Аттерберг шектерін анықтау
Топырақ механикасында ең маңызды болып табылатын аққыштық шегін, пластикалық шегін және жиырылу шегін анықтау сынақтарын сипаттаймыз. Осы сынақтардың бәрі бұзылған байланысқан топырақ үлгілерінде жүргізіледі.
Аққыштық шегін анықтау сынағы
Бұл сынақ үшін табиғи ылғалды күйдегі шамамен 200 салмақты топырақ алынады, нәтижелердің дәлдігін бұзатын диаметрі 0,5 mm-ден асатын түйірлері жоқ. Үлгіні кептіргіш шкафта кептіруге болмайды, оны бірден дистилденген суы бар фарфор шыныаяққа салып, жақсылап ылғалданғанша бірнеше сағат қалдыру керек. Пластикалығының индексі IP < 20 болатын саздақ үшін ылғалдандыру шамамен 4 сағатқа созылады, ал IP > 20 болатын саз үшін 18 сағатқа дейін. Одан кейін ылғалданған үлгі шыны тақтаға төгіліп, зертханалық пышақпен жақсылап араластырылады, осылайша құрамы біркелкі қою қоймалжың алынады. Егер 0,5 mm-ден үлкен бөлшектер байқалса, араластыру кезінде олар алынып тасталады.
Осылай дайындалған үлгі сұйықтық шегін анықтауға арналған Касагранде аспабының жез тостағаншасына құйылады (сур. 1), ол біздің зертханаларда Касагранде шайқағышы деп аталады.
Сур. 1. Аққыштық шегін анықтауға арналған Касагранде аспабы
Аспап жез тостағаншадан тұрады, ол арнайы қосылыс арқылы аспапқа жалғанады, жоғарғы бөлігінде эксцентригі бар және бұру тұтқасы орнатылған иілгіш қатты резеңке тұғырдан тұрады; бұл ретте эксцентрик 1 cm биіктікке көтеріледі, соның салдарынан тостағанша түсіп, тұғырға соғылады (сур. 1a). Аспаптың өлшемдері стандартталған. Бұған қоса, нақты белгіленген өлшемдері бар пішінделген пышақ та бар (сур. 1b).
Иленген үлгі жез тостағаншаға пышақпен тегістеледі, сонда үлгінің беті толықтай тегіс болып, үлгі тостағаншаның алдыңғы бөлігінің жартысынан сәл көбірек жерін жабады, ал оның тостағанша түбінің ең төменгі нүктесінен биіктігі шамамен 12 mm болады. Содан кейін тостағанша аспапқа орнатылып, қалыпталған пышақпен ортасынан жүлге кесіледі; ол толық түзу болып, тостағаншаның жез түбі көрінуі тиіс, мұны пышақты тостағанша түбіне перпендикуляр абайлап жүргізу арқылы орындайды. Жүлгенің ұзындығы шамамен 40 mm болуы керек. Одан кейін бірден аспаптың тұтқасы секундына 2 айналым жылдамдықпен бұрылады, бұл кезде тостағаншаның тұғырға соққылары саналып, жүлге бақыланады; тостағаншаның тұғырға соғылуы салдарынан жүлге тарылып, өйткені кесілген үлгі бөліктері қозғалып, қайта қосылуға ұмтылады. Аспап тұтқасын бұру жүлге 10 mm ұзындықта қосылғанға дейін жалғасады. Осыған қол жеткізілген соң тұтқаны одан әрі бұру тоқтатылады да, дереу пышақпен қосылған жүлге маңындағы екі жағынан шамамен 2 cm3 мөлшерінде үлгі алынып, сағат шыныларына салынады және топырақтың ылғалдылығы анықталады.
