ატერბერგის ზღვარების, კაპილარობისა და ნიადაგის გამტარობის განსაზღვრა

ატერბერგის საზღვრების განსაზღვრა

განვიხილავთ დინების ზღვარის, პლასტიკურობის ზღვარისა და შეკუმშვის ზღვარის განსაზღვრის ცდებს, რომლებიც ნიადაგის მექანიკაში უმთავრესია. ყველა ეს ცდა ტარდება შეკავშირებული ნიადაგის დარღვეულ ნიმუშებზე.

თხიერების ზღვრის განსაზღვრის ცდა

ამ გამოცდისთვის იღებენ დაახლოებით 200 გ ნიადაგს ბუნებრივად ნესტიან მდგომარეობაში, 0,5 mm-ზე მეტი დიამეტრის მარცვლების გარეშე, რომლებიც გამოცდის შედეგების სიზუსტეს დაარღვევდა. ნიმუში არ უნდა გაშრეს საშრობში, არამედ პირდაპირ თავსდება ფაიფურის ჭურჭელში დისტილირებულ წყალთან ერთად, სადაც უნდა დარჩეს რამდენიმე საათი, სანამ კარგად არ გაიჟღინთება. თიხნარისთვის, რომლის პლასტიკურობის ინდექსია IP < 20, გაჟღენთვა გრძელდება დაახლოებით 4 საათს, ხოლო თიხისთვის IP > 20 — 18 საათამდე. შემდეგ გაჟღენთილ ნიმუშს გადააქვთ მინის ფირფიტაზე და ლაბორატორიული დანით კარგად ურევენ, რათა მიიღონ ერთგვაროვანი შემადგენლობის სქელი ფაფა. თუ შეინიშნება 0,5 mm-ზე დიდი ნაწილაკები, ისინი შერევისას მოიშორება.

ასე მომზადებული ნიმუში გადაიტანება კასაგრანდის აპარატის თხელობის ზღვარის განსაზღვრის სპილენძის ჯამში (სურ. 1), რომელსაც ჩვენს ლაბორატორიებში კასაგრანდის შკალასაც უწოდებენ.

სურ. 1. Cassagrandeov აპარატი დენადობის ზღვრის განსაზღვრისთვის

მოწყობილობა შედგება თითბერის ჯამისგან, რომელიც საგანგებო შეერთების საშუალებით ერთდება აპარატში, მყარი რეზინის ელასტიკური საყრდენისგან, ზედა ნაწილში ექსცენტრიკითა და შემობრუნების სახელურით; ამ დროს ექსცენტრიკი აიწევა 1 cm სიმაღლეზე, რის შედეგადაც ჯამი ეცემა და ეჯახება საყრდენს (სურ. 1ა). აპარატის ზომები ნორმირებულია. გარდა ამისა, არსებობს პროფილირებული დანა ზუსტად განსაზღვრული ზომებით (სურ. 1ბ).

შეუპოვნელი ნიმუში სპილენძის ჯამში დანა-პირით გაისწორება ისე, რომ ნიმუშის ზედაპირი სრულიად ბრტყელი იყოს და ნიმუში ჯამის წინა ნაწილის ნახევარზე ოდნავ მეტს ფარავდეს, ხოლო მისი სიმაღლე ჯამის ფსკერის ყველაზე დაბალი წერტილიდან დაახლოებით 12 mm იყოს. შემდეგ ჯამი ჩაისმება აპარატში და პროფილირებული დანით შუაში გაიჭრება ღარი ისე, რომ იგი სრულიად სწორი იყოს და სპილენძის ჯამის ფსკერი ჩანდეს; ეს მიიღწევა დანის ფრთხილი გატარებით ჯამის ფსკერის მართობულად. ღარის სიგრძე დაახლოებით 40 mm უნდა იყოს. ამის შემდეგ მაშინვე ატრიალებენ აპარატის სახელურს 2 ბრუნი წამში სიჩქარით, რა დროსაც ითვლიან ჯამის საყრდენზე დარტყმებს და აკვირდებიან ღარს, რომელიც ჯამის საყრდენზე დარტყმების შედეგად ვიწროვდება, რადგან გაჭრილი ნიმუშის ნაწილები მოძრაობენ და შეერთებას ცდილობენ. სახელურის ტრიალი გრძელდება მანამ, სანამ ღარი არ შეერთდება 10 mm სიგრძეზე. როდესაც ეს მიღწეულია, სახელურის შემდგომ ტრიალს წყვეტენ, შემდეგ კი მაშინვე დანით იღებენ დაახლოებით 2 cm3 ოდენობის ნიმუშს შეერთებული ღარის მიმდებარე უბნიდან ორივე მხრიდან, ათავსებენ საათის მინებზე და განსაზღვრავენ ნიადაგის ტენიანობას.

ეს ცდა მეორდება 3-4-ჯერ იგივე წესით, მაგრამ ყოველ ჯერზე განსხვავებული ტენიანობით, რაც მიიღწევა იმით, რომ ნიმუში თავიდან მცირე რაოდენობის წყალთან ერთად იხსნება, შემდეგ კი წყალს ემატება დანარჩენი ცდებისთვის. ყოველი დასრულებული ცდის შემდეგ ნიმუში გადააქვთ შუშის ფირფიტაზე, სადაც ემატება ცოტა წყალი და კარგად აირევა, რათა მიიღოს ერთგვაროვანი, ყოველ ჯერზე ოდნავ უფრო თხელი, ფაფისმაგვარი მასა.

ცდის ჩასატარებლად მომზადებული მასა არ უნდა იყოს ზედმეტად სქელი და არც ზედმეტად თხელი, რადგან ნიადაგის კონსისტენციის მდგომარეობები, რომლებიც ძალიან შორსაა თხიერების ზღვრისგან, ამ ცდისთვის საჭირო სიზუსტეს არ იძლევა. ჩვეულებრივ მიღებულია, რომ თუ დარტყმების რაოდენობა ნაკლებია 10-ზე ან მეტი 50-ზე, ცდა წარუმატებელია, მაგრამ მიიჩნევა, რომ ცდის სიზუსტე უკეთესია, თუ ამ ზღვართა შუალედი 10-40 დარტყმაა.

აღინიშნება, რომ ერთი მეთოდის მიხედვით, ყოველ ჯერზე სახელურის მობრუნების დასრულების შემდეგ, ღარის შეერთებამდე 1 cm სიგრძეზე, ნიმუში ბრინჯაოს ჯამში დაუყოვნებლივ ერევა დანით და კვლავასწორდება ნიმუშის ზედაპირი ჯამში, იჭრება ახალი ღარი, შემდეგ კი ტრიალდება აპარატის სახელური. ეს პროცედურა მეორდება მანამ, სანამ არ მიიღება სამჯერ ზედიზედ ერთიდაიგივე რაოდენობის დარტყმა 1 cm სიგრძეზე ღარის შეერთებისას, და ეს რაოდენობა მიიღება ლიკვიდობის ზღვრის შემდგომი განსაზღვრისთვის. ცდის შედეგები გადაგვაქვს დიაგრამაზე ნახევროლოგარითმულ შკალაზე (სურ. 2). აბსცისის ღერძზე გადაგვაქვს დარტყმების რაოდენობა ლოგარითმულ შკალაზე, ხოლო ორდინატების ღერძზე - წყლის რაოდენობა ნიმუშის მშრალი წონის პროცენტებში არითმეტიკულ შკალაზე. რადგან თითოეულ ცდაში წყლის რაოდენობა w განსხვავებულია, მივიღებთ A, B, C და D წერტილებს, რომლებიც შეესაბამება დარტყმების სხვადასხვა რაოდენობას, სადაც დარტყმების რაოდენობა მით უფრო მცირეა, რაც წყლის რაოდენობა უფრო დიდია და პირიქით. ამ წერტილების შეერთებით ვიღებთ დახრილ სწორ ხაზს, რომელზეც ვეძებთ წერტილს M 25 დარტყმისთვის. ამ წერტილს შესაბამისი წყლის რაოდენობა მიიღება როგორც ლიკვიდობის ზღვარი wL.

