Penentuan batas Atterberg
Kami akan menerangkan ujian penentuan had alir, had plastis dan had susut, yang paling penting dalam mekanik tanah. Semua ujian ini dijalankan pada sampel tanah berikat yang terganggu.
Ujian penentuan had alir
Untuk ujian ini diambil kira-kira 200 p tanah dalam keadaan lembap semula jadi, tanpa butiran berdiameter melebihi 0,5 mm, yang boleh menjejaskan ketepatan hasil ujian. Sampel tidak boleh dikeringkan dalam ketuhar tetapi terus dimasukkan ke dalam cawan porselin dengan air suling, di mana ia perlu dibiarkan selama beberapa jam hingga benar-benar basah. Bagi loam dengan indeks keplastikan IP < 20, proses pembasahan berlangsung kira-kira 4 jam; bagi tanah liat IP > 20 ia berlangsung sehingga 18 jam. Seterusnya, sampel yang telah dibasahkan dituangkan ke atas plat kaca dan dicampur dengan baik menggunakan pisau makmal supaya diperoleh buburan pekat dengan komposisi seragam. Jika dikesan zarah yang lebih besar daripada 0,5 mm, zarah tersebut disingkirkan semasa pencampuran.
Sampel yang disediakan sedemikian dipindahkan ke dalam mangkuk loyang alat Casagrande untuk menentukan had aliran (raj. 1), yang dalam makmal kami dipanggil pengetuk Casagrande.
Raj. 1. Alat Cassagrande untuk menentukan had alah
Peranti ini terdiri daripada mangkuk loyang, yang disambungkan ke dalam peranti melalui sambungan khas, tapak anjal daripada getah keras, dengan eksentrik di bahagian atas dan pemegang untuk memutar, di mana eksentrik dinaikkan ke ketinggian 1 cm, menyebabkan mangkuk jatuh dan menghentam tapak (raj. 1a). Dimensi peranti adalah dinormakan. Selain itu, terdapat juga pisau berprofil dengan dimensi yang ditetapkan dengan tepat (raj. 1b).
Sampel yang disendukkan ke dalam mangkuk loyang diratakan dengan pisau supaya permukaan sampel benar-benar rata, dan sampel menutupi sedikit lebih daripada separuh bahagian hadapan mangkuk, dengan ketinggian di atas titik terendah dasar mangkuk kira-kira 12 mm. Kemudian mangkuk itu dipasang ke dalam alat dan dengan pisau berprofil dipotong alur di tengah supaya benar-benar lurus dan dasar loyang mangkuk kelihatan, yang dicapai dengan menarik pisau secara teliti tegak lurus terhadap dasar mangkuk. Panjang alur hendaklah kira-kira 40 mm. Seterusnya, pemegang alat diputar pada kelajuan 2 pusingan sesaat sambil hentakan mangkuk pada tapaknya dikira dan alur diperhatikan, yang akibat hentakan mangkuk pada tapaknya menjadi sempit, kerana bahagian sampel yang terpotong bergerak dan cenderung untuk bercantum. Putaran pemegang alat diteruskan sehingga alur bercantum sepanjang 10 mm. Apabila ini dicapai, putaran pemegang dihentikan, lalu segera selepas itu sampel diambil dengan pisau dalam jumlah kira-kira 2 cm3 dari bahagian sekitar alur yang telah bercantum pada kedua-dua sisi, dimasukkan ke dalam kaca jam dan kandungan lembapan tanah ditentukan.
Ujian ini diulang 3-4 kali dengan cara yang sama, tetapi setiap kali dengan kelembapan yang berbeza, yang dicapai jika sampel terlebih dahulu dicampur dengan jumlah air yang lebih kecil, kemudian air ditambah untuk ujian seterusnya. Selepas setiap ujian selesai, sampel dipindahkan ke atas plat kaca, di mana sedikit air ditambah dan diadun dengan baik, supaya diperoleh jisim pes yang seragam dan setiap kali sedikit lebih cair.
Bagi menjalankan ujian ini, buburan yang disediakan tidak boleh terlalu pekat mahupun terlalu cair, kerana keadaan konsistensi tanah yang terlalu jauh daripada had aliran tidak memberikan ketepatan yang diperlukan untuk ujian ini. Lazimnya diterima bahawa jika bilangan hentakan kurang daripada 10 atau lebih daripada 50, ujian dianggap gagal, tetapi ketepatan ujian dianggap lebih baik jika julat had ini 10-40 hentakan.
