er mismunandi í hverri tilraun fáum við punkta A, B, C og D sem samsvara mismunandi fjölda högga, þar sem fjöldi högga er minni eftir því sem vatnsmagnið er meira og öfugt. Með því að tengja þessa punkta fáum við hallandi beina línu, þar sem við leitum að punkti M fyrir 25 högga. Vatnsmagnið sem samsvarar þessum punkti er tekið sem flæðimark wL.
Sl. 2. Ákvörðun flæðimarks
Ákvörðun plastmörkunar
Jarðvegssýni, útbúið á þann hátt sem lýst er hér að ofan, en með minna vatni, þannig að það sé plastmassi í nærri seigplastísku ástandi, er hnoðað í kúlu um það bil 2-3 cm3, og síðan rúllað með lófanum á undirlagi úr venjulegum eða uppsogandi pappír í sívalning með þvermálinu 3 mm. Ef sýnið er rúllað niður í þá þykkt án þess að brotna, er það aftur hnoðað í kúlu og rúllað á sama hátt. Þessu ferli er haldið áfram þar til sívalningurinn fer að brotna við þykktina 3 mm. Þá eru brotnu sívalningarnir settir í úrglös og vatnsmagnið ákvarðað. Þetta vatnsmagn, gefið upp sem hundraðshluti af þurrþyngd sýnisins, samsvarar plastmörkunum wP.
Ákvörðun rýrnunarmarka
Mynd 3. Ákvörðun á rýrnunarmörkum
Jarðvegssýni er blandað með eimuðu vatni á þann hátt sem lýst er undir Opit određivanja granice tečenja, þannig að samkvæmni þess sé nálægt flæðimörkum, þegar allar holur eru mettaðar vatni. Síðan er mótaður kúluformaður sýnisbútur sem látið er þorna fyrst í lofti, síðan í þurrkskáp við 105°C. Þessi stigskipta þurrkun er nauðsynleg til að forðast sprungur í þurrkaða sýninu, sem gætu raskað prófinu. Strax í upphafi er vegið W1 sýnið og rúmmál þess V1 ákvarðað með sökkingarprófi í kvikasilfri, síðan er það áfram þurrkað í lofti og síðan í þurrkskáp, með reglulegri töku sýnis, kælingu í þurrkara og mælingu á þyngd þess W2, W3, W4 o.s.frv. og rúmmáli V2, V3, V4 o.s.frv. Á þennan hátt verður ákvarðað að við eitt ákveðið rakastig hættir rúmmál sýnisins að minnka þótt þyngd þess haldi áfram að lækka vegna þurrkunar. Ef sýnið er í upphafsástandi sínu mettað vatni, þ.e. inniheldur engan loft í holunum, samsvarar vatnstapið við þurrkun sýnisins að skriðmörkum nokkurn veginn minnkun rúmmáls sýnisins. Eftir það er þurrkun haldið áfram án rúmmálsmælinga, þar til sýnið hefur þornað að fullu, þ.e. þar til þyngdin verður stöðug. Þá er vatnsmagn sem hlutfall af þurrþyngd sýnisins ákvarðað fyrir hverja mælingu á rúmmáli og þyngd sýnisins, og niðurstöður prófsins eru settar fram á línurit (sl. 3). Á þennan hátt fást punktarnir A, B, C, D og E, sem eru tengdir saman þannig að venjulega fæst lína með skörpum broti á svæðinu við skriðmörkin. Í brotpunktinum S fæst rakinn w sem svarar til skriðmarkanna W_S.
Ákvörðun hárpípuvirkni
Tilraun til að ákvarða hæð hárpípunaruppgöngu vatns er framkvæmd á tvo vegu, annars vegar með beinni mælingu á hæð hárpípunaruppgöngu vatns og hins vegar með óbeinni mælingu með hárpípumæli.
