Atterbergo ribų nustatymas
Aprašysime takumo ribos, plastiškumo ribos ir susitraukimo ribos nustatymo bandymus, kurie yra svarbiausi dirvožemio mechanikoje. Visi šie bandymai atliekami su suardytais rišliojo grunto mėginiais.
Skystumo ribos nustatymo bandymas
Šiam bandymui imama apie 200 p natūraliai drėgno grunto, be grūdų, kurių skersmuo didesnis kaip 0,5 mm, nes jie sutrikdytų bandymo rezultatų tikslumą. Mėginio negalima džiovinti džiovinimo spintoje; jis iš karto dedamas į porcelianinį indelį su distiliuotu vandeniu, kur turi išbūti kelias valandas, kol gerai įmirks. Priemoliui, kurio plastiškumo indeksas IP < 20, įmirkimas trunka apie 4 val., moliui IP > 20 — iki 18 valandų. Tuomet įmirkytas mėginys išpilamas ant stiklo plokštelės ir laboratoriniu peiliu gerai sumaišomas, kad būtų gauta tiršta vienalytės sudėties košė. Jeigu pastebimos didesnės negu 0,5 mm dalelės, jos maišant pašalinamos.
Taip paruoštas mėginys supilamas į žalvarinį Casagrandės aparato puodelį skystumo ribai nustatyti (pav. 1), kuris mūsų laboratorijose vadinamas Casagrandės trankykle.
Pav. 1. Cassagrandeo aparatas takumo ribai nustatyti
Įrenginys susideda iš žalvarinio indelio, kuris specialia jungtimi įstatomas į aparatą, iš elastingo kieto gumos pagrindo su ekscentriku viršutinėje dalyje ir sukimo rankenėle, o ekscentrikas pakeliamas iki 1 cm aukščio, dėl ko indelis nukrenta ir trenkiasi į pagrindą (pav. 1a). Įrenginio matmenys yra normuoti. Be to, yra ir profiliuotas peilis tiksliai nustatytų matmenų (pav. 1b).
Į bronzinį indelį įdėtas mėginys išlyginamas peiliu taip, kad jo paviršius būtų visiškai lygus ir mėginys uždengtų kiek daugiau kaip pusę priekinės indelio dalies, o jo aukštis virš žemiausio indelio dugno taško būtų apie 12 mm. Tada indelis įstatomas į aparatą ir profiliuotu peiliu per vidurį išpjaunama vaga taip, kad ji būtų visiškai tiesi ir matytųsi bronzinis indelio dugnas; tai pasiekiama atsargiai traukiant peilį statmenai indelio dugnui. Vagos ilgis turi būti apie 40 mm. Tuoj pat po to aparato rankenėlė sukama 2 apsisukimų per sekundę greičiu, skaičiuojant indelio smūgius į pagrindą ir stebint vagą, kuri dėl indelio smūgių į pagrindą siaurėja, nes perpjautos mėginio dalys pasislenka ir siekia susijungti. Rankenėlė sukama tol, kol vaga susijungia 10 mm ilgyje. Kai tai pasiekiama, toliau rankenėlė nebesisukama, o tuoj pat peiliu išimamas maždaug 2 cm3 mėginio kiekis iš srities aplink susijungusią vagą iš abiejų pusių, jis dedamas į laikrodinius stiklelius ir nustatomas grunto drėgnis.
Šis bandymas kartojamas 3-4 kartus tuo pačiu būdu, tačiau kiekvieną kartą su kitokiu drėgnumu, kuris pasiekiamas, jei mėginys iš pradžių sumaišomas su mažesniu vandens kiekiu, o vėliau vanduo pridedamas kitiems bandymams. Po kiekvieno atlikto bandymo mėginys perpilamas ant stiklinės plokštės, kur pridedama šiek tiek vandens ir gerai išmaišoma, kad būtų gauta vienoda, kiekvieną kartą šiek tiek skystesnė, košės pavidalo masė.
Bandymui paruošta košė neturi būti nei per tiršta, nei per skysta, nes grunto konsistencijos būsenos, pernelyg nutolusios nuo skystumo ribos, šiam bandymui nesuteikia reikiamo tikslumo. Paprastai laikoma, kad jei smūgių skaičius mažesnis už 10 arba didesnis už 50, bandymas nepavyko, tačiau manoma, kad bandymo tikslumas yra geresnis, jei šių ribų intervalas yra 10-40 smūgių.
