Atterberga robežu noteikšana
Mēs aprakstīsim plūstamības robežas, plastiskuma robežas un sarukšanas robežas noteikšanas mēģinājumus, kas ir vissvarīgākie augsnes mehānikā. Visi šie mēģinājumi tiek veikti ar traucētiem saistītas augsnes paraugiem.
Plūstamības robežas noteikšanas mēģinājums
Šim mēģinājumam ņem apmēram 200 p grunts dabīgi mitrā stāvoklī, bez graudiem, kuru diametrs pārsniedz 0,5 mm, jo tie varētu traucēt mēģinājuma rezultātu precizitāti. Paraugu nedrīkst žāvēt žāvēšanas skapī, bet to nekavējoties ievieto porcelāna traukā ar destilētu ūdeni, kur tam jāatrodas vairākas stundas, līdz tas ir labi izmircis. Mālam, kura plastiskuma indekss IP < 20, izmirkšana ilgst apmēram 4 stundas, mālam IP > 20 — līdz 18 stundām. Pēc tam izmirkto paraugu pārber uz stikla plāksnes un, izmantojot laboratorijas nazi, labi samaisa, lai iegūtu biezu masu vienmērīga sastāva. Ja tiek pamanītas daļiņas, kas lielākas par 0,5 mm, tās maisīšanas laikā izņem.
Šādi sagatavoto paraugu pārber Casagrandes aparāta misiņa trauciņā šķidruma robežas noteikšanai (att. 1), ko mūsu laboratorijās sauc par Casagrandes trīcēšanas aparātu.
Att. 1. Cassagrande aparāts tecēšanas robežas noteikšanai
Iekārta sastāv no misiņa bļodiņas, kas ar īpašu savienojumu tiek ievietota aparātā, elastīga cietās gumijas pamatnes ar ekscentru augšdaļā un griežamu rokturi; ekscentrs paceļas līdz 1 cm augstumam, kā rezultātā bļodiņa krīt un sitas pret pamatni (att. 1a). Aparāta izmēri ir standartizēti. Turklāt ir arī profilēts nazis precīzi noteiktu izmēru (att. 1b).
Iebērto paraugu misiņa bļodiņā izlīdzina ar nazi tā, lai parauga virsma būtu pilnīgi līdzena un paraugs pārklātu nedaudz vairāk par bļodiņas priekšējās daļas pusi, turklāt tā augstums virs bļodiņas dibena zemākā punkta būtu apmēram 12 mm. Pēc tam bļodiņu ievieto aparātā un ar profilēto nazi tās vidū izgriež rievu tā, lai tā būtu pilnīgi taisna un būtu redzams bļodiņas misiņa dibens, ko panāk, uzmanīgi velkot nazi perpendikulāri bļodiņas dibenam. Rievas garumam jābūt apmēram 40 mm. Tūlīt pēc tam aparāta rokturi griež ar ātrumu 2 apgriezieni sekundē, vienlaikus skaitot bļodiņas sitienus pret pamatni un novērojot rievu, kas sitienu dēļ sašaurinās, jo pārgrieztās parauga daļas pārvietojas un tiecas savienoties. Aparāta rokturi griež tik ilgi, līdz rieva savienojas 10 mm garumā. Kad tas ir panākts, roktura tālāku griešanu pārtrauc, pēc tam ar nazi izņem apmēram 2 cm3 lielu parauga daudzumu no apgabala ap savienoto rievu abās pusēs, ievieto to pulksteņstikliņos un nosaka grunts mitrumu.
Šis mēģinājums tiek atkārtots 3-4 reizes tādā pašā veidā, bet katru reizi ar citu mitrumu, ko panāk, ja paraugu vispirms sajauc ar mazāku ūdens daudzumu, bet pēc tam ūdeni pievieno pārējiem mēģinājumiem. Pēc katra pabeigtā mēģinājuma paraugu pārber uz stikla plāksnes, kur pievieno nedaudz ūdens un labi samaisa, lai iegūtu vienmērīgu, katru reizi nedaudz šķidrāku, mīklveida masu.
Mēģinājuma veikšanai sagatavotajai masai nedrīkst būt ne pārāk bieza, ne pārāk šķidra, jo grunts konsistences stāvokļi, kas ir pārāk tālu no plūstamības robežas, nedod šim mēģinājumam nepieciešamo precizitāti. Parasti pieņem, ka, ja sitienu skaits ir mazāks par 10 vai lielāks par 50, mēģinājums nav izdevies, taču uzskata, ka mēģinājuma precizitāte ir labāka, ja šo robežu starpība ir 10-40 sitieni.