Tilraun til ákvörðunar á háræðahæð með beinni mælingu
Úr trufluðu sýni eru tekin um það bil 300 pondi af jarðvegi, sem er þurrkað við 105°C, síðan er það eftir kælingu malað í mjög fínt duft, án þess að kornin séu mulið. Fengið duft er hellt í glerpípu með þvermál ø 25 mm, lengd 1,5 - 2,5 m, opinni í báðum endum, þar sem neðri endinn er áður lokaður með glerull eða klútstykki. Í opna efri endann hellum við þurrkaða duftinu upp í um það bil 10 cm, síðan lyftum við pípunni og látum hana falla með höggi á viðargólf eða annan teygjanlegan undirstaða þar til þjöppun duftsins í pípunni sést. Við fylgjumst með þjöppun duftsins með því að merkja línur á pípuna með feitu krítinni. Eftir það hellum við inn frekari 10 cm af dufti og endurtökum sömu aðferð þar til pípan er fyllt með þjöppuðu þurru dufti úr jarðvegssýninu sem við erum að rannsaka hvað háræðareiginleika varðar. Síðan dýfum við botni pípunnar í glerílát með eimuðu vatni án straums, þannig að neðri endi pípunnar má ekki hvíla á botni ílátsins (sl. 4). Glerpípuna festum við með spýtulist við kvarða, þannig að bæði pípa og kvarði séu lóðrétt. Eftir það fylgjumst við með hækkun vatns í pípunni, sem greinilega sést á litnum: þurrt sýni er ljós á lit, blautt dökkt. Fjarlægðin milli vatnsborðsins í ílátinu og efri brúnar raka sýnisins táknar hæð háræðarhækkunar hk.
Mynd 4. Að ákvarða hæð hárpípuuppgöngu vatns með beinni mælingu
Athugunin fer að jafnaði fram eftir 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 o.s.frv. klukkustunda. Niðurstöður athugunarinnar eru færðar á línurit, þar sem x-ásinn sýnir tíma í klukkustundum og y-ásinn hæð hárpípuhækkunar vatns í mm (mynd 5).
Í sandkenndu efni er hárpípunniðurstreymið í upphafi snöggt, síðan hægara og endanleg hæð hækkunarinnar næst fljótt. Í leirkenndu efni er hárpípunniðurstreymið í upphafi hægara, en varir lengur og nær mun meiri hæð.
Þessi aðferð til að ákvarða háræðahæð er tímafrek, sérstaklega í leirkenndum jarðvegi. Auk þess ræðst hæð háræðarennslis af lofthita og raka loftsins, þess vegna þarf að halda þessum þáttum eins stöðugum og kostur er.
Mynd 5. Díagram um háræðahækkun vatns í jarðvegi, a-sandur; b-svif; c-leirkenndur jarðvegur
Rannsókn á ákvörðun háræðahæðar með háræðamæli
Til eru nokkrar gerðir háræsimæla af mismunandi gerð, svo sem háræsimælar Beskow, Jürgenson og Engelhardt. Hér verður lýst vinnureglunni með Beskow-háræsimælinum, sem er mest notaður.
Þetta próf er framkvæmt á óröskuðum eða röskuðum sýnum. Ef sýnið er raskað er það sett í tækið í fljótamarksstöðu.
Mynd 6. Beskov háræðamælirinn
Kapillarímetri Beskows samanstendur af tveimur kerum (mynd 6), sem tengd eru neðst sín á milli með styrktu gúmmíslöngu. Í ker 1 er jarðvegssýni sett á síasbotninn, en fyrir neðan það er ker fyllt að hluta með eimuðu vatni og að hluta með kvikasilfri, sem er í neðri hlutanum þannig að það fyllir bæði alla gúmmíslönguna og neðri hluta kers 2. Í upphafi tilraunarinnar er kvikasilfursborðið í báðum kerum það sama. Síðan er ker 2 lækkað niður, sem myndar undirþrýsting undir síasbotni kers 1. Þegar þessi undirþrýstingur verður meiri en hárpípuöflin í sýninu smýgur loft í gegnum sýnið inn að síasbotninum og kvikasilfursborðið í báðum kerum jafnast þá strax með því að lækka ker 2. Munurinn Hg milli kvikasilfursborðsins í öðru og hinu kerinu á því augnabliki þegar undirþrýstingur og hárpípuöfl jafnast, þ.e. rétt áður en loftið byrjaði að smjúga í gegnum sýnið, umreiknaður í hæð vatnssúlu og aukinn um hæð vatnssúlu h undir sýninu, gefur hárpípuhæðina hk. Þar sem kvikasilfur er 13,6 sinnum þyngra en vatn er hæð hárpípuhækkunarinnar hk:
hk = 13,6 Hg + h
Ákvörðun gegndræpis jarðvegs
Rannsóknarstofupróf til ákvörðunar á gegndræpi jarðvegs er framkvæmt með sérstökum tækjum sem kallast permeametrar. Til eru mismunandi gerðir permeametra, sem þó má skipta í tvo flokka: permeametrar með stöðugum vatnsþrýstingi, fyrir grófkornaðri jarðveg, og permeametrar með fallandi vatnsþrýstingi fyrir fínkorna jarðveg. Í báðum tilvikum er prófið framkvæmt á óhreyfðum sýnum.