სურ. 2. დადნობის ზღვრის განსაზღვრა

პლასტიურობის ზღვრის განსაზღვრა

ნიადაგის ნიმუში, ზემოთ აღწერილი წესით მომზადებული, მაგრამ ნაკლები წყლით, ისე რომ იყოს პლასტიკური მასა დაახლოებით მტკიცე-პლასტიკურ მდგომარეობაში, თავს იყრის ბურთულად დაახლოებით 2-3 cm3, შემდეგ ხელისგულით აბრტყელებენ ჩვეულებრივ ან შემწოვ ქაღალდზე და ამზადებენ 3 mm სისქის რგოლად. თუ ნიმუში ამ სისქემდე ტრიალდება გაუტეხავად, მაშინ ისევ ბურთულად თავს იყრის და იმავე წესით ტრიალდება. ეს პროცესი მეორდება მანამ, სანამ მიღებული არ იქნება, რომ 3 mm სისქისას რგოლი იწყებს გატეხვას. შემდეგ გატეხილი რგოლები თავსდება საათის მინებზე და განისაზღვრება წყლის რაოდენობა. ეს წყლის რაოდენობა, ნიმუშის მშრალი წონის პროცენტებში გამოსახული, შეესაბამება პლასტიურობის ზღვარს wP.

შეკუმშვის ზღვრის განსაზღვრა

ნახ. 3. შეკუმშვის ზღვრის განსაზღვრა

მიწის ნიმუშს ურევენ დისტილირებულ წყალს ისე, როგორც აღწერილია თხიერების ზღვრის განსაზღვრის ცდაში, რათა მისი კონსისტენცია მიახლოებით თხიერების ზღვარზე იყოს, როცა ყველა ფორა წყლით არის გაჯერებული. შემდეგ მზადდება ბურთულა, რომელსაც აშრობენ ჯერ ჰაერზე, შემდეგ საშრობ კარადაში 105°C-ზე. გაშრობის ეს თანმიმდევრობა საჭიროა იმისათვის, რომ თავიდან იქნას აცილებული გამშრალ ნიმუშში ბზარები, რომლებიც ცდას დაარღვევდა. თავიდანვე იზომება ნიმუშის წონა W1 და მისი მოცულობა V1 განისაზღვრება ვერცხლისწყალში ჩაძირვის ცდით; შემდეგ იგი კვლავ შრება ჰაერზე და შემდეგ საშრობ კარადაში, პერიოდულად იღებენ ნიმუშს, აცივებენ ექსიკატორში და ზომავენ მის წონას W2, W3, W4 და ა.შ., ასევე მოცულობას V2, V3, V4 და ა.შ. ამგვარად დადგინდება, რომ ტენიანობის ერთ მდგომარეობაში ნიმუშის მოცულობა აღარ მცირდება, მიუხედავად იმისა, რომ მისი წონა გაშრობის გამო კვლავ კლებულობს. თუ ნიმუში საწყის მდგომარეობაში წყლით არის გაჯერებული, ანუ ფორებში ჰაერს არ შეიცავს, ნიმუშის გაშრობისას წყლის დაკარგვა შეკუმშვის ზღვრამდე დაახლოებით შეესაბამება ნიმუშის მოცულობის შემცირებას. ამის შემდეგ გაშრობა გრძელდება მოცულობის გაზომვის გარეშე, ვიდრე ნიმუში სრულად არ გაშრება, ანუ წონის მუდმივობამდე. შემდეგ განისაზღვრება წყლის რაოდენობა ნიმუშის მშრალი წონის პროცენტებში მოცულობისა და წონის თითოეული გაზომვისთვის, და ცდის შედეგები აისახება დიაგრამაზე (სურ. 3). ამ გზით მიიღება A, B, C, D და E წერტილები, რომლებიც ერთმანეთთან ერთდება ისე, რომ ჩვეულებრივ მიიღება ხაზი მკვეთრი გადატეხით შეკუმშვის ზღვრის არეში. გადატეხვის წერტილში S მიიღება ტენიანობა w, რომელიც შეესაბამება შეკუმშვის ზღვარს _W_S.

კაპილარობის განსაზღვრა

წყლის კაპილარული ამაღლების სიმაღლის განსაზღვრის ცდა ორ ხერხად ტარდება, კერძოდ: წყლის კაპილარული ამაღლების სიმაღლის პირდაპირი გაზომვით და კაპილარიმეტრის საშუალებით არაპირდაპირი გაზომვით.