Tiek norādīts, ka saskaņā ar vienu metodi, katru reizi pēc roktura pilnīgas apgriešanas, līdz rievas savienošanai garumā no 1 cm, paraugu misiņa trauciņā nekavējoties sajauc ar nazi un parauga virsmu trauciņā atkal nolīdzina, iegriež jaunu rievu, pēc tam ierīces rokturi griež tālāk. Šo procedūru atkārto tik ilgi, līdz tiek panākts, ka trīs reizes pēc kārtas pie rievas savienošanas garumā no 1 cm iegūst vienādu triecienu skaitu, un šis skaitlis tiek pieņemts turpmākajai rīcībai tecēšanas robežas noteikšanā. Pārbaudes rezultātus attēlojam diagrammā semilogaritmiskā iedalījumā (att. 2). Uz abscisu ass logaritmiskā iedalījumā attēlo triecienu skaitu, bet uz ordinātu ass — ūdens daudzumu procentos no parauga sausā svara aritmētiskā iedalījumā. Tā kā katrā mēģinājumā ūdens daudzums w ir atšķirīgs, iegūsim punktus A, B, C un D, kas atbilst atšķirīgam triecienu skaitam, pie kam triecienu skaits ir mazāks, jo lielāks ir ūdens daudzums, un otrādi. Savienojot šos punktus, iegūstam slīpu taisnu līniju, uz kuras meklējam punktu M pie 25 triecieniem. Ūdens daudzumu, kas atbilst šim punktam, pieņem kā tecēšanas robežu wL.
Sl. 2. Plūšanas robežas noteikšana
Plastiskuma robežas noteikšana
Grunts paraugu, kas sagatavots iepriekš aprakstītajā veidā, bet ar mazāku ūdens daudzumu, lai tas būtu plastiska masa aptuveni stingri plastiskā stāvoklī, savelk bumbiņā apmēram 2-3 cm3, un pēc tam ar plaukstu uz parastas vai absorbējošas papīra pamatnes veltnē stienītī ar biezumu 3 mm. Ja paraugu var veltnēt līdz šādam biezumam, nesalūstot, to atkal savelk bumbiņā un veltnē tādā pašā veidā. Šo procesu atkārto tik ilgi, līdz stienītis pie biezuma 3 mm sāk lūzt. Tad salauztos stienīšus ievieto pulksteņstikliņos un nosaka ūdens daudzumu. Šis ūdens daudzums, izteikts procentos no parauga sausā svara, atbilst plastiskuma robežai wP.
Sarukuma robežas noteikšana
Att. 3. Sarukuma robežas noteikšana
Augsnes paraugu sajauc ar destilētu ūdeni tādā veidā, kā aprakstīts sadaļā Plūstamības robežas noteikšanas mēģinājums, lai tā konsistence būtu aptuveni pie plūstamības robežas, kad visas poras ir piesātinātas ar ūdeni. Pēc tam izveido bumbiņu, ko atstāj žūt vispirms gaisā, pēc tam žāvēšanas skapī pie 105°C. Šāda žāvēšanas secība ir nepieciešama, lai izvairītos no plaisām izžuvušajā paraugā, kas traucētu mēģinājumu. Jau pašā sākumā nosver W1 parauga svaru un nosaka tā tilpumu V1 ar iegremdēšanas dzīvsudrabā mēģinājumu, pēc tam to tālāk žāvē gaisā, bet pēc tam žāvēšanas skapī, periodiski ņemot paraugu, atdzesējot eksikatorā un nosverot tā svaru W2, W3, W4 utt. un tilpumu V2, V3, V4 utt. Tādā veidā konstatēs, ka pie noteikta mitruma stāvokļa parauga tilpums vairs nesamazinās, lai gan tā svars žūšanas dēļ turpina samazināties. Ja paraugs sākotnējā stāvoklī ir piesātināts ar ūdeni, t. i., porās nav gaisa, tad ūdens zudums, žāvējot paraugu līdz sarukšanas robežai, aptuveni atbilst parauga tilpuma samazinājumam. Pēc tam žāvēšanu turpina arī turpmāk bez tilpuma mērīšanas, līdz paraugs pilnībā izžūst, t. i., līdz svara nemainībai. Tad katram parauga tilpuma un svara mērījumam nosaka ūdens daudzumu procentos no sausa parauga svara, un mēģinājuma rezultātus attēlo diagrammā (att. 3). Tādā veidā iegūst punktus A, B, C, D un E, kurus savieno, parasti iegūstot līniju ar asu lūzumu sarukšanas robežas apgabalā. Lūzuma punktā S iegūst mitrumu w, kas atbilst sarukšanas robežai _W_S.