Бұл сынақ 3-4 рет дәл осылай қайталанады, бірақ әр жолы ылғалдылығы өзгеше болады; бұған үлгіні алдымен аз мөлшердегі сумен араластырып, кейін қалған сынақтар үшін су қосу арқылы қол жеткізіледі. Әрбір аяқталған сынақтан кейін үлгі шыны тақтаға төгіледі, оған аздап су қосылып, біркелкі, әр жолы сәл сұйығырақ ботқа тәрізді масса алынғанша жақсылап араластырылады.
Сынақты орындау үшін дайындалған қойыртпақ тым қою да, тым сұйық та болмауы керек, өйткені топырақ консистенциясының ағу шегінен тым алыс күйлері бұл сынақ үшін қажетті дәлдікті бермейді. Әдетте, соққы саны 10-ден аз немесе 50-ден көп болса, сынақ сәтсіз деп қабылданады, бірақ осы шектердің аралығы 10-40 соққы болғанда, сынақтың дәлдігі жоғарырақ деп есептеледі.
Айта кету керек, бір тәсіл бойынша, әр жолы иінтіректі бұру аяқталғаннан кейін, ені 1 cm болатын жырашықтың түйісуіне дейін, үлгі жез тостағанда дереу пышақпен араластырылады және тостағандағы үлгінің беті қайта тегістеледі, жаңа жырашық кесіледі, содан кейін аспаптың иінтірегі бұрылады. Бұл процесс жырашықтың ені 1 cm болған кезде соғу саны қатарынан үш рет бірдей алынғанша қайталанады, осы сан әрі қарай ағу шегін анықтау кезінде қолданылады. Сынақ нәтижелерін жартылай логарифмдік шкаладағы диаграммаға түсіреміз (сур. 2). Абсцисса осіне соғу саны логарифмдік шкалада, ал ордината осіне су мөлшері үлгінің құрғақ салмағының пайызы ретінде арифметикалық шкалада түсіріледі. Әрбір сынақта су мөлшері w әр түрлі болғандықтан, А, B, C және D нүктелерін аламыз, олар әр түрлі соғу санына сәйкес келеді, мұнда су мөлшері артқан сайын соғу саны азаяды және керісінше. Осы нүктелерді қосу арқылы еңкіш түзу сызық аламыз, онда 25 соғуға сәйкес M нүктесін іздейміз. Осы нүктеге сәйкес су мөлшері ағу шегі wL ретінде қабылданады.
Сур. 2. Аққыштық шегін анықтау
Иілімділік шегін анықтау
Жоғарыда сипатталған тәсілмен әзірленген, бірақ суы азырақ, яғни пластикалық масса шамамен қатаң-пластикалық күйде болатындай топырақ үлгісі 2-3 cm3 шамасындағы түйірге жиылып, содан кейін алақанмен қарапайым немесе сіңіргіш қағаздың үстінде 3 mm қалыңдықтағы жіпше етіп домалатылады. Егер үлгі осы қалыңдыққа дейін үзіліссіз домаланса, онда ол қайтадан түйірге жиылып, дәл солай домалатылады. Бұл процесс жіпше 3 mm қалыңдықта үзіле бастағанша қайталана береді. Содан кейін сынған жіпшелер сағат әйнектеріне салынып, су мөлшері анықталады. Үлгінің құрғақ салмағына шаққандағы пайызбен көрсетілген бұл су мөлшері иілімділік шегіне wP сәйкес келеді.