Pažymima, kad pagal vieną metodą, kiekvieną kartą baigus svertelės pasukimą iki griovelio susijungimo 1 cm ilgyje, mėginys žalvariniame indelyje tuoj pat sumaišomas peiliu ir indelyje vėl išlyginamas mėginio paviršius, išpjaunamas naujas griovelis, tada sukama aparato svertelė. Ši procedūra kartojama tol, kol tris kartus iš eilės gaunamas tas pats smūgių skaičius grioveliui susijungiant 1 cm ilgyje; šis skaičius priimamas tolesnei takumo ribos nustatymo procedūrai. Bandymų rezultatus braižome diagramoje pusiau logaritminėje skalėje (pav. 2). Abscisių ašyje logaritmine skalė pažymimas smūgių skaičius, o ordinatų ašyje aritmetine skale – vandens kiekis procentais nuo sauso mėginio svorio. Kadangi kiekviename bandyme vandens kiekis w skiriasi, gausime taškus A, B, C ir D, atitinkančius skirtingą smūgių skaičių, kai smūgių skaičius mažesnis, kai vandens kiekis didesnis, ir atvirkščiai. Sujungę šiuos taškus gauname nuožulnią tiesę, kurioje ieškome taško M ties 25 smūgiais. Vandens kiekis, atitinkantis šį tašką, priimamas kaip takumo riba wL.
Pav. 2. Ištekėjimo ribos nustatymas
Plastiškumo ribos nustatymas
Grunto mėginys, paruoštas aukščiau aprašytu būdu, tačiau su mažiau vandens, kad būtų plastinė masė, apytikriai kietai plastinėje būsenoje, suformuojamas į rutulėlį, kurio tūris apie 2-3 cm3, o po to delnu ant paprasto arba sugeriamojo popieriaus pagrindo voliojamas į 3 mm storio volelį. Jei mėginys iki tokio storio voliojamas nelūždamas, tada jis vėl suformuojamas į rutulėlį ir voliojamas tuo pačiu būdu. Šis procesas kartojamas tol, kol volelis ties 3 mm storiu pradeda lūžti. Tada sulaužyti voleliai sudedami į laikrodinius stiklelius ir nustatomas vandens kiekis. Tas vandens kiekis, išreikštas procentais nuo sauso mėginio svorio, atitinka plastiškumo ribą wP.
Susitraukimo ribos nustatymas
Pav. 3. Susitraukimo ribos nustatymas
Grunto mėginys sumaišomas su distiliuotu vandeniu taip, kaip aprašyta Skystumo ribos nustatymo bandyme, kad jo konsistencija būtų maždaug ties skystumo riba, kai visos poros yra prisotintos vandeniu. Tada suformuojamas rutuliukas, kuris paliekamas džiūti pirmiausia ore, po to džiovykloje ties 105°C. Tokia džiovinimo seka reikalinga tam, kad būtų išvengta įtrūkimų išdžiūvusiame mėginyje, kurie galėtų sutrikdyti bandymą. Iš karto pradžioje nustatomas W1 mėginio svoris ir opitu, panardinant į gyvsidabrį, nustatomas jo tūris V1, po to jis toliau džiovinamas ore, vėliau džiovykloje, periodiškai imant mėginį, aušinant eksikatoriuje ir matuojant jo svorį W2, W3, W4 ir t. t. bei tūrį V2, V3, V4 ir t. t. Taip bus nustatyta, kad esant tam tikrai drėgmei mėginio tūris nustoja mažėti, nors jo svoris dėl džiovinimo vis dar mažėja. Jei mėginys pradinėje būsenoje yra prisotintas vandeniu, t. y. porose nėra oro, vandens netekimas džiovinant mėginį iki susitraukimo ribos apytikriai atitinka mėginio tūrio sumažėjimą. Po to džiovinimas toliau tęsiamas nematuojant tūrio, tol, kol mėginys visiškai išdžiūsta, t. y. iki pastovaus svorio. Tada kiekvienam mėginio tūrio ir svorio matavimui nustatomas vandens kiekis procentais nuo sauso mėginio svorio, o bandymo rezultatai nubraižomi diagramoje (pav. 3). Taip gaunami taškai A, B, C, D ir E, kurie sujungiami, ir paprastai gaunama linija su aštriu lūžiu susitraukimo ribos srityje. Lūžio taške S gaunama drėgmė w, atitinkanti susitraukimo ribą W_S.
Kapiliarumo nustatymas
Kapiliarinio vandens kilimo aukščio bandymas atliekamas dviem būdais, būtent tiesiogiai matuojant kapiliarinio vandens kilimo aukštį ir netiesiogiai matuojant kapiliarimetru.
Kapiliarinio aukščio nustatymo bandymas tiesioginiu matavimu
Iš suardyto mėginio paimama apie 300 pondų grunto, kuris išdžiovinamas iki 105°C, o paskui, jam atvėsus, sutrinamas į visiškai smulkius miltelius, nesmulkintant grūdelių. Gautas miltelis supilamas į stiklinį vamzdį, kurio skersmuo ø 25 mm, ilgis 1,5 - 2,5 m, atvirą abiejuose galuose; jo apatinis galas iš anksto užkemšamas stiklo vata arba audeklo gabalu. Į atvirą viršutinį galą pilame išdžiovintus miltelius maždaug 10 cm aukštyje, tada vamzdį pakeliame ir leidžiame jam kristi smūgiu ant medinių grindų arba kito elastingo pagrindo tol, kol vamzdyje matomas miltelių susėdimas. Miltelių susėdimą kontroliuojame ant vamzdžio braukdami kreidos riebaline linija. Po to beriame dar po 10 cm miltelių ir kartojame tą pačią procedūrą, kol vamzdis bus pripildytas suspaustų sausų tiriamo grunto mėginio miltelių, kurių kapiliarumą tiriame. Tada vamzdžio dugną panardiname į stiklinį indą su stovinčiu distiliuotu vandeniu, taip, kad apatinis vamzdžio galas nesiremtų į indo dugną (pav. 4). Stiklinį vamzdį pritvirtiname prie skalės lentelės taip, kad ir vamzdis, ir skalė būtų vertikalūs. Po to stebime vandens kilimą vamzdyje, kuris aiškiai atpažįstamas pagal spalvą: sausas mėginys yra šviesios spalvos, drėgnas tamsus. Vandens lygio inde ir viršutinio drėgno mėginio krašto atstumas sudaro kapiliarinio kilimo aukštį hk.
Pav. 4. Vandens kapiliarinio kilimo aukščio nustatymas tiesioginiu matavimu
Stebėjimas paprastai atliekamas po 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 ir t. t. valandų. Stebėjimo rezultatai perkeliamí į diagramą, kurios abscisės žymi laiką valandomis, o ordinatės – vandens kapiliarinio kilimo aukštį mm (pav. 5).
Smėlingoje medžiagoje kapiliarinis kilimas pradžioje yra staigus, vėliau lėtesnis, o galutinis kilimo aukštis pasiekiamas greitai. Molingoje medžiagoje kapiliarinis kilimas pradžioje yra lėtesnis, tačiau trunka ilgiau ir pasiekia gerokai didesnį aukštį.
Šis kapiliarinio aukščio nustatymo būdas yra ilgas, ypač molingame grunte. Be to, kapiliarinio kilimo aukštis priklauso nuo oro temperatūros ir jo drėgnumo, todėl šiuos veiksnius reikia kiek įmanoma išlaikyti pastovius.
Pav. 5. Vandens kapiliarinio kilimo grunte diagrama, a-smėlis; b-dulkės; c-molingas gruntas
Kapiliarinio aukščio nustatymo bandymas naudojant kapiliarimetrą
Yra kelių skirtingų konstrukcijų kapiljarimetrų, tokių kaip Beskovo, Jürgensono ir Engelhardto kapiljarimetrai. Čia aprašysime Beskovo kapiljarimetro veikimo principą, kuris taikomas dažniausiai.
Šis bandymas atliekamas su nepaliestais arba suardytais mėginiais. Jei mėginys suardytas, jis į aparatą įdedamas tekėjimo ribos būsenos.
Sl. 6. Beskovo kapiliarimetras
Beskovo kapilirometras susideda iš dviejų indų (pav. 6), sujungtų apatinėse dalyse armuota gumine žarna. Į indą 1 ant filtrinio dugno dedamas dirvožemio mėginys, o po juo yra indas, iš dalies pripildytas distiliuoto vandens, iš dalies gyvsidabrio, kuris apatinėje dalyje yra taip, kad užpildo ir visą guminę žarną, ir apatinę indo 2 dalį. Bandymo pradžioje gyvsidabrio lygis abiejuose induose yra vienodas. Tada indas 2 nuleidžiamas žemyn, taip po indo 1 filtriniu dugnu sukuriamas slėgio sumažėjimas. Kai šis slėgio sumažėjimas tampa didesnis už kapiliarines jėgas mėginyje, oras prasiskverbia per mėginį į filtrinį dugną, ir gyvsidabrio lygis abiejuose induose iš karto išsilygina, nuleidžiant indą 2. Skirtumas Hg tarp gyvsidabrio lygių viename ir kitame inde tuo momentu, kai susilygina slėgio sumažėjimas ir kapiliarinės jėgos, t. y. prieš pat orui pradedant skverbtis per mėginį, perskaičiuotas į vandens stulpelio aukštį ir padidintas vandens stulpelio aukščiu h po mėginiu, duoda kapiliarinį aukštį hk. Kadangi gyvsidabris yra 13,6 kartus sunkesnis už vandenį, tai kapiliarinio kilimo aukštis hk:
hk = 13,6 Hg + h
Grunto pralaidumo nustatymas
Laboratorinis grunto laidumo nustatymo bandymas atliekamas naudojant specialius įrenginius, vadinamus permeametrais. Yra įvairių permeametrų konstrukcijų, tačiau jas galima suskirstyti į dvi grupes: permeametrai su pastoviu vandens slėgiu, skirti stambesniagrūdžiams gruntams, ir permeametrai su mažėjančiu vandens slėgiu smulkiagrūdžiams gruntams. Abiem atvejais bandymas atliekamas su neardytais mėginiais.
Laboratoriniu bandymu nustatomas grunto pralaidumo koeficientas, kurio reikšmė pateikiama esant tam tikrai temperatūrai, nes skirtingose temperatūrose vandens klampa skiriasi, o tai turi įtakos pralaidumo koeficiento k reikšmei. Dažniausiai nurodomas k koeficientas esant temperatūrai t =10°C. Todėl, jei 10°C, vandens temperatūra nustatant k koeficientą buvo T, kuri skyrėsi nuo t = 10°C, jo reikšmė perskaičiuojama pagal formulę:
k10oC = ηt /η10oC * kT
kur ηt ir η10oC yra vandens klampa darbinėje temperatūroje T, atitinkamai pasirinktoje temperatūroje t =10°C.
kT – gauta dirvožemio laidumo koeficiento reikšmė darbinėje temperatūroje T.
Skirtingų temperatūrų T klampos reikšmės pateiktos lentelėje 1.
Bandymas su pastoviu vandens slėgiu
Pav. 7. Permeametras su pastoviu vandens slėgiu
Šiam bandymui imamas nepažeistas grunto mėginys į metalinį cilindrą, kurio skersmuo D, aukštis h, su aštrintu apatiniu kraštu, įspaudžiant jį į gruntą arba į didesnį nepažeistą mėginį. Sulyginus viršutinį ir apatinį mėginio paviršius su cilindro kraštais, mėginys cilindre įdedamas į aparatą (pav. 7) tarp viršutinio ir apatinio filtro. Apatinis filtras sudarytas iš tankaus sietelio ir filtrinio akmens, kad būtų sudarytas vandens tekėjimas per mėginį ir užkirstas kelias grunto dalelių išplovimui. Viršutinis filtras yra be sietelio, nes išplovimo galimybė mažesnė. Vanduo į mėginį tiekiamas iš lygio N, kuris per perpylą palaikomas pastovus, taip kad hidrostatinis slėgis H būtų pastovus. Esant šiam slėgiui vanduo pereina per h storio mėginį ir vamzdeliu, prijungtu prie viršutinės aparato dalies, patenka į stiklinę matavimo cilindrą M, kur laša.
Kai tik vanduo iš mėginio menzūroje pradeda tekėti, įjungiame chronometrą ir stebime vandens kiekį q, kuris per laiką t priteka į menzurą. Pagal Darcio dėsnį yra
q = k*A*t*i
kur k yra pralaidumo koeficientas cm/sec, A – mėginio skerspjūvio plotas, i – hidraulinis nuolydis, i = H/h.
Iš aukščiau pateiktos lygties turime k= qh/Ath [cm/sec].
Per mėginius pratekėjusio vandens kiekį užrašome atskirais laiko intervalais nuo stebėjimo pradžios iki pabaigos, todėl gauname tiek atskirus, tiek bendrą per mėginį pratekėjusio vandens kiekį.
Kad būtų pašalinti mėginyje ir vandenyje esantys oro burbuliukai, kurie gali lemti netikslius bandymo rezultatus, prieš bandymą mėginys turi būti prisotintas, o bandymui atlikti reikia naudoti virintą arba bent pastovėjusį vandenį.
Vietoj anksčiau aprašyto aparato, pagrįsto hidrostatiniu slėgiu dėl vandens lygio skirtumo H, yra ir aparatų, kuriuose hidrostatinis slėgis sukuriamas oro slėgiu nuo 10 iki 15 kp/cm2, palaikomu kompresoriumi pastoviu.