Одредување на Атерберговите граници
Ќе ги опишеме испитувањата за одредување на границата на течење, границата на пластичност и границата на собирање, кои се најважни во механиката на почви. Сите овие испитувања се вршат на нарушени примероци на врзана почва.
Опит за определување на границата на течење
За овој опит се зема околу 200 p почва во природно влажна состојба, без зрна со пречник над 0,5 mm, кои би ја нарушиле точноста на резултатите од опитот. Примерокот не смее да се суши во сушара, туку веднаш се става во порцеланска чаша со дестилирана вода, каде што треба да остане повеќе часови додека добро не се навлажни. За глинеста почва чиј индекс на пластичност IP < 20 навлажнувањето трае околу 4 часа, за глина IP > 20 до 18 часа. Потоа навлажнетиот примерок се префрла на стаклена плоча и со помош на лабораториски нож добро се промешува, за да се добие густа каша со рамномерен состав. Ако се забележат честички поголеми од 0,5 mm, тие при мешањето се отстрануваат.
Така подготвениот примерок се префрла во месинганата чашка на апаратот на Casagrande за определување на границата на течење (сл. 1), кој во нашите лаборатории се нарекува Casagrandeова трескалка.
Сл. 1. Апаратот на Cassagrande за одредување на границата на течење
Апаратот се состои од месингана чашка, која со помош на посебна врска се вклучува во апаратот, еластична подлога од тврда гума, со ексцентар во горниот дел и рачка за вртење, при што ексцентарот се издига на висина од 1 cm, поради што чашката паѓа и удира во подлогата (сл. 1a). Димензиите на апаратот се нормирани. Покрај тоа постои и профилиран нож со точно одредени димензии (сл. 1b).
Пренесениот примерок во месингена чинијка се израмнува со нож така што површината на примерокот да биде сосема рамна, и примерокот да покрива нешто повеќе од половината од предниот дел на чинијката, при што неговата висина над најниската точка на дното на чинијката да биде околу 12 mm. Потоа чинијката се вклучува во апаратот и со профилиран нож се сече бразда во средината така што да биде сосема права и да се гледа месинганото дно на чинијката, што се постигнува со внимателно повлекување на ножот вертикално на дното на чинијката. Должината на браздата треба да биде околу 40 mm. Веднаш потоа се врти рачката на апаратот со брзина од 2 вртежи во секунда, при што се бројат ударите на чинијката во подлогата и се набљудува браздата, која поради ударите на чинијката во подлогата се стеснува, бидејќи пресечените делови од примерокот се поместуваат и тежнеат да се соедінат. Вртењето на рачката на апаратот трае сè додека браздата не се соедини на должина од 10 mm. Кога тоа ќе се постигне, се прекинува со понатамошно вртење на рачката, па веднаш потоа со нож се вади примерок во количина од околу 2 cm3 од делот околу соединиетата бразда од двете страни, се става во часовни стакла и се одредува влажноста на почвата.
Овој опит се повторува 3-4 пати на ист начин, но секој пат со различна влажност, што се постигнува ако примерокот најнапред се замеша со помала количина вода, па потоа се додава вода за останатите опити. По секој завршен опит, примерокот се префрла на стаклена плоча, каде што се додава малку вода и добро се измешува, за да се добие рамномерна, секојпат нешто поретка, кашеста маса.
За изведување на опитот подготвената кашеста смеса не смее да биде ниту премногу густа ниту премногу течна, бидејќи состојби на конзистенција на почвата што се премногу оддалечени од границата на течење не ја даваат потребната точност за овој опит. Обично се прифаќа дека ако бројот на удари е помал од 10 или поголем од 50, опитот не успеал, но се смета дека точноста на опитот е подобра ако распонот на овие граници е 10-40 удари.
Се напоменува дека според една постапка, секојпат по завршеното вртење на рачката до спојување на браздата на должина од 1 cm примерокот во месинганата чинивка веднаш се измешува со нож и повторно се израмнува површината на примерокот во чинивката, се засекува нова бразда, потоа се врти рачката на апаратот. Оваа постапка се повторува сè додека не се постигне трипати по ред да се добие ист број удари при спојување на браздата на должина од 1 cm, кој број се усвојува за понатамошната постапка при определување на границата на течење. Резултатите од испитувањето ги нанесуваме на дијаграм во семилогаритамска поделба (сл. 2). На оската на апсцисата се нанесува бројот на удари во логаритамска поделба а на оската на ординатата количеството вода во проценти од сувата тежина на примерокот во аритметичка поделба. Бидејќи кај секој обид количината на вода w е различна, ќе ги добиеме точките A, B, C и D, кои одговараат на различен број удари, при што бројот на удари е помал ако количеството вода е поголемо и обратно. Со спојување на овие точки добиваме коса права линија, на која ја бараме точката M за 25 удари. Количината на вода што одговара на оваа точка се усвојува како граница на течење wL.