Dinyatakan bahawa mengikut satu prosedur, setiap kali selepas pemutaran pemegang selesai sehingga alur bersambung pada panjang 1 cm sampel dalam mangkuk loyang segera diaduk dengan pisau dan permukaan sampel dalam mangkuk diratakan semula, alur baharu dipotong, kemudian pemegang alat diputar. Prosedur ini diulang sehingga diperoleh tiga kali berturut-turut bilangan hentakan yang sama pada penyambungan alur sepanjang 1 cm, dan bilangan itu diambil untuk prosedur seterusnya dalam penentuan had alir. Hasil ujian dimasukkan ke dalam rajah pada skala semilogaritma (raj. 2). Pada paksi absis dimasukkan bilangan hentakan pada skala logaritma dan pada paksi ordinat jumlah air dalam peratus daripada berat kering sampel pada skala aritmetik. Oleh sebab dalam setiap ujian jumlah air w adalah berbeza, maka kita akan memperoleh titik A, B, C dan D, yang sepadan dengan bilangan hentakan yang berbeza, di mana bilangan hentakan menjadi lebih kecil apabila jumlah air lebih besar dan sebaliknya. Dengan menyambungkan titik-titik ini diperoleh garis lurus condong, pada mana kita mencari titik M untuk 25 hentakan. Jumlah air yang sepadan dengan titik ini diambil sebagai had alir wL.
Sl. 2. Penentuan had aliran
Penentuan had plastik
Sampel tanah yang disediakan seperti yang dihuraikan di atas, tetapi dengan kurang air, sehingga menjadi jisim plastik dalam keadaan kira-kira liat-plastik, digolekkan menjadi bebola kira-kira 2-3 cm3, kemudian digulung dengan tapak tangan di atas alas kertas biasa atau kertas penyerap menjadi silinder berdiameter 3 mm. Jika sampel boleh digulung hingga ketebalan itu tanpa patah, maka ia dibentuk semula menjadi bebola dan digulung dengan cara yang sama. Prosedur ini diulang sehingga silinder pada ketebalan 3 mm mula patah. Kemudian silinder yang patah itu diletakkan dalam kaca jam dan jumlah air ditentukan. Jumlah air itu, dinyatakan sebagai peratusan daripada berat kering sampel, sepadan dengan had plastik wP.
Penentuan had pengecutan
Raj. 3. Penentuan had pengecutan
Sampel tanah dicampur dengan air suling dengan cara yang diterangkan di bawah Ujian penentuan had alir, supaya konsistensinya berada kira-kira pada had alir, apabila semua liang tepu dengan air. Kemudian dibentuk bebola yang dibiarkan kering terlebih dahulu di udara, kemudian dalam pengering pada 105°C. Urutan pengeringan ini perlu untuk mengelakkan retakan pada sampel yang telah kering, yang boleh mengganggu ujian. Pada permulaan, berat W1 sampel diukur dan isipadunya V1 ditentukan melalui ujian rendaman dalam merkuri, kemudian ia terus dikeringkan di udara, dan selepas itu dalam pengering, dengan pengambilan sampel secara berkala, penyejukan dalam eksikator dan pengukuran beratnya W2, W3, W4 dan seterusnya serta isipadunya V2, V3, V4 dan seterusnya. Dengan cara ini akan ditentukan bahawa pada satu keadaan kelembapan, isipadu sampel berhenti berkurang walaupun beratnya terus menurun akibat pengeringan. Jika sampel pada keadaan awalnya tepu dengan air, iaitu tidak mengandungi udara dalam liang, kehilangan air melalui pengeringan sampel hingga had susut kira-kira bersamaan dengan pengurangan isipadu sampel. Selepas itu pengeringan diteruskan tanpa pengukuran isipadu, sehingga sampel benar-benar kering, iaitu sehingga beratnya menjadi tetap. Kemudian jumlah air dalam peratus daripada berat kering sampel ditentukan bagi setiap pengukuran isipadu dan berat sampel, lalu hasil ujian dipaparkan pada rajah (raj. 3). Dengan cara ini diperoleh titik A, B, C, D dan E, yang disambungkan, sehingga biasanya terhasil garis dengan patahan tajam di kawasan had susut. Pada titik patahan S diperoleh kelembapan w yang sepadan dengan had susut _W_S.
Penentuan kapilariti
Ujian penentuan ketinggian kenaikan kapilari air dilakukan dengan dua cara, iaitu melalui pengukuran terus ketinggian kenaikan kapilari air dan pengukuran tidak langsung menggunakan kapilarimeter.
Ujian penentuan ketinggian kapilari melalui pengukuran langsung
Daripada sampel terganggu diambil kira-kira 300 pondi tanah, yang dikeringkan pada 105°C, kemudian selepas disejukkan dihancurkan menjadi serbuk yang sangat halus tanpa memecahkan butiran. Serbuk yang terhasil dituangkan ke dalam tiub kaca berdiameter ø 25 mm, panjang 1,5 - 2,5 m, terbuka pada kedua-dua hujung, dengan hujung bawahnya terlebih dahulu ditutup dengan kapas kaca atau sehelai kain. Ke dalam hujung atas yang terbuka kita tuangkan serbuk yang telah dikeringkan setinggi kira-kira 10 cm, kemudian tiub diangkat dan dibiarkan jatuh dengan hentakan ke atas lantai kayu atau sokongan anjal lain, sehingga penurunan serbuk dalam tiub dapat dilihat. Kawalan penurunan serbuk dilakukan dengan menandakan garis menggunakan kapur berminyak pada tiub. Selepas itu kita tuangkan lagi 10 cm serbuk dan mengulangi prosedur yang sama sehingga tiub diisi dengan serbuk kering yang padat daripada sampel tanah yang kapilaritinya hendak diuji. Kemudian dasar tiub dicelup ke dalam bekas kaca berisi air suling tanpa aliran, dengan syarat hujung bawah tiub tidak boleh terletak pada dasar bekas (raj. 4). Tiub kaca dipasang pada pembaris dengan bilah supaya tiub dan skala sama-sama menegak. Selepas itu kita memerhati kenaikan air dalam tiub, yang jelas dikenali melalui warna: sampel kering berwarna cerah, sampel basah berwarna gelap. Jarak antara paras air dalam bekas dan bahagian atas sampel basah mewakili tinggi kenaikan kapilari hk.
Raj. 4. Penentuan ketinggian kenaikan kapilari air melalui pengukuran langsung
Pemerhatian biasanya dijalankan selepas 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 dan seterusnya jam. Hasil pemerhatian dipaparkan pada rajah, dengan paksi-x menunjukkan masa dalam jam, dan paksi-y menunjukkan ketinggian kenaikan kapilari air dalam mm (raj. 5).
Bagi bahan berpasir, kenaikan kapilari pada mulanya berlaku dengan cepat, kemudian lebih perlahan dan ketinggian akhir kenaikan dicapai dengan cepat. Bagi bahan liat, kenaikan kapilari pada mulanya lebih perlahan, tetapi lebih berpanjangan dan mencapai ketinggian yang jauh lebih besar.
Kaedah penentuan ketinggian kapilari ini memakan masa yang lama, terutamanya pada tanah liat. Selain itu, ketinggian kenaikan kapilari bergantung pada suhu udara serta kelembapannya, sebab itu faktor-faktor ini perlu dikekalkan setakat yang boleh pada tahap yang tetap.
Raj. 5. Gambar rajah kenaikan kapilari air dalam tanah, a-pasir; b-debu; c-tanah liat
Ujian penentuan ketinggian kapilari menggunakan kapilarimeter
Terdapat beberapa kapilarimeter dengan pelbagai reka bentuk, seperti kapilarimeter Beskowa, Jürgenson dan Engelhardt. Di sini kami akan menerangkan prinsip kerja kapilarimeter Beskow, yang paling banyak digunakan.
Ujian ini dijalankan pada sampel tidak terganggu atau terganggu. Jika sampel terganggu, ia dimasukkan ke dalam alat dalam keadaan pada had aliran.
Raj. 6. Kapilarimeter Beskowa
Kapilarimeter Beskowa terdiri daripada dua bejana (raj. 6), yang disambungkan pada bahagian bawah antara satu sama lain melalui hos getah bertetulang. Dalam bejana 1 diletakkan sampel tanah pada dasar penapis, manakala di bawahnya terdapat bejana yang diisi sebahagiannya dengan air suling dan sebahagiannya dengan merkuri, yang berada di bahagian bawah sedemikian rupa sehingga memenuhi seluruh hos getah dan bahagian bawah bejana 2. Pada permulaan ujian, paras merkuri dalam kedua-dua bejana adalah sama. Kemudian bejana 2 diturunkan ke bawah, yang mewujudkan tekanan rendah di bawah dasar penapis bejana 1. Apabila tekanan rendah ini menjadi lebih besar daripada daya kapilari dalam sampel, udara menembusi melalui sampel ke dasar penapis dan paras merkuri dalam kedua-dua bejana segera disamakan dengan menurunkan bejana 2. Perbezaan Hg antara paras merkuri dalam satu dan bejana yang lain pada saat penyamaan tekanan rendah dan daya kapilari, iaitu tepat sebelum udara mula menembusi sampel, apabila ditukar kepada ketinggian tiang air dan ditambah dengan ketinggian tiang air h di bawah sampel, memberikan ketinggian kapilari hk. Oleh sebab merkuri 13,6 kali lebih berat daripada air, maka ketinggian kenaikan kapilari hk ialah:
hk = 13,6 Hg + h
Penentuan kebolehtelapan tanah
Ujian makmal untuk penentuan kebolehtelapan tanah dijalankan dengan alat khas yang dipanggil permeameter. Terdapat pelbagai reka bentuk permeameter, namun ia boleh dibahagikan kepada dua kumpulan: permeameter dengan tekanan air malar, untuk tanah berbutir kasar dan permeameter dengan tekanan air menurun untuk tanah berbutir halus. Dalam kedua-dua kes, ujian dijalankan pada sampel yang tidak terganggu.
Melalui ujian makmal ditentukan pekali kebolehtelapan tanah, yang nilainya dinyatakan pada suhu tertentu, kerana kelikatan air yang berbeza pada suhu yang berbeza, yang mempengaruhi nilai pekali kebolehtelapan k. Lazimnya pekali k dinyatakan pada suhu t =10°C. Oleh itu, jika 10°C, suhu air semasa menentukan pekali k ialah T yang berbeza daripada t = 10°C maka nilainya dikira semula menurut formula:
k10oC = ηt /η10oC * kT
di mana ηt dan η10oC ialah kelikatan air pada suhu kerja T, iaitu suhu yang diambil t =10°C.
kT nilai pekali kebolehtelapan tanah pada suhu kerja T.
Nilai kelikatan bagi suhu T yang berbeza diberikan dalam jadual 1.
Ujian dengan tekanan air malar
Raj. 7. Permeameter dengan tekanan air malar
Untuk ujian ini, sampel tanah tidak terganggu diambil dalam silinder logam berdiameter D, tinggi h, dengan bahagian bawah yang diruncingkan, dengan menekannya ke dalam tanah atau ke dalam sampel tidak terganggu yang lebih besar. Setelah permukaan atas dan bawah sampel diratakan dengan tepi silinder, sampel dalam silinder diletakkan ke dalam alat (sl. 7) di antara penapis atas dan bawah. Penapis bawah terdiri daripada ayak rapat dan batu penapis, supaya aliran air melalui sampel dapat dibenarkan dan pembilasan zarah tanah dapat dicegah. Penapis atas tidak mempunyai ayak kerana kemungkinan pembilasan zarah lebih kecil. Bekalan air ke sampel adalah dari paras N, yang dikekalkan malar dengan bantuan limpahan, supaya tekanan hidrostatik H adalah malar. Di bawah tekanan ini, air melalui sampel setebal h dan melalui paip yang disambungkan pada bahagian atas alat masuk ke dalam menzura kaca M di mana ia menitis.
Sebaik sahaja air mula mengalir melalui sampel ke dalam silinder penyukat, kita hidupkan jam randik dan memerhatikan jumlah air q yang mengalir ke dalam silinder penyukat dalam masa t. Mengikut hukum Darcy ialah
q = k*A*t*i
di mana k ialah pekali kebolehtelapan dalam cm/sec, A ialah luas keratan rentas sampel, i ialah jatuhan hidraulik, i = H/h.
Daripada persamaan di atas, kita ada k= qh/Ath [cm/sec].
Jumlah air yang melalui sampel dibaca dalam selang masa tertentu dari awal hingga akhir pemerhatian, supaya kita memperoleh jumlah air setiap selang dan jumlah keseluruhan air yang melalui sampel.
Untuk menghapuskan gelembung udara dalam sampel dan dalam air, yang boleh membawa kepada hasil ujian yang salah, sampel mesti berada dalam keadaan tepu sebelum ujian, dan untuk melaksanakan ujian hendaklah digunakan air yang telah dididihkan atau sekurang-kurangnya air yang telah lama dibiarkan.
Sebagai ganti alat yang telah diterangkan sebelum ini yang berasaskan tekanan hidrostatik akibat perbezaan paras air H, terdapat juga alat yang mana tekanan hidrostatik dihasilkan oleh tekanan udara dari 10 hingga 15 kp/cm2, yang dikekalkan malar dengan bantuan pemampat.