Rannsókn á rannsóknarstofu ákvarðar gegndræpnisstuðul jarðvegs, en gildi hans er gefið upp við tiltekinn hitastig vegna mismunandi seigju vatns við mismunandi hitastig, sem hefur áhrif á gildi gegndræpnisstuðulsins k. Algengast er að gefa k upp við hitastig t =10°C. Samkvæmt því, ef 10°C, var vatnshitinn við ákvörðun stuðulsins k T annar en t = 10°C, þá er gildi hans reiknað eftir formúlunni:
k10oC = ηt /η10oC * kT
þar sem ηt og η10oC eru seigja vatns við vinnuhitastig T, annars vegar og viðtekið hitastig t =10°C.
kT fengið gildi á gegndræpisstuðli jarðvegs við vinnuhitastigið T.
Gildi seigjunnar fyrir mismunandi hitastig T eru gefin í töflu 1.
Tilraun með stöðugum vatnsþrýstingi
Mynd 7. Permeametri með stöðugum vatnsþrýstingi
Fyrir þessa tilraun er tekið ótruflað jarðvegssýni í málmsívalningi með þvermálið D, hæðina h, með hvassri neðri brún, með því að þrýsta honum í jarðveginn eða inn í stærra ótruflað sýni. Eftir að efri og neðri fletir sýnisins eru jöfnuð við brúnir sívalningsins er sýnið í sívalningnum sett í tækið (mynd 7) milli efri og neðri síu. Neðri sían samanstendur af þéttu sigti og síusteini, til að gera vatnsrennsli gegnum sýnið mögulegt og hindra skolun á jarðvegsögnum. Efri sían er án sigtis þar sem minni hætta er á skolun agna. Vatnsstreymið inn í sýnið er frá stigi N, sem haldið er stöðugu með yfirfalli, þannig að vatnsþrýstingurinn H er stöðugur. Undir þessum þrýstingi fer vatnið í gegnum sýnið með þykktinni h og berst með pípu sem tengd er efri hluta tækisins í glerskrúfu M þar sem það drýpur.
Um leið og vatn fer að renna í gegnum sýnið í mæliglasinu, setjum við skeiðklukkuna í gang og fylgjumst með magni vatns q sem rennur í mæliglasið á tíma t. Samkvæmt lögmáli Darcy er
q = k*A*t*i
þar sem k er gegndræpistuðull í cm/sec, A þverskurðarflatarmál sýnisins, i vatnshalla, i = H/h.
Úr jöfnunni hér að ofan fæst k= qh/Ath [cm/sec].
Vatnsmagnið sem fer í gegnum sýnið lesum við á einstökum tímabilum frá upphafi til loka athugunar, þannig að við höfum bæði einstök og heildarmagn vatns sem hefur farið í gegnum sýnið.
Til að útiloka loftbólur í sýninu og í vatninu, sem geta leitt til rangra niðurstaðna tilraunarinnar, er nauðsynlegt að sýnið sé mettað áður en tilraunin fer fram, og að við framkvæmd tilraunarinnar sé notað soðið eða a.m.k. staðið vatn.
Í stað áður lýsta tækisins sem byggir á vatnsstöðugum þrýstingi vegna mismunar á vatnsborði H eru einnig til tæki þar sem vatnsstöðugi þrýstingurinn er myndaður með loftþrýstingi frá 10 til 15 kp/cm2, haldið stöðugum með hjálp þjöppu.