Bepaling van de Atterberggrenzen
We zullen de proeven beschrijven voor het bepalen van de vloeigrens, de plasticiteitsgrens en de krimpgrens, die het belangrijkst zijn in de bodemmechanica. Al deze proeven worden uitgevoerd op verstoorde monsters van cohesieve grond.
Proef voor het bepalen van de vloeigrens
Voor deze proef wordt ongeveer 200 p grond in natuurlijk vochtige toestand genomen, zonder korrels met een diameter groter dan 0,5 mm, die de nauwkeurigheid van de proefresultaten zouden verstoren. Het monster mag niet in de droogstoof worden gedroogd, maar wordt onmiddellijk in een porseleinen schaaltje met gedistilleerd water geplaatst, waar het enkele uren moet blijven totdat het goed is doorweekt. Voor leem met een plasticiteitsindex IP < 20 duurt het doorweken ongeveer 4 uur, voor klei IP > 20 tot 18 uur. Daarna wordt het doorweekte monster op een glazen plaat overgebracht en met behulp van een laboratoriummes goed gemengd, zodat een dikke brij van gelijkmatige samenstelling ontstaat. Indien deeltjes groter dan 0,5 mm worden opgemerkt, worden deze tijdens het mengen verwijderd.
Het aldus voorbereide monster wordt overgebracht in het messing kommetje van het Casagrande-apparaat voor het bepalen van de vloeigrens (afb. 1), dat in onze laboratoria Casagrande’s triltoestel wordt genoemd.
Afb. 1. Cassagrande-apparaat voor het bepalen van de vloeigrens
Het apparaat bestaat uit een koperen schaaltje, dat met behulp van een speciale verbinding in het apparaat wordt bevestigd, een elastische voet van hard rubber, met bovenaan een excenter en een draaigreep, waarbij de excenter wordt opgetild tot een hoogte van 1 cm, waardoor het schaaltje valt en tegen de voet slaat (afb. 1a). De afmetingen van het apparaat zijn genormeerd. Daarnaast is er ook een gevormd mes met exact bepaalde afmetingen (afb. 1b).
Het opgenomen monster in het koperen schaaltje wordt met een mes vlakgestreken zodat het oppervlak van het monster geheel vlak is en het monster iets meer dan de helft van de voorzijde van het schaaltje bedekt, terwijl de hoogte boven het laagste punt van de bodem van het schaaltje ongeveer 12 mm bedraagt. Vervolgens wordt het schaaltje in het apparaat geplaatst en wordt met het gevormde mes in het midden een groef ingesneden, zodat deze volkomen recht is en de koperen bodem van het schaaltje zichtbaar wordt; dit wordt bereikt door het mes voorzichtig loodrecht op de bodem van het schaaltje te trekken. De lengte van de groef moet ongeveer 40 mm zijn. Onmiddellijk daarna wordt de hendel van het apparaat gedraaid met een snelheid van 2 omwentelingen per seconde, waarbij de slagen van het schaaltje tegen de voet worden geteld en de groef wordt geobserveerd, die door de slagen van het schaaltje tegen de voet smaller wordt, omdat de doorgesneden delen van het monster zich verplaatsen en de neiging hebben samen te voegen. Het draaien van de hendel gaat door totdat de groef over een lengte van 10 mm is samengevoegd. Wanneer dit is bereikt, wordt het verder draaien van de hendel gestaakt, waarna met het mes onmiddellijk een hoeveelheid monster van ongeveer 2 cm3 uit het deel rond de samengevoegde groef aan beide zijden wordt genomen, in horlogeglazen wordt gebracht en het vochtgehalte van de grond wordt bepaald.
Deze proef wordt 3-4 keer op dezelfde wijze herhaald, maar telkens met een ander vochtgehalte, wat wordt bereikt doordat het monster eerst wordt gemengd met een kleinere hoeveelheid water en daarna voor de overige proeven water wordt toegevoegd. Na elke voltooide proef wordt het monster op een glazen plaat gestort, waar een beetje water aan wordt toegevoegd en het geheel goed wordt gemengd, zodat een gelijkmatige, telkens iets dunnere, papachtige massa ontstaat.
Voor het uitvoeren van de proef mag de bereide pasta niet te dik en niet te vloeibaar zijn, omdat consistentietoestanden van de grond die te ver van de vloeigrens verwijderd zijn niet de vereiste nauwkeurigheid voor deze proef geven. Gewoonlijk wordt aangenomen dat als het aantal slagen kleiner is dan 10 of groter dan 50, de proef mislukt is, maar men acht de nauwkeurigheid van de proef beter als het bereik van deze grenzen 10-40 slagen bedraagt.
Opgemerkt wordt dat volgens één procedure, telkens na het voltooien van het draaien van de hendel tot het samenvallen van de groef over een lengte van 1 cm, het monster in de messing schaal onmiddellijk met een mes wordt gemengd en het oppervlak van het monster in de schaal opnieuw wordt vlakgestreken, waarna een nieuwe groef wordt gesneden en vervolgens de hendel van het apparaat wordt gedraaid. Deze procedure wordt herhaald totdat men drie keer achtereen hetzelfde aantal slagen verkrijgt bij het samenvallen van de groef over een lengte van 1 cm, welk aantal vervolgens wordt aangenomen voor de verdere procedure bij het bepalen van de vloeigrens. De proefresultaten worden op een diagram in semilogaritmische schaal uitgezet (afb. 2). Op de abscisas-as wordt het aantal slagen in logaritmische schaal gezet en op de ordinaatas de hoeveelheid water als percentage van het droge gewicht van het monster in rekenkundige schaal. Omdat bij elke proef de hoeveelheid water w verschillend is, verkrijgen we de punten A, B, C en D, die overeenkomen met een verschillend aantal slagen, waarbij het aantal slagen kleiner is naarmate de hoeveelheid water groter is, en omgekeerd. Door deze punten te verbinden verkrijgen we een schuine rechte lijn, waarop we het punt M zoeken voor 25 slagen. De hoeveelheid water die bij dit punt hoort, wordt aangenomen als de vloeigrens wL.
Afb. 2. Bepaling van de vloeigrens
Bepaling van de plasticiteitsgrens
Een op de hierboven beschreven wijze bereid grondmonster, maar met minder water, zodat het een plastische massa in ongeveer taai-plastische toestand is, wordt tot een bolletje samengeknepen van ongeveer 2-3 cm3, en vervolgens met de hand op een onderlaag van gewoon of absorberend papier uitgerold tot een rolletje met een dikte van 3 mm. Als het monster tot die dikte kan worden uitgerold zonder te breken, wordt het opnieuw tot een bolletje samengeknepen en op dezelfde wijze uitgerold. Deze handeling wordt herhaald totdat de rol bij een dikte van 3 mm begint te breken. Daarna worden de gebroken rolletjes in horlogeglaasjes gedaan en wordt de hoeveelheid water bepaald. Die hoeveelheid water, uitgedrukt in procenten van het droge gewicht van het monster, komt overeen met de plasticiteitsgrens wP.
Bepaling van de krimpgrens
Afb. 3. Bepaling van de krimpgrens
Het grondmonster wordt gemengd met gedestilleerd water op de wijze beschreven onder Proef voor het bepalen van de vloeigrens, zodat de consistentie ongeveer op de vloeigrens ligt, wanneer alle poriën met water zijn verzadigd. Vervolgens wordt een bolletje gemaakt dat eerst aan de lucht en daarna in de droogstoof bij 105°C wordt gedroogd. Deze stapsgewijze droging is nodig om scheuren in het gedroogde monster te voorkomen, die de proef zouden verstoren. Direct aan het begin wordt het gewicht W1 van het monster gemeten en wordt het volume V1 bepaald met de proef door onderdompeling in kwik; daarna wordt verder aan de lucht gedroogd en vervolgens in de droogstoof, met tussentijds nemen van monsters, afkoelen in een exsiccator en het meten van het gewicht W2, W3, W4 enz. en van het volume V2, V3, V4 enz. Op die manier wordt vastgesteld dat bij een bepaalde vochttoestand het volume van het monster niet verder afneemt, hoewel het gewicht door droging nog steeds daalt. Als het monster in zijn begintoestand met water verzadigd is, d.w.z. geen lucht in de poriën bevat, komt het waterverlies door droging van het monster tot aan de krimpgrens ongeveer overeen met de volumevermindering van het monster. Daarna wordt het drogen voortgezet zonder volumemeting, totdat het monster volledig droog is, d.w.z. tot het gewicht constant blijft. Dan wordt voor elke volumemeting en gewichtsmeting het watergehalte in procenten van het droge gewicht van het monster bepaald, en worden de proefresultaten in een diagram uitgezet (afb. 3). Zo worden de punten A, B, C, D en E verkregen, die met elkaar worden verbonden, zodat gewoonlijk een lijn met een scherpe knik in de zone van de krimpgrens ontstaat. In het breekpunt S wordt een vochtgehalte w verkregen dat overeenkomt met de krimpgrens W_S.