კაპილარული სიმაღლის განსაზღვრის ცდა პირდაპირი გაზომვით

დარღვეული ნიმუშიდან აიღება დაახლოებით 300 პონდი ნიადაგი, რომელიც შრება 105°C-ზე, შემდეგ გაგრილების შემდეგ იტეხება სრულიად წვრილ ფხვნილად, მარცვლების დამტვრევის გარეშე. მიღებული ფხვნილი იყრება მინის მილში, დიამეტრით ø 25 mm, სიგრძით 1,5 - 2,5 m, ორივე ბოლოში გახსნილი, რომლის ქვედა ბოლო წინასწარ იხურება მინის ბამბით ან ქსოვილის ნაჭრით. ღია ზედა ბოლოში ვყრით გამშრალ ფხვნილს დაახლოებით 10 cm სიმაღლემდე, შემდეგ მილს ვწევთ და ვუშვებთ, რომ დაეცეს დარტყმით ხის იატაკზე ან სხვა ელასტიკურ საყრდენზე მანამ, სანამ მილში ფხვნილის ჩაჯდომა ჩანს. ფხვნილის ჩაჯდომას ვაკონტროლებთ მილზე ცხიმიანი ცარცით ხაზების მონიშვნით. ამის შემდეგ ვყრით კიდევ 10 cm ფხვნილს და ვიმეორებთ იმავე პროცედურას, ვიდრე ნიმუშის ფხვნილი, რომლის კაპილარობასაც ვამოწმებთ, შეკუმშული მშრალი ფხვნილით არ შეივსება მილი. შემდეგ მილის ფსკერს ჩავუშვებთ უძრავი დისტილირებული წყლის მქონე მინის ჭურჭელში ისე, რომ მილის ქვედა ბოლო არ უნდა ეხებოდეს ჭურჭლის ფსკერს (სურ. 4). მინის მილს სკალასთან ერთად სლატზე ვამაგრებთ ისე, რომ მილი და სკალა ვერტიკალური იყოს. ამის შემდეგ ვაკვირდებით მილისში წყლის ამაღლებას, რომელიც ფერით აშკარად გამოირჩევა: მშრალი ნიმუში ღია ფერისაა, ნოტიო მუქი. ჭურჭელში წყლის დონესა და ნოტიო ნიმუშის ზედა კიდეს შორის მანძილი წარმოადგენს კაპილარული ამაღლების სიმაღლეს hk.

სურ. 4. წყლის კაპილარული ამაღლების სიმაღლის განსაზღვრა პირდაპირი გაზომვით

დაკვირვება წესისამებრ ტარდება 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 და ა.შ. საათების შემდეგ. დაკვირვების შედეგები გადაჰყავთ დიაგრამაზე, რომლის აბსცისაზე გამოსახულია დრო საათებში, ხოლო ორდინატაზე — წყლის კაპილარული აწევის სიმაღლეები მმ-ში (სურ. 5).

ქვიშიანი მასალის შემთხვევაში კაპილარული აწევა თავიდან სწრაფია, შემდეგ ნელდება და საბოლოო აწევის სიმაღლე მალე მიიღწევა. თიხოვანი მასალის შემთხვევაში კაპილარული აწევა თავიდან უფრო ნელია, მაგრამ უფრო ხანგრძლივია და გაცილებით დიდ სიმაღლეს აღწევს.

ამ გზით კაპილარული სიმაღლის განსაზღვრა ხანგრძლივია, განსაკუთრებით თიხნარ ნიადაგში. გარდა ამისა, კაპილარული ამაღლების სიმაღლე დამოკიდებულია ჰაერის ტემპერატურაზე და მის ტენიანობაზე, რის გამოც საჭიროა, რომ ეს ფაქტორები მაქსიმალურად მუდმივი იყოს.

ნახ. 5. ნიადაგში წყლის კაპილარული აწევის დიაგრამა, a-ქვიშა; b-მტვერი; c-თიხნარი ნიადაგი

კაპილარიმეტრით კაპილარული სიმაღლის განსაზღვრის ცდა

არსებობს სხვადასხვა კონსტრუქციის რამდენიმე კაპილარიმეტრი, როგორიცაა ბესკოვის, იურგენსონის და ენგელჰარდტის კაპილარიმეტრები. აქ აღვწერთ ბესკოვის კაპილარიმეტრთან მუშაობის პრინციპს, რომელიც ყველაზე ფართოდ გამოიყენება.