Шөгу шегін анықтау
Сур. 3. Шөгу шегін анықтау
Топырақ үлгісі Аққыштық шегін анықтау сынағы бөлімінде сипатталған тәсілмен дистилденген сумен араластырылады, сонда оның консистенциясы барлық қуыстар суға қаныққан кезде аққыштық шегіне шамамен сәйкес болады. Содан кейін шарик жасалып, ол алдымен ауада, кейін 105°C температурадағы кептіргіш шкафта кептірілуге қалдырылады. Кептірудің мұндай сатылылығы сынақты бұзуы мүмкін кепкен үлгідегі жарықшақтарды болдырмау үшін қажет. Бастапқыда бірден үлгінің салмағы W1 өлшенеді және оның көлемі V1 сынақ арқылы сынапқа батырып анықталады, содан кейін ол ауада әрі қарай, кейін кептіргіш шкафта кептіріледі, ара-арасында үлгі алынып, эксикаторда салқындатылып, оның салмағы W2, W3, W4 және т.б., сондай-ақ көлемі V2, V3, V4 және т.б. өлшенеді. Осылайша ылғалдылықтың бір күйінде үлгінің көлемі азаюын тоқтататыны, ал оның салмағы кептіру салдарынан әлі де кеми беретіні анықталады. Егер үлгі бастапқы күйінде сумен қаныққан болса, яғни кеуектерінде ауа болмаса, онда үлгіні кептіру кезінде жиналу шегіне дейін су жоғалтуы үлгі көлемінің кемуіне шамамен сәйкес келеді. Одан кейін көлемін өлшемей-ақ кептіру әрі қарай жалғаса береді, үлгі толық кеуіп, яғни салмағы тұрақтанғанға дейін. Сонда үлгінің әрбір көлемі мен салмағын өлшеу үшін су мөлшері құрғақ салмақтың пайызымен анықталады, ал сынақ нәтижелері диаграммаға түсіріледі (сур. 3). Осылайша A, B, C, D және E нүктелері алынып, олар қосылады, нәтижесінде әдетте жиналу шегі аймағында айқын иілуі бар сызық алынады. S иілу нүктесінде жиналу шегіне _W_S сәйкес келетін w ылғалдылығы алынады.
Капиллярлықты анықтау
Судың капиллярлық көтерілу биіктігін анықтау тәжірибесі екі тәсілмен жүргізіледі: судың капиллярлық көтерілу биіктігін тікелей өлшеу және капилляриметр арқылы жанама өлшеу.
Тікелей өлшеу арқылы капиллярлық биіктікті анықтау тәжірибесі
Бұзылған үлгіден шамамен 300 pondi топырақ алынады, ол 105°C дейін кептіріледі, содан кейін салқындағаннан кейін дәндерді ұнтақтамай, өте ұсақ ұнтаққа дейін майдаланады. Алынған ұнтақ диаметрі ø 25 mm, ұзындығы 1,5 - 2,5 m, екі ұшы ашық шыны түтікке құйылады, оның төменгі ұшы алдын ала шыны мақтамен немесе матаның бөлігімен жабылады. Ашық жоғарғы ұшына кепкен ұнтақты шамамен 10 cm биіктікке дейін құямыз, содан кейін түтікті көтеріп, ағаш еденге немесе басқа серпімді тірекке соғып түсіреміз; мұны түтік ішіндегі ұнтақ отыруы байқалғанша қайталаймыз. Ұнтақтың отыруын түтікке майлы бормен сызықтар түсіру арқылы бақылап отырамыз. Одан кейін тағы 10 cm ұнтақ құйып, осы тәсілді үлгі топырағының нығыздалған құрғақ ұнтағы түтікке толғанша қайталаймыз, оның капиллярлығын тексереміз. Содан соң түтіктің түбін тоқтап тұрған дистилденген суы бар шыны ыдысқа батырамыз, бұл ретте түтіктің төменгі ұшы ыдыстың түбінде жатпауы керек (сур. 4). Шыны түтікті тақтайша арқылы шкалаға бекітеміз, сонда түтік те, шкала да тік болады. Одан кейін түтік ішіндегі судың көтерілуін бақылаймыз, ол түсі бойынша анық ажыратылады: құрғақ үлгі ашық түсті, ылғалдысы күңгірт. Ыдыстағы су деңгейі мен ылғалды үлгінің жоғарғы жиегі арасындағы арақашықтық капиллярлық көтерілу биіктігін hk көрсетеді.
