Bestemmelse av Atterbergs grenser
Vi vil beskrive prøvene for bestemmelse av flytegrense, plastisitetsgrense og krympegrense, som er de viktigste i jordmekanikken. Alle disse prøvene utføres på forstyrrede prøver av kohesjonsjord.
Forsøk for bestemmelse av flytegrensen
Til denne prøven tas det omtrent 200 g jord i naturlig fuktig tilstand, uten korn med diameter over 0,5 mm, som ellers ville forstyrre presisjonen i prøveresultatene. Prøven må ikke tørkes i tørkeskap, men legges umiddelbart i en porselenskopp med destillert vann, hvor den skal stå i flere timer til den er godt gjennomfuktet. For leire med plastisitetsindeks IP < 20 varer gjennomfuktingen i omtrent 4 time, for leire IP > 20 til 18 timer. Deretter legges den gjennomfuktede prøven over på en glassplate og blandes godt med en laboratoriekniv, slik at det oppnås en tykk masse av jevn sammensetning. Dersom det observeres partikler større enn 0,5 mm, fjernes de under blandingen.
Prøven som er forberedt på denne måten, helles over i den messingskålen i Casagrandes apparat for bestemmelse av flytegrensen (fig. 1), som i våre laboratorier kalles Casagrandes slagapparat.
Fig. 1. Cassagrandes apparat for bestemmelse av flytegrensen
Apparatet består av en messingskål, som ved hjelp av en spesiell forbindelse kobles inn i apparatet, et elastisk understell av hardgummi, med eksenter i den øvre delen og en håndsveiv, der eksenteret løftes til en høyde av 1 cm, hvorved skålen faller og slår mot understellet (fig. 1a). Apparatets mål er normert. I tillegg finnes det også en profilert kniv med nøyaktig bestemte mål (fig. 1b).
Den oppslepne prøven i en messingbolle jevnes ut med en kniv slik at prøveoverflaten blir helt plan, og slik at prøven dekker litt mer enn den fremre halvdelen av bollen, med en høyde over det laveste punktet i bunnen av bollen på omtrent 12 mm. Deretter settes bollen inn i apparatet, og med den profilerte kniven skjæres en renne i midten slik at den blir helt rett og messingbunnen i bollen blir synlig, noe som oppnås ved å føre kniven forsiktig vinkelrett på bunnen av bollen. Lengden på rennen skal være omtrent 40 mm. Umiddelbart etterpå dreies apparatets sveiv med en hastighet på 2 omdreininger i sekundet, mens man teller slagene fra bollen mot sokkelen og observerer rennen, som på grunn av slagene mot sokkelen snevres inn, fordi de avskårne delene av prøven beveger seg og søker å slutte seg sammen. Dreiingen av apparatets sveiv fortsetter inntil rennen er sammenføyd over en lengde på 10 mm. Når dette er oppnådd, opphører man å dreie videre, og deretter tas prøven straks ut med kniven i en mengde på omtrent 2 cm3 fra området rundt den sammenføyde rennen på begge sider, legges i urglass, og jordens fuktighet bestemmes.
Denne prøven gjentas 3-4 ganger på samme måte, men hver gang med ulik fuktighet, noe som oppnås ved først å blande prøven med en mindre mengde vann, og deretter tilsette vann til de øvrige prøvene. Etter hver avsluttede prøve helles prøven over på en glassplate, hvor det tilsettes litt vann og blandes godt, slik at man får en jevn, hver gang noe tynnere, grøtaktig masse.
For å gjennomføre forsøket må den tilberedte massen verken være for tykk eller for flytende, fordi jordens konsistens tilstander som ligger for langt fra flytegrensen, ikke gir den nødvendige nøyaktigheten for dette forsøket. Vanligvis antas det at hvis antallet slag er mindre enn 10 eller større enn 50, er forsøket mislykket, men man mener at forsøksnøyaktigheten er bedre hvis intervallet mellom disse grensene er 10-40 slag.