ეს გამოცდა ტარდება დაურღვეველ ან დარღვეულ ნიმუშებზე. თუ ნიმუში დარღვეულია, იგი აპარატში შეჰყავთ დენადობის ზღვარზე არსებულ მდგომარეობაში.

ნახ. 6. ბესკოვის კაპილარიმეტრი

ბესკოვის კაპილარიმეტრი შედგება ორი ჭურჭლისგან (ნახ. 6), რომლებიც ქვედა ნაწილებში ერთმანეთთან შეერთებულია არმირებული რეზინის მილით. ჭურჭელში 1 მოთავსებულია ნიადაგის ნიმუში ფილტრიანი ძირით, ხოლო მის ქვემოთ მდებარე ჭურჭელი ნაწილობრივ შევსებულია დისტილირებული წყლით, ნაწილობრივ — ვერცხლისწყლით, რომელიც ქვედა ნაწილში ისეა, რომ ავსებს როგორც მთელ რეზინის მილს, ისე ჭურჭლის 2 ქვედა ნაწილს. ცდის დასაწყისში ვერცხლისწყლის დონე ორივე ჭურჭელში ერთნაირია. შემდეგ ჭურჭელი 2 ქვევით ეშვება, რის შედეგადაც ჭურჭლის 1 ფილტრიანი ძირის ქვეშ წარმოიქმნება წნევის დაქვეითება. როდესაც ეს წნევის დაქვეითება ნიმუშში კაპილარულ ძალებზე მეტი გახდება, ჰაერი ნიმუშის გავლით აღწევს ფილტრიან ძირში და ვერცხლისწყლის დონე ორივე ჭურჭელში მაშინვე უთანაბრდება ჭურჭლის 2 დაწევით. სხვაობა Hg ერთ და მეორე ჭურჭელში ვერცხლისწყლის დონეებს შორის იმ მომენტში, როდესაც წნევის დაქვეითება და კაპილარული ძალები გათანაბრდებიან, ანუ ჰაერის ნიმუშში შეღწევის დაწყებამდე უშუალოდ ადრე, გადაყვანილი წყლის სვეტის სიმაღლეზე და ნიმუშის ქვემოთ არსებული წყლის სვეტის h სიმაღლით გაზრდილი, იძლევა კაპილარულ სიმაღლეს hk. რადგან ვერცხლისწყალი 13,6-ჯერ მძიმეა წყალზე, კაპილარული აწევის სიმაღლე hk არის:

hk = 13,6 Hg + h

ნიადაგის გამტარობის განსაზღვრა

ნიადაგის გამტარობის განსაზღვრის ლაბორატორიული ცდა ტარდება სპეციალური აპარატებით, რომლებსაც პერემამეტრები ეწოდება. არსებობს პერემამეტრების სხვადასხვა კონსტრუქცია, თუმცა ისინი შეიძლება ორ ჯგუფად დაიყოს: წყლის მუდმივი წნევის პერემამეტრები, მსხვილმარცვლოვანი ნიადაგებისთვის და წყლის კლებადი წნევის პერემამეტრები წვრილმარცვლოვანი ნიადაგებისთვის. ორივე შემთხვევაში ცდა ტარდება დაურღვეველი ნიმუშებით.

ლაბორატორიული ცდით განისაზღვრება ნიადაგის ფილტრაციის კოეფიციენტი, რომლის მნიშვნელობაც გამოითქმის გარკვეულ ტემპერატურაზე, წყლის სხვადასხვა ტემპერატურაზე განსხვავებული სიბლანტის გამო, რაც გავლენას ახდენს ფილტრაციის კოეფიციენტის k მნიშვნელობაზე. ყველაზე ხშირად k კოეფიციენტი გამოითქმის ტემპერატურაზე t =10°C. შესაბამისად, თუ 10°C, k კოეფიციენტის განსაზღვრისას წყლის ტემპერატურა T განსხვავებული იყო t = 10°C-ისგან, მაშინ მისი მნიშვნელობა გადაიანგარიშება ფორმულით:

k10oC = ηt /η10oC * kT

სადაც ηt და η10oC არის წყლის სიბლანტე სამუშაო ტემპერატურაზე T, ანუ მიღებულ ტემპერატურაზე t =10°C.

kT — ნიადაგის გამტარობის კოეფიციენტის მიღებული მნიშვნელობა სამუშაო ტემპერატურაზე T.