Kapilaritātes noteikšana
Ūdens kapilārā pacēluma augstuma noteikšanas pārbaudi veic divos veidos, proti, tieši mērot ūdens kapilārā pacēluma augstumu un netieši, izmantojot kapilārmetru.
Kapilārā augstuma noteikšanas eksperiments ar tiešu mērījumu
No traucētā parauga ņem apmēram 300 pondi augsnes, ko izžāvē pie 105°C, pēc tam, atdziestot, samaļ ļoti smalkā pulverī, nesasmalcinot graudiņus. Iegūto pulveri ieber stikla caurulē ar diametru ø 25 mm, garumu 1,5 - 2,5 m, kas atvērta abos galos, kuras apakšējo galu iepriekš noslēdz ar stikla vati vai auduma gabalu. Atvērtajā augšējā galā iebērjam izžāvēto pulveri apmēram 10 cm augstumā, pēc tam cauruli paceļam un ļaujam tai ar sitienu krist uz koka grīdas vai cita elastīga balsta, līdz brīdim, kad caurulē redzama pulvera sēšanās. Pulvera sēšanos kontrolējam, uz caurules ar taukainu krītu atzīmējot līnijas. Pēc tam iebērjam vēl 10 cm pulvera un atkārtojam to pašu procedūru, līdz cauruli piepildām ar sablīvētu sausu augsnes parauga pulveri, kura kapilaritāti pārbaudām. Tad caurules apakšu iegremdējam stikla traukā ar destilētu ūdeni bez straumes, turklāt caurules apakšējam galam nedrīkst balstīties uz trauka dibena (att. 4). Stikla cauruli ar līsti nostiprinām pie skalas tā, lai gan caurule, gan skala būtu vertikālas. Pēc tam novērojam ūdens pacelšanos caurulē, kas skaidri atpazīstama pēc krāsas: sausais paraugs ir gaišs, mitrais tumšs. Attālums starp ūdens līmeni traukā un mitrā parauga augšējo malu ir kapilārās pacelšanās augstums hk.
Att. 4. Ūdens kapilārā pacēluma augstuma noteikšana, veicot tiešu mērīšanu
Novērošana parasti tiek veikta pēc 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 u. tml. stundām. Novērojumu rezultāti tiek attēloti diagrammā, kuras abscisas rāda laiku stundās, bet ordinātas — ūdens kapilārā pacelšanās augstumu mm (att. 5).
Smilšainam materiālam kapilārā pacelšanās sākumā notiek strauji, pēc tam lēnāk, un galīgais pacelšanās augstums tiek sasniegts ātri. Mālainam materiālam kapilārā pacelšanās sākumā ir lēnāka, taču ilgst ilgāk un sasniedz ievērojami lielāku augstumu.
Šī kapilārā augstuma noteikšanas metode ir laikietilpīga, īpaši mālainā augsnē. Turklāt kapilārās pacelšanās augstums ir atkarīgs no gaisa temperatūras, kā arī no tā mitruma, tādēļ šie faktori jāuztur, cik vien iespējams, nemainīgi.
Att. 5. Ūdens kapilārās pacelšanās diagramma gruntī, a-smiltis; b-putekļi; c-māla grunts
Kapilārā augstuma noteikšanas mēģinājums ar kapilāriemetru
Pastāv vairāki kapilārimetri ar dažādām konstrukcijām, piemēram, Beskova, Jirgensona un Engelhardta kapilārimetri. Šeit aprakstīsim Beskova kapilārimetra darbības principu, ko lieto visplašāk.
Šo testu veic uz netraucētiem vai traucētiem paraugiem. Ja paraugs ir traucēts, tad to ievieto aparātā plūstamības robežas stāvoklī.