Det bemerkes at ifølge én metode skal prøven, hver gang håndtaket er dreid til sporet møtes over en lengde på 1 cm, umiddelbart blandes med en kniv i messingskålen, og prøvens overflate i skålen jevnes ut på nytt, et nytt spor skjæres, og deretter dreies apparatets håndtak. Denne prosedyren gjentas helt til man oppnår at det tre ganger på rad fås samme antall slag ved sammenslåing av sporet over en lengde på 1 cm, og dette antallet tas i bruk for videre fremgangsmåte ved bestemmelse av flytegrensen. Resultatene av prøvingen føres inn i et diagram med semilogaritmisk inndeling (fig. 2). På abscisseaksen føres antall slag inn i logaritmisk skala, og på ordinataksen vannmengden i prosent av prøvens tørre vekt i aritmetisk skala. Siden vannmengden w er forskjellig i hver prøve, får vi punktene A, B, C og D, som svarer til forskjellig antall slag, hvor antall slag er mindre jo større vannmengden er, og omvendt. Ved å forbinde disse punktene får vi en skrå rett linje, der vi søker punktet M for 25 slag. Vannmengden som svarer til dette punktet, tas som flytegrensen wL.
Fig. 2. Bestemmelse av flytegrensen
Bestemmelse av plastisitetsgrensen
Jordprøven, fremstilt på den måten som er beskrevet ovenfor, men med mindre vann, slik at den blir en plastisk masse omtrent i seigplastisk tilstand, samles til en liten kule på 2-3 cm3, og rulles deretter med håndflaten på vanlig eller absorberende papir til en tråd med tykkelse 3 mm. Hvis prøven kan rulles til denne tykkelsen uten å brekke, samles den på nytt til en kule og rulles på samme måte. Denne prosedyren gjentas inntil det oppnås at tråden ved en tykkelse på 3 mm begynner å brekke. Deretter legges de brutte trådene i urglass og vannmengden bestemmes. Denne vannmengden, uttrykt i prosent av prøvens tørrvekt, svarer til plastisitetsgrensen wP.
Bestemmelse av krympingsgrensen
Fig. 3. Bestemmelse av krympingsgrensen
Jordprøven blandes med destillert vann på den måten som er beskrevet under Forsøk for bestemmelse av flytegrensen, slik at konsistensen blir omtrent ved flytegrensen, når alle porer er mettet med vann. Deretter formes en liten kule som først får tørke i luft, deretter i tørkeskap ved 105°C. Denne tørkerekkefølgen er nødvendig for å unngå sprekker i den tørkede prøven, som ellers ville forstyrre forsøket. Helt i begynnelsen veies prøvens W1 og dens volum V1 bestemmes ved forsøk med nedsenking i kvikksølv, deretter tørkes den videre i luft og så i tørkeskap, med periodisk uttak av prøven, avkjøling i eksikator og måling av dens vekt W2, W3, W4 osv. og volum V2, V3, V4 osv. På denne måten vil man fastslå at ved en bestemt fuktighetstilstand slutter prøvevolumet å minke, selv om vekten fortsatt avtar på grunn av tørking. Hvis prøven i utgangstilstanden er mettet med vann, dvs. ikke inneholder luft i porene, vil vanntapet ved tørking av prøven fram til krympgrensen omtrent tilsvare reduksjonen i prøvevolumet. Deretter fortsetter tørkingen uten volum-måling, helt til prøven er fullstendig tørket, dvs. til konstant vekt. Så bestemmes vanninnholdet i prosent av prøvens tørre vekt for hver måling av prøvevolum og -vekt, og resultatene av forsøket føres inn i diagrammet (fig. 3). På denne måten får man punktene A, B, C, D og E, som forbindes, slik at man vanligvis får en linje med et skarpt knekkpunkt i området for krympgrensen. I knekkpunktet S fås fuktigheten w som svarer til krympgrensen _W_S.
Bestemmelse av kapillaritet
Forsøket for å bestemme høyden på vannets kapillære stigning utføres på to måter, nemlig ved direkte måling av høyden på vannets kapillære stigning og ved indirekte måling ved hjelp av en kapillarmåler.
Forsøk for bestemmelse av kapillærhøyden ved direkte måling
Fra en forstyrret prøve tas det om lag 300 pond jord, som tørkes ved 105°C, deretter knuses den etter avkjøling til et helt fint pulver, uten at kornene knuses. Det fremkomne pulveret fylles i et glassrør med diameter ø 25 mm, lengde 1,5 - 2,5 m, åpent i begge ender, der den nedre enden på forhånd lukkes med glassull eller et stykke tøy. I den åpne øvre enden fyller vi det uttørkede pulveret opp til en høyde på om lag 10 cm, deretter løfter vi røret og lar det falle med støt mot et tregulv eller annen elastisk støtte helt til pulveret i røret viser setning. Kontroll av pulverets setning utføres ved å merke streker med fettkritt på røret. Deretter fyller vi på ytterligere 10 cm pulver og gjentar samme prosedyre til røret er fylt med det komprimerte tørre pulveret fra jordprøven som skal undersøkes for kapillaritet. Deretter senker vi bunnen av røret ned i en glassbeholder med destillert vann uten strømning, slik at den nedre enden av røret ikke må hvile på bunnen av beholderen (fig. 4). Glassrøret festes med en list til en skala, slik at både røret og skalaen er vertikale. Etterpå observerer vi vannets stigning i røret, som tydelig kjennes igjen på fargen: den tørre prøven er lys, den våte mørk. Avstanden mellom vannivået i beholderen og den øvre kanten av den fuktige prøven utgjør høyden av den kapillære stigningen hk.
Fig. 4. Bestemmelse av høyden på vannets kapillære stigning ved direkte måling
Observasjonen utføres som regel etter 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 osv. timer. Resultatene av observasjonen føres inn i et diagram, der abscissen viser tid i timer og ordinaten viser høyden på vannets kapillære stigning i mm (fig. 5).
Hos sandholdig materiale er kapillær stigning i begynnelsen rask, deretter langsommere, og den endelige stigehøyden nås raskt. Hos leirholdig materiale er kapillær stigning i begynnelsen langsommere, men den varer lenger og når en langt større høyde.
Denne metoden for å bestemme kapillærhøyden er tidkrevende, særlig i leirjord. Dessuten avhenger høyden av den kapillære stigningen av lufttemperaturen og av luftfuktigheten, og derfor må disse faktorene holdes så konstante som mulig.
Fig. 5. Diagram over kapillær oppstigning av vann i jorda, a-sand; b-støv; c-leirjord
Forsøk for bestemmelse av kapillærhøyde ved hjelp av kapillærometer
Det finnes flere kapillarmetere av ulike konstruksjoner, som kapillarmetrene til Beskow, Jürgenson og Engelhardt. Her skal vi beskrive virkemåten til Beskow-kapillarmeteren, som brukes mest.
Denne prøven utføres på uforstyrrede eller forstyrrede prøver. Dersom prøven er forstyrret, føres den inn i apparatet i tilstand ved flytegrensen.
Fig. 6. Beskows kapillærometer
Beskows kapillarimeter består av to kar (fig. 6), forbundet i de nedre delene med hverandre ved hjelp av en armert gummislange. I kar 1 legges jordprøven på en filtrerende bunn, mens karet under er delvis fylt med destillert vann og delvis med kvikksølv, som i den nedre delen er slik at det fyller både hele gummislangen og den nedre delen av kar 2. Ved forsøksstart er kvikksølvnivået i begge kar like høyt. Deretter senkes kar 2 nedover, hvorved det oppstår undertrykk under filterbunnen i kar 1. Når dette undertrykket blir større enn kapillærkreftene i prøven, trenger luft gjennom prøven til filterbunnen, og kvikksølvnivået i begge kar utjevnes umiddelbart deretter ved at kar 2 tømmes. Forskjellen Hg mellom kvikksølvnivåene i det ene og det andre karet i det øyeblikket undertrykket og kapillærkreftene utjevnes, dvs. like før luften begynte å trenge gjennom prøven, omregnet til høyden av en vannsøyle og økt med høyden av vannsøylen h under prøven, gir kapillærhøyden hk. Siden kvikksølv er 13,6 ganger tyngre enn vann, er kapillærhøyden hk:
hk = 13,6 Hg + h
Bestemmelse av jordas gjennomtrengelighet
Laboratorieprøven for bestemmelse av jordas permeabilitet utføres ved hjelp av spesielle apparater som kalles permeametre. Det finnes ulike konstruksjoner av permeametre, som imidlertid kan deles i to grupper: permeametre med konstant vanntrykk, for grovkornede jordarter, og permeametre med avtagende vanntrykk for finkornede jordarter. I begge tilfeller utføres prøven med uforstyrrede prøver.