Сл. 2. Одредување на границата на течење
Одредување на границата на пластичност
Примерокот на тло подготвен на начинот опишан погоре, но со помалку вода, така што да биде пластична маса приближно во жилаво-пластична состојба, се собира во топче околу 2-3 cm3, па потоа се валка со дланката на подлога од обична или впивлива хартија во валјак со дебелина 3 mm. Ако примерокот се валка до таа дебелина без кршење, тогаш повторно се собира во топче и се валка на ист начин. Оваа постапка се повторува сè додека не се постигне валјакот при дебелина од 3 mm да почне да се крши. Тогаш скршените валјаци се ставаат во часовни стакла и се определува количината на вода. Таа количина на вода, изразена во проценти од сувата тежина на примерокот, одговара на границата на пластичност wP.
Одредување на границата на собирање
Сл. 3. Одредување на границата на собирање
Примерокот на почва се меша со дестилирана вода на начин опишан под Опит за определување на границата на течење, така што неговата конзистенција да биде приближно на границата на течење, кога сите пори се заситени со вода. Потоа се прави топче кое се остава да се суши најпрво на воздух, а потоа во сушара на 105°C. Ова постепено сушење е потребно за да се избегнат пукнатини во исушениот примерок, кои би го нарушиле опитот. Веднаш на почетокот се измерува тежината W1 на примерокот и се определува неговата запремнина V1 со опит со потопување во жива, потоа понатаму се суши на воздух, а потоа во сушара, со повремено земање на примерокот, ладење во ексикатор и мерење на неговата тежина W2, W3, W4 итн. и запремнината V2, V3, V4 итн. На тој начин ќе се утврди дека при едно состојба на влажност запремнината на примерокот престанува да се намалува иако неговата тежина и понатаму опаѓа поради сушењето. Ако примерокот во својата почетна состојба е заситен со вода, односно не содржи воздух во порите, губитокот на вода со сушење на примерокот до границата на собирање приближно одговара на намалувањето на запремнината на примерокот. Потоа сушењето и натаму продолжува без мерење на запремнината, сè додека примерокот целосно не се исуши, односно до постојаност на тежината. Тогаш се определува количината на вода во проценти од сувата тежина на примерокот за секое мерење на запремнината и тежината на примерокот, и резултатите од опитот се нанесуваат на дијаграмот (сл. 3). На тој начин се добиваат точките A, B, C, D и E, кои се поврзуваат, така што обично се добива линија со остар прекин во областа на границата на собирање. Во преодната точка S се добива влажност w што одговара на границата на собирање _W_S.
Одредување на капиларноста
Испитувањето за определување на висината на капиларното искачување на водата се врши на два начина, и тоа со директно мерење на висината на капиларното искачување на водата и со индиректно мерење со помош на капилариметар.
Опит за определување на капиларната висина со директно мерење
Од нарушениот примерок се зема околу 300 понди тло, кое се суши на 105°C, потоа по ладењето се ситни во сосема ситен прав, без дробење на зрнцата. Добиениот прав се сипува во стаклена цевка со пречник ø 25 mm, должина 1,5 - 2,5 m, отворена на двата краја, чиј долен крај претходно се затвора со стаклена вата или парче платно. Во отворениот горен крај сипуваме исушен прав до висина од околу 10 cm, потоа цевката ја подигаме и ја пуштаме да паѓа со удар врз дрвен под или некоја друга еластична подлога сè додека се покажува слегнување на правот во цевката. Контролата на слегнувањето на правот ја вршиме со обележување линии со мрсна креда на цевката. Потоа сипуваме уште 10 cm прав и го повторуваме истиот постапок сè додека не ја исполниме цевката со збиен сув прав од примерокот на тлото, чија капиларност ја испитуваме. Потоа дното на цевката го потопуваме во стаклен сад со дестилирана вода без проток, така што долниот крај на цевката не смее да лежи на дното на садот (сл. 4). Стаклената цевка ја прицврстуваме со летва за скалата, така што и цевката и скалата да бидат вертикални. Потоа набљудуваме искачување на водата во цевката, кое јасно се распознава по бојата: сувиот примерок е светла боја, влажниот темна. Оддалеченоста меѓу нивото на водата во садот и горниот раб на влажниот примерок претставува висина на капиларното искачување hk.
Сл. 4. Определување на висината на капиларното искачување на водата со директно мерење
Набљудувањето се врши по правило по 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 итн. часа. Резултатите од набљудувањето се внесуваат во дијаграм, чии апсциси го претставуваат времето во часови, а ординатите висините на капиларното искачување на водата во mm (сл. 5).
Кај песочниот материјал, капиларното искачување е на почетокот нагло, потоа побавно и конечната висина на искачување брзо се достигнува. Кај глинест материјал, капиларното искачување е на почетокот побавно, но подолготрајно и достигнува значително поголема висина.
Овој начин на одредување на капиларната висина е долготраен, особено кај глинеста почва. Освен тоа висината на капиларното искачување зависи од температурата на воздухот како и од неговата влажност, поради што е потребно овие фактори да се одржуваат колку што е можно постојани.
Сл. 5. Дијаграм на капиларното искачување на водата во почвата, а-песок; б-прашина; в-глинеста почва
Опит за определување на капиларната висина со помош на капилариметар
Постојат повеќе капариметри со различни конструкции, како што се капариметрите на Beskow, Jürgenson и Engelhardt. Овде ќе го опишеме принципот на работа со капариметарот на Beskow, кој најмногу се применува.
Овој испит се изведува на нерастревожени или растревожени примероци. Ако примерокот е растревожен, тогаш се внесува во апаратот во состојба на граница на течење.
Сл. 6. Капилариметар Бескова
Капилариметарот на Бесков се состои од два садa (сл. 6), споени во долните делови меѓусебно со армиран гумен цревo. Во сад 1 се става примерок од почва на филтерското дно, додека под него е сад исполнет делумно со дестилирана вода, делумно со жива, која во долниот дел е така распоредена што го исполнува и целото гумено црево и долниот дел од садот 2. На почетокот на опитот нивото на живата во двата сада е исто. Потоа садот 2 се спушта надолу, со што се создава подпритисок под филтерското дно на садот 1. Кога овој подпритисок ќе стане поголем од капиларните сили во примерокот, воздухот продира низ примерокот до филтерското дно и нивото на живата во двата сада веднаш потоа се израмнува со спуштање на садот 2. Разликата Hg меѓу нивото на живата во едниот и во другиот сад во моментот на израмнување на подпритисокот и капиларните сили, односно непосредно пред воздухот да почне да продира низ примерокот, пресметана на висина на воден столб и зголемена за висината на водениот столб h под примерокот, ја дава капиларната висина hk. Бидејќи живата 13,6 пати е потешка од водата, висината на капиларното искачување hk е:
hk = 13,6 Hg + h
Определување на пропустливоста на тлото
Лабораторискиот опит за определување на пропустливоста на почвата се врши со помош на посебни апарати што се нарекуваат пермеаметри. Постојат различни конструкции на пермеаметри, кои, меѓутоа, можат да се поделат во две групи: пермеаметри со константен притисок на водата, за крупнозрнести почви, и пермеаметри со опаѓачки притисок на водата за ситнозрнести почви. Во двата случаи опитот се врши со нерастроени примероци.
Со лабораторискиот испит се одредува коефициентот на пропустливост на почвата, чија вредност се изразува на една одредена температура, поради различната вискозност на водата на различни температури, што влијае на вредноста на коефициентот на пропустливост k. Најчесто се изразува коефициентот k на температура t =10°C. Според тоа, ако е 10°C, температурата на водата при определување на коефициентот k била T различна од t = 10°C тогаш нејзината вредност се пресметува по образецот:
k10oC = ηt /η10oC * kT
каде што ηt и η10oC се вискозитетот на водата на работната температура T, односно усвоената температура t =10°C.
kT добиена вредност на коефициентот на пропустливост на тлото на работната температура T.
Вредностите на вискозитетот за различни температури T се дадени во табелата 1.
Испитување со константен воден притисок
Сл. 7. Пермеаметар со постојан притисок на водата
За овој опит се зема непореметен примерок на тло во метален цилиндар со пречник D, висина h, со заострен долен раб, со втиснување во тлото или во поголем непореметен примерок. Откако горната и долната површина на примерокот ќе се израмнат со рабовите на цилиндарот, примерокот во цилиндарот се става во апаратот (сл. 7) меѓу горниот и долниот филтер. Долниот филтер се состои од густо сито и филтерски камен, за да се овозможи проток на вода низ примерокот и да се спречи испирање на честичките од тлото. Горниот филтер е без сито, бидејќи постои помала можност за испирање на честичките. Доводот на вода во примерокот е од ниво N, кое со помош на прелив се одржува константно, така што хидростатичкиот притисок H е константен. Под овој притисок водата поминува низ примерокот со дебелина h и со помош на цевка вклучена во горниот дел на апаратот стигнува во стаклената мензура M каде што капе.
Штом ќе почне протокот на вода низ примерокот во мензурата, го пуштаме стоперицата во работа и ја набљудуваме количината на вода q што дотекува во мензурата за време t. Според Дарциевиот закон е
q = k*A*t*i
каде што k е коефициент на пропустливост во cm/sec, A е површина на пресекот на примерокот, i е хидрауличен пад, i = H/h.
Од горната равенка имаме k= qh/Ath [cm/sec].
Количината вода што поминува низ примерокот ја отчитуваме во поединечни временски интервали од почетокот до крајот на набљудувањето, така што ги имаме и поединечните и вкупната количина вода што протекла низ примерокот.
За да се исклучат воздушните меури во примерокот и во водата, кои можат да доведат до погрешни резултати од испитувањето, потребно е пред испитувањето примерокот да биде во заситена состојба, како и за извршување на испитувањето да се употребува превриена или барем отстоена вода.
Наместо претходно опишаниот апарат заснован на хидростатички притисок поради разликата во нивото на водата H, постојат и апарати кај кои хидростатичкиот притисок е создаден со воздушен притисок од 10 до 15 kp/cm2, одржуван константен со помош на компресор.