სიბლანტის მნიშვნელობები სხვადასხვა ტემპერატურისთვის T მოცემულია ცხრილში 1.

სინჯი მუდმივი წყლის წნევით

სურ. 7. წყლის მუდმივი წნევის მქონე პერმეამეტრი

ამ ცდისთვის იღებენ დაურღვეულ ნიადაგის ნიმუშს მეტალის ცილინდრში, დიამეტრით D, სიმაღლით h, მომკვეთილი ქვედა კიდით, ნიადაგში ან უფრო დიდ დაურღვეველ ნიმუშში ჩაზიდვით. მას შემდეგ, რაც ნიმუშის ზედა და ქვედა ზედაპირები ცილინდრის კიდეებთან გასწორდება, ცილინდრში მოთავსებული ნიმუში თავსდება აპარატში (სურ. 7) ზედა და ქვედა ფილტრებს შორის. ქვედა ფილტრი შედგება მკვრივი საცრისა და ფილტრ ქვისგან, რათა უზრუნველყოფილი იყოს წყლის გავლა ნიმუშში და ნიადაგის ნაწილაკების გამორეცხვა თავიდან იქნას აცილებული. ზედა ფილტრი საცრის გარეშეა, რადგან ნაწილაკების გამორეცხვის შესაძლებლობა ნაკლებია. წყლის მიწოდება ნიმუშში ხდება N დონიდან, რომელიც გადმოღვრის საშუალებით მუდმივად ინარჩუნება, ისე რომ ჰიდროსტატიკური წნევა H მუდმივია. ამ წნევის ქვეშ წყალი გადის h სისქის ნიმუშში და აპარატის ზედა ნაწილში ჩართული მილის საშუალებით ხვდება მინის მენზურაში M, სადაც წვეთავს.

როგორც კი წყლის ნაკადი ნიმუშიდან საზომ ცილინდრში დაიწყება, ჩართავთ წამზომს და დავაკვირდებით წყლის რაოდენობას q, რომელიც t დროის განმავლობაში ჩაედინება საზომ ცილინდრში. Darcy-ს კანონის მიხედვით ეს არის

q = k*A*t*i

სადაც k არის გამტარობის კოეფიციენტი სმ/წმ-ში, A — ნიმუშის კვეთის ფართობი, i — ჰიდრავლიკური დაქცევა, i = H/h.

ზემოთ მოცემული განტოლებიდან გვაქვს k= qh/Ath [cm/sec].

ნიმუშში გამავალი წყლის რაოდენობას ვაფიქსირებთ დაკვირვების დასაწყისიდან ბოლომდე ცალკეულ დროის ინტერვალებში, ასე რომ გვაქვს როგორც ცალკეული, ისე ნიმუშში გავლის საერთო რაოდენობა.

ნიმუშში და წყალში არსებული ჰაერის ბუშტუკების გამორიცხვისთვის, რომლებმაც შეიძლება ცდის არასწორ შედეგებამდე მიგვიყვანოს, აუცილებელია, რომ ცდამდე ნიმუში გაჯერებულ მდგომარეობაში იყოს, ხოლო ცდის ჩასატარებლად გამოყენებულ იქნეს ადუღებული ან სულ ცოტა დადგმული წყალი.

ზემოთ აღწერილი, წყლის დონის სხვაობით H გამოწვეულ ჰიდროსტატიკურ წნევაზე დაფუძნებული აპარატის ნაცვლად არსებობს აგრეთვე ისეთი აპარატები, რომლებშიც ჰიდროსტატიკური წნევა წარმოიქმნება 10-დან 15 kp/cm2-მდე ჰაერის წნევით და კომპრესორის საშუალებით მუდმივად ინარჩუნებენ.