Ved laboratorieprøving bestemmes jordens permeabilitetskoeffisient, hvis verdi angis ved en bestemt temperatur, på grunn av vannets ulike viskositet ved ulike temperaturer, noe som påvirker verdien av permeabilitetskoeffisienten k. Vanligvis angis koeffisienten k ved temperaturen t =10°C. Hvis derfor 10°C, vanntemperaturen ved bestemmelse av koeffisienten k var T forskjellig fra t = 10°C, omregnes verdien etter formelen:
k10oC = ηt /η10oC * kT
hvor ηt og η10oC er vannets viskositet ved arbeidstemperaturen T, henholdsvis den valgte temperaturen t =10°C.
kT oppnådd verdi av jordens permeabilitetskoeffisient ved arbeidstemperaturen T.
Verdiene for viskositet ved ulike temperaturer T er gitt i tabell 1.
Forsøk med konstant vanntrykk
Fig. 7. Permeameter med konstant vanntrykk
Til denne prøven tas en uforstyrret jordprøve i en metallcylinder med diameter D, høyde h, og spisset nedre kant, ved innpressing i jorden eller i en større uforstyrret prøve. Etter at prøvens øvre og nedre flate er avrettet mot sylinderkantene, settes prøven i sylinderen i apparatet (fig. 7) mellom øvre og nedre filter. Det nedre filteret består av en finmasket sil og en filterstein for å muliggjøre vannstrøm gjennom prøven og hindre utvasking av jordpartikler. Det øvre filteret er uten sil, fordi det er mindre risiko for utvasking av partikler. Vanntilførselen til prøven skjer fra nivå N, som holdes konstant ved hjelp av et overløp, slik at det hydrostatiske trykket H er konstant. Under dette trykket passerer vannet gjennom prøven med tykkelse h og når gjennom et rør som er innkoblet i apparatets øvre del, den glassmenzuren M, hvor det drypper.
Så snart vannet begynner å strømme gjennom prøven inn i målesylinderen, setter vi stoppeklokken i gang og observerer vannmengden q som renner inn i målesylinderen i tiden t. Ifølge Darcys lov er
q = k*A*t*i
der k er permeabilitetskoeffisienten i cm/sec, A tverrsnittsarealet av prøven, i den hydrauliske gradienten, i = H/h.
Fra den øvre ligningen har vi k= qh/Ath [cm/sec].
Mengden vann som passerer gjennom prøven leses av i de enkelte tidsintervallene fra starten til slutten av observasjonen, slik at vi får både delmengder og den totale vannmengden som har passert gjennom prøven.
For å utelukke luftbobler i prøven og i vannet, som kan føre til feilaktige forsøksresultater, er det nødvendig at prøven er mettet før forsøket, og at det brukes kokt eller i det minste stillestående vann til gjennomføringen av forsøket.
I stedet for det ovenfor beskrevne apparatet, som bygger på hydrostatisk trykk på grunn av forskjellen i vannstanden H, finnes det også apparater der det hydrostatiske trykket frembringes av lufttrykk fra 10 til 15 kp/cm2, holdt konstant ved hjelp av en kompressor.