Сур. 4. Судың капиллярлық көтерілу биіктігін тікелей өлшеу арқылы анықтау
Бақылау әдетте 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 және т.б. сағаттардан кейін жүргізіледі. Бақылау нәтижелері диаграммаға түсіріледі, оның абсциссалары сағатпен берілген уақытты, ал ординаталары судың капиллярлық көтерілу биіктігін мм-мен көрсетеді (сур. 5).
Құмды материалда капиллярлық көтерілу бастапқыда тез жүреді, кейін баяулайды, ал көтерілу биіктігінің шекті мәніне тез жетеді. Сазды материалда капиллярлық көтерілу бастапқыда баяуырақ, бірақ ұзаққа созылады және едәуір жоғары биіктікке жетеді.
Капилляр биіктігін анықтаудың бұл тәсілі ұзаққа созылады, әсіресе сазды топырақта. Бұған қоса, капиллярлық көтерілу биіктігі ауаның температурасына және оның ылғалдылығына байланысты, сондықтан бұл факторларды мүмкін болғанынша тұрақты ұстау қажет.
Сур. 5. Топырақтағы судың капиллярлық көтерілу диаграммасы, a-құм; b-шаң; c-сазды топырақ
Капилляриметр көмегімен капиллярлық биіктікті анықтау сынағы
Әртүрлі конструкциядағы бірнеше капилляриметр бар, мысалы, Бесков, Юргенсон және Энгельхардт капилляриметрлері. Мұнда ең көп қолданылатын Бесков капилляриметрімен жұмыс істеу принципін сипаттаймыз.
Бұл сынақ бұзылмаған немесе бұзылған үлгілерде жүргізіледі. Егер үлгі бұзылған болса, ол аспапқа аққыштық шегіндегі күйінде енгізіледі.
Sl. 6. Бесковтың капилляриметрі
Бесков капилляриметрі төменгі бөліктерінде арматураланған резеңке шланг арқылы өзара жалғанған екі ыдыстан (сур. 6) тұрады. 1 ыдысына сүзгі түбіне топырақ үлгісі салынады, ал оның астындағы ыдыс ішінара дистилденген сумен, ішінара сынаппен толтырылады, ол төменгі бөлігінде бүкіл резеңке шлангты да және 2 ыдысының төменгі бөлігін де толтыратындай орналасады. Тәжірибенің басында екі ыдыстағы сынап деңгейі бірдей болады. Содан кейін 2 ыдысы төмен түсіріледі, соның нәтижесінде 1 ыдысының сүзгі түбінің астында төмен қысым пайда болады. Бұл төмен қысым үлгідегі капиллярлық күштерден артық болғанда, ауа үлгі арқылы сүзгі түбіне өтеді де, содан кейін бірден 2 ыдысын түсіру арқылы екі ыдыстағы сынап деңгейі теңеседі. Төмен қысым мен капиллярлық күштер теңескен сәттегі бір ыдыс пен екінші ыдыстағы сынап деңгейлерінің арасындағы Hg айырмасы, яғни ауа үлгі арқылы өте бастағанға дейін дәл сәл бұрын, су бағанының биіктігіне қайта есептеліп және үлгінің астындағы h су бағанының биіктігіне ұлғайтылып, капиллярлық биіктік hk-ні береді. Сынап судан 13,6 есе ауыр болғандықтан, капиллярлық көтерілу биіктігі hk:
hk = 13,6 Hg + h
Топырақтың су өткізгіштігін анықтау
Топырақтың өткізгіштігін анықтауға арналған зертханалық сынақ пермеаметрлер деп аталатын арнайы аспаптардың көмегімен жүргізіледі. Пермеаметрлердің әртүрлі конструкциялары бар, алайда оларды екі топқа бөлуге болады: тұрақты су қысымы бар пермеаметрлер — ірі түйіршікті топырақтар үшін және төмендейтін су қысымы бар пермеаметрлер — ұсақ түйіршікті топырақтар үшін. Екі жағдайда да сынақ бұзылмаған үлгілермен жүргізіледі.