Bepaling van de capillariteit
De proef voor het bepalen van de hoogte van de capillaire opstijging van water wordt op twee manieren uitgevoerd, namelijk door directe meting van de hoogte van de capillaire opstijging van water en door indirecte meting met behulp van een capillarimeter.
Proef voor het bepalen van de capillaire hoogte door directe meting
Uit het verstoorde monster wordt ongeveer 300 pond grond genomen, die wordt gedroogd bij 105°C, daarna na afkoeling tot zeer fijn poeder wordt vermalen, zonder de korrels te verbrijzelen. Het verkregen poeder wordt in een glazen buis met een diameter van ø 25 mm, lengte 1,5 - 2,5 m, aan beide uiteinden open, gegoten, waarbij het onderste uiteinde vooraf wordt afgesloten met glaswol of een stukje doek. In het open boveneinde gieten we het gedroogde poeder tot een hoogte van ongeveer 10 cm, daarna heffen we de buis op en laten die met een klap vallen op een houten vloer of een andere elastische ondergrond, totdat het neerdalen van het poeder in de buis zichtbaar is. De controle van de zetting van het poeder gebeurt door strepen met vetkrijt op de buis aan te brengen. Daarna gieten we nog eens 10 cm poeder erbij en herhalen we dezelfde procedure totdat de buis is gevuld met verdicht droog poeder van het grondmonster waarvan we de capillariteit onderzoeken. Vervolgens dompelen we de buisbodem in een glazen vat met stilstaand gedestilleerd water, waarbij het onderste uiteinde van de buis niet op de bodem van het vat mag rusten (fig. 4). De glazen buis bevestigen we met een lat aan een schaalverdeling, zodat zowel de buis als de schaal verticaal staan. Daarna observeren we de opstijging van water in de buis, die duidelijk herkenbaar is aan de kleur: het droge monster is licht van kleur, het vochtige donker. De afstand tussen het waterniveau in het vat en de bovenrand van het vochtige monster vormt de hoogte van de capillaire opstijging hk.
Sl. 4. Bepaling van de hoogte van de capillaire opstijging van water door directe meting
De waarneming wordt in de regel uitgevoerd na 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 enz. uur. De resultaten van de waarneming worden in een diagram uitgezet, waarvan de abscissen de tijd in uren voorstellen en de ordinaten de hoogten van de capillaire opstijging van het water in mm (afb. 5).
Bij zandig materiaal is het capillaire opstijgen aanvankelijk snel, daarna langzamer en wordt de eindhoogte van het opstijgen snel bereikt. Bij kleiachtig materiaal verloopt het capillaire opstijgen aanvankelijk langzamer, maar het duurt langer en bereikt een aanzienlijk grotere hoogte.
Deze methode voor het bepalen van de capillaire hoogte is tijdrovend, vooral bij kleigrond. Bovendien hangt de capillaire opstijghoogte af van de luchttemperatuur en van de luchtvochtigheid, waardoor deze factoren zo constant mogelijk moeten worden gehouden.
Afb. 5. Diagram van de capillaire opstijging van water in de grond, a-zand; b-stof; c-kleiige grond
Proef voor het bepalen van de capillaire hoogte met behulp van een capillimeter
Er bestaan meerdere capillariemeters van verschillende constructies, zoals de capillariemeters van Beskow, Jürgenson en Engelhardt. Hier zullen we het werkingsprincipe van de capillariemeter van Beskow beschrijven, die het meest wordt toegepast.
Deze proef wordt uitgevoerd op ongestoorde of verstoorde monsters. Als het monster verstoord is, wordt het in het apparaat ingebracht in een toestand op de vloeigrens.