Sl. 6. Beskova kapilārietrs
Beskova kapilārsastāvs sastāv no diviem traukiem (att. 6), kas savstarpēji savienoti apakšējās daļās ar armētu gumijas cauruli. Traukā 1 uz filtrējošās pamatnes ievieto augsnes paraugu, bet zem tā ir trauks, kas daļēji piepildīts ar destilētu ūdeni, daļēji ar dzīvsudrabu, kurš apakšējā daļā atrodas tā, ka piepilda arī visu gumijas cauruli un trauka 2 apakšējo daļu. Eksperimenta sākumā dzīvsudraba līmenis abos traukos ir vienāds. Pēc tam trauku 2 nolaiž uz leju, tādējādi zem trauka 1 filtrējošās pamatnes veidojot pazeminātu spiedienu. Kad šis pazeminātais spiediens kļūst lielāks par kapilārajiem spēkiem paraugā, gaiss iekļūst caur paraugu filtrējošajā pamatnē, un dzīvsudraba līmenis abos traukos tūlīt pēc tam izlīdzinās, pārvietojot trauku 2. Starpība Hg starp dzīvsudraba līmeņiem vienā un otrā traukā brīdī, kad izlīdzinās pazeminātais spiediens un kapilārie spēki, t.i., tieši pirms gaiss sāka iekļūt caur paraugu, pārrēķināta uz ūdens staba augstumu un palielināta par ūdens staba augstumu h zem parauga, dod kapilāro augstumu hk. Tā kā dzīvsudrabs ir 13,6 reizes smagāks par ūdeni, tad kapilārās pacelšanās augstums hk ir:
hk = 13,6 Hg + h
Grunts caurlaidības noteikšana
Laboratoriskais augsnes caurlaidības noteikšanas tests tiek veikts, izmantojot īpašas ierīces, ko sauc par permeametriem. Pastāv dažādas permeametru konstrukcijas, kuras tomēr var iedalīt divās grupās: permeametri ar konstantu ūdens spiedienu rupjgraudainām augsnēm un permeametri ar dilstošu ūdens spiedienu smalkgraudainām augsnēm. Abos gadījumos tests tiek veikts ar netraucētiem paraugiem.
Laboratorijas pārbaudē nosaka augsnes caurlaidības koeficientu, kura vērtību izsaka pie noteiktas temperatūras, jo ūdens viskozitāte dažādās temperatūrās atšķiras, kas ietekmē caurlaidības koeficienta k vērtību. Visbiežāk koeficientu k izsaka temperatūrā t =10°C. Tātad, ja 10°C, ūdens temperatūra, nosakot koeficientu k, bija T, atšķirīga no t = 10°C, tad tā vērtību pārrēķina pēc formulas:
k10oC = ηt /η10oC * kT
kur ηt un η10oC ir ūdens viskozitāte darba temperatūrā T, respektīvi, pieņemtajā temperatūrā t =10°C.
kT iegūtā augsnes caurlaidības koeficienta vērtība darba temperatūrā T.
Viskozitātes vērtības dažādām temperatūrām T ir dotas tabulā 1.
Tests ar pastāvīgu ūdens spiedienu
Att. 7. Permeametrs ar nemainīgu ūdens spiedienu
Šim izmēģinājumam ņem netraucētu grunts paraugu metāla cilindrā ar diametru D, augstumu h, ar saasinātu apakšējo malu, iespiežot to gruntī vai lielākā netraucētā paraugā. Pēc tam, kad parauga augšējā un apakšējā virsma ir nolīdzināta ar cilindra malām, paraugu cilindrā ievieto aparātā (att. 7) starp augšējo un apakšējo filtru. Apakšējais filtrs sastāv no blīva sieta un filtra akmens, lai nodrošinātu ūdens plūsmu caur paraugu un novērstu grunts daļiņu izskalošanu. Augšējais filtrs ir bez sieta, jo daļiņu izskalošanas iespēja ir mazāka. Ūdens pievads paraugam ir no līmeņa N, ko ar pārplūdi uztur nemainīgu, tā ka hidrostatiskais spiediens H ir nemainīgs. Šī spiediena ietekmē ūdens iziet caur parauga slāni ar biezumu h un pa cauruli, kas ieslēgta aparāta augšējā daļā, nonāk stikla mērcilindrā M, kur tas pil.
Tiklīdz ūdens plūsma caur paraugu mērcilindrā sākas, ieslēdzam hronometru un novērojam ūdens daudzumu q, kas ieplūst mērcilindrā laika t laikā. Saskaņā ar Darcija likumu ir
q = k*A*t*i
kur k ir caurlaidības koeficients cm/sec, A — parauga šķērsgriezuma laukums, i — hidrauliskais kritums, i = H/h.
No augšējā vienādojuma iegūstam k= qh/Ath [cm/sec].
Ūdens daudzumu, kas izplūst caur paraugu, mēs nolasām atsevišķos laika intervālos no novērojuma sākuma līdz beigām, tādējādi iegūstot gan atsevišķos, gan kopējo caur paraugu izplūdušā ūdens daudzumu.
Lai izslēgtu gaisa burbuļus paraugā un ūdenī, kas var novest pie kļūdainiem pārbaudes rezultātiem, pirms pārbaudes paraugam jābūt piesātinātā stāvoklī, un pārbaudes veikšanai jāizmanto vārīts vai vismaz nostāvējies ūdens.
Minētā aparāta, kas balstās uz hidrostatisko spiedienu ūdens līmeņu starpības H dēļ, vietā ir arī aparāti, kuros hidrostatisko spiedienu rada gaisa spiediens no 10 līdz 15 kp/cm2, ko ar kompresora palīdzību uztur konstantu.