Зертханалық сынақ арқылы топырақтың су өткізгіштік коэффициенті анықталады; оның мәні белгілі бір температурада өрнектеледі, өйткені әртүрлі температураларда судың тұтқырлығы әртүрлі болады, бұл су өткізгіштік коэффициенті k-ның мәніне әсер етеді. Көбінесе k коэффициенті t =10°C температурасында беріледі. Демек, егер 10°C, k коэффициентін анықтау кезіндегі судың температурасы T t = 10°C-ден өзгеше болса, онда оның мәні мына формула бойынша қайта есептеледі:
k10oC = ηt /η10oC * kT
мұндағы ηt және η10oC — жұмыс температурасы T кезіндегі, тиісінше қабылданған t =10°C температурасындағы судың тұтқырлығы.
kT жұмыс температурасындағы T топырақ өткізгіштік коэффициентінің алынған мәні.
Түрлі температуралар T үшін тұтқырлық мәндері 1 кестесінде берілген.
Тұрақты су қысымымен сынақ
Сур. 7. Судың тұрақты қысымы бар пермеаметр
Бұл сынақ үшін D диаметрлі, h биіктікті, төменгі жиегі сүйірленген металл цилиндрге бұзылмаған топырақ үлгісі топыраққа немесе ірілеу бұзылмаған үлгіге басып енгізу арқылы алынады. Үлгінің жоғарғы және төменгі беттері цилиндрдің қырларымен тегістелгеннен кейін, цилиндрдегі үлгі аспапқа (сур. 7) жоғарғы және төменгі сүзгінің арасына қойылады. Төменгі сүзгі тығыз тор мен сүзгі тастан тұрады, бұл үлгі арқылы судың өтуіне мүмкіндік беріп, топырақ бөлшектерінің шайылып кетуін болдырмау үшін қажет. Жоғарғы сүзгіде тор болмайды, өйткені бөлшектердің шайылу мүмкіндігі аздау. Үлгіге су N деңгейінен беріледі, ол ағызу арқылы тұрақты ұсталады, сондықтан гидростатикалық қысым H тұрақты болады. Осы қысымның әсерінен су қалыңдығы h үлгі арқылы өтіп, аспаптың жоғарғы бөлігіне қосылған құбыр арқылы шыны мензуркаға M жетеді де, тамшылайды.
Үлгі арқылы су мензуркаға аға бастаған сәтте секундомерді іске қосамыз да, t уақыт ішінде мензуркаға түсетін су мөлшерін q бақылаймыз. Дарси заңына сәйкес,
q = k*A*t*i
мұнда k — cm/sec-тегі өткізгіштік коэффициенті, A — үлгінің қимасының ауданы, i — гидравликалық еңіс, i = H/h.
Жоғарғы теңдеуден k= qh/Ath [cm/sec] екенін аламыз.
Үлгі арқылы өтетін судың мөлшерін бақылаудың басынан аяғына дейінгі жекелеген уақыт аралықтарында оқимыз, сондықтан үлгі арқылы өткен судың жекелеген және жалпы мөлшерлері болады.
Үлгіде және суда болуы мүмкін, тәжірибе нәтижелерінің қате шығуына әкелетін ауа көпіршіктерін болдырмау үшін, тәжірибеге дейін үлгінің қаныққан күйде болуы және тәжірибені орындау үшін қайнатылған немесе кемінде тұнған су қолданылуы қажет.
Жоғарыда сипатталған, су деңгейінің H айырмасынан туындайтын гидростатикалық қысымға негізделген аппараттың орнына, гидростатикалық қысым компрессор арқылы тұрақты ұсталып тұратын, 10-ден 15 kp/cm2-ге дейінгі ауа қысымымен жасалатын аппараттар да бар.