Afb. 6. Beskows capillimeter
De capillairmeter van Beskowa bestaat uit twee vaten (afb. 6), die in hun onderste delen onderling zijn verbonden met behulp van een versterkte rubberslang. In vat 1 wordt het grondmonster op de filterbodem geplaatst, terwijl onder dit vat een vat is aangebracht dat deels gevuld is met gedestilleerd water en deels met kwik, dat aan de onderzijde zo is aangebracht dat het zowel de gehele rubberslang als het onderste deel van vat 2 vult. Aan het begin van de proef is het kwikniveau in beide vaten gelijk. Vervolgens wordt vat 2 naar beneden verlaagd, waardoor onder de filterbodem van vat 1 onderdruk ontstaat. Wanneer deze onderdruk groter wordt dan de capillaire krachten in het monster, dringt lucht door het monster in de filterbodem en wordt het kwikniveau in beide vaten daarna onmiddellijk gelijk door het zakken van vat 2. Het verschil Hg tussen het kwikniveau in het ene en het andere vat op het moment van gelijkwording van onderdruk en capillaire krachten, d.w.z. vlak voordat de lucht door het monster begon te dringen, omgerekend naar de hoogte van een waterkolom en vermeerderd met de hoogte van de waterkolom h onder het monster, geeft de capillaire hoogte hk. Aangezien kwik 13,6 keer zwaarder is dan water, is de hoogte van het capillaire opstijgen hk:
hk = 13,6 Hg + h
Bepaling van de doorlatendheid van de grond
De laboratoriumproef voor het bepalen van de doorlaatbaarheid van de bodem wordt uitgevoerd met speciale apparaten die permeameters worden genoemd. Er bestaan verschillende uitvoeringen van permeameters, die echter in twee groepen kunnen worden verdeeld: permeameters met constante waterdruk, voor grofkorrelige gronden, en permeameters met afnemende waterdruk voor fijnkorrelige gronden. In beide gevallen wordt de proef uitgevoerd met ongestoorde monsters.
Met een laboratoriumproef wordt de doorlatendheidscoëfficiënt van de grond bepaald, waarvan de waarde wordt uitgedrukt bij een bepaalde temperatuur, vanwege de verschillende viscositeit van water bij verschillende temperaturen, wat van invloed is op de waarde van de doorlatendheidscoëfficiënt k. Meestal wordt de coëfficiënt k uitgedrukt bij de temperatuur t =10°C. Indien dus 10°C, de watertemperatuur bij het bepalen van de coëfficiënt k, T verschilde van t = 10°C, dan wordt de waarde herrekend volgens de formule:
k10oC = ηt /η10oC * kT
waarbij ηt en η10oC de viscositeit van water zijn bij de gebruikstemperatuur T, respectievelijk de aangenomen temperatuur t =10°C.
kT verkregen waarde van de doorlatendheidscoëfficiënt van de bodem bij de bedrijfstemperatuur T.
De viscositeitswaarden voor verschillende temperaturen T zijn gegeven in tabel 1.
Proef met constante waterdruk
Afb. 7. Permiameter met constante waterdruk
Voor deze proef wordt een ongestoord grondmonster genomen in een metalen cilinder met diameter D, hoogte h, en een aangescherpte onderrand, door deze in de grond of in een groter ongestoord monster te drukken. Nadat het boven- en onderoppervlak van het monster gelijk zijn gemaakt met de randen van de cilinder, wordt het monster in de cilinder in het apparaat geplaatst (afb. 7) tussen het bovenste en onderste filter. Het onderste filter bestaat uit een dicht zeef en een filtersteen, om de waterdoorstroming door het monster mogelijk te maken en uitspoeling van gronddeeltjes te voorkomen. Het bovenste filter is zonder zeef, omdat de kans op uitspoeling van deeltjes kleiner is. De watertoevoer naar het monster gebeurt vanaf niveau N, dat met behulp van een overloop constant wordt gehouden, zodat de hydrostatische druk H constant is. Onder deze druk stroomt het water door het monster met dikte h en komt via een buis die in het bovenste deel van het apparaat is opgenomen in de glazen maatcilinder M, waar het druppelt.
Zodra het water door het monster in de maatcilinder begint te stromen, zetten we de stopwatch aan en observeren we de hoeveelheid water q die gedurende t in de maatcilinder instroomt. Volgens de wet van Darcy is
q = k*A*t*i
waarbij k de doorlatendheidscoëfficiënt in cm/sec is, A het doorsnede-oppervlak van het proefstuk, i de hydraulische verval, i = H/h.
Uit de bovenstaande vergelijking hebben we k= qh/Ath [cm/sec].
De hoeveelheid water die door het monster passeert, lezen we af in afzonderlijke tijdsintervallen vanaf het begin tot het einde van de waarneming, zodat we zowel de afzonderlijke hoeveelheden als de totale hoeveelheid water hebben die door het monster is gestroomd.
Om luchtbellen in het monster en in het water uit te sluiten, die tot onjuiste proefresultaten kunnen leiden, is het noodzakelijk dat het monster vóór de proef in verzadigde toestand verkeert en dat voor de uitvoering van de proef gekookt of ten minste stilstaand water wordt gebruikt.
In plaats van het hierboven beschreven apparaat op basis van hydrostatische druk door het verschil in waterniveau H bestaan er ook apparaten waarbij de hydrostatische druk wordt opgewekt door luchtdruk van 10 tot 15 kp/cm2, constant gehouden door middel van een compressor.