Oznaczanie granic Atterberga
Opiszemy próby wyznaczania granicy płynności, granicy plastyczności i granicy skurczu, które są najważniejsze w mechanice gruntów. Wszystkie te próby wykonuje się na naruszonych próbkach gruntu spoistego.
Badanie wyznaczania granicy płynności
Do tego badania pobiera się około 200 p gruntu w naturalnie wilgotnym stanie, bez ziaren o średnicy większej niż 0,5 mm, które mogłyby zakłócić dokładność wyników badania. Próby nie wolno suszyć w suszarce, lecz należy ją bezpośrednio umieścić w porcelanowej miseczce z wodą destylowaną, gdzie powinna pozostawać przez kilka godzin, aż dobrze nasiąknie. Dla gliny piaszczystej, której wskaźnik plastyczności IP < 20, nasiąkanie trwa około 4 godziny, dla gliny IP > 20 do 18 godzin. Następnie nasiąkniętą próbkę przenosi się na szklaną płytkę i za pomocą noża laboratoryjnego dobrze miesza, aby otrzymać gęstą pastę o jednorodnym składzie. Jeżeli zauważą się cząstki większe niż 0,5 mm, usuwa się je podczas mieszania.
Tak przygotowaną próbkę przenosi się do mosiężnej miseczki aparatu Casagrande’a do oznaczania granicy płynności (rys. 1), który w naszych laboratoriach nazywany jest wstrząsarką Casagrande’a.
Rys. 1. Aparat Cassagrande’a do określania granicy plastyczności
Przyrząd składa się z mosiężnej miseczki, która za pomocą specjalnego połączenia jest włączana do urządzenia, elastycznej podstawy z twardej gumy, z mimośrodem w górnej części i dźwignią do obracania, przy czym mimośród unosi się na wysokość 1 cm, wskutek czego miseczka opada i uderza w podstawę (rys. 1a). Wymiary urządzenia są znormalizowane. Ponadto istnieje również profilowany nóż o dokładnie określonych wymiarach (rys. 1b).
Nabraną próbkę w mosiężną miseczkę wyrównuje się nożem tak, aby powierzchnia próbki była całkowicie płaska i aby próbka zakrywała nieco więcej niż połowę przedniej części miseczki, przy czym jej wysokość ponad najniższym punktem dna miseczki powinna wynosić około 12 mm. Następnie miseczkę włącza się do aparatu i profilowanym nożem nacina się bruzdę pośrodku tak, aby była całkowicie prosta i aby było widoczne mosiężne dno miseczki, co osiąga się przez staranne prowadzenie noża prostopadle do dna miseczki. Długość bruzdy powinna wynosić około 40 mm. Zaraz potem obraca się korbę aparatu z prędkością 2 obrotów na sekundę, przy czym liczy się uderzenia miseczki o podstawę i obserwuje bruzdę, która wskutek uderzeń miseczki o podstawę zwęża się, ponieważ rozcięte części próbki poruszają się i dążą do połączenia. Obracanie korby aparatu trwa tak długo, aż bruzda połączy się na długości 10 mm. Gdy to zostanie osiągnięte, przestaje się dalej obracać korbą, po czym natychmiast nożem wyjmuje się próbkę w ilości około 2 cm3 z części wokół połączonej bruzdy po obu stronach, umieszcza się ją w szkiełkach zegarkowych i oznacza wilgotność gruntu.
Próba ta powtarzana jest 3-4 razy w ten sam sposób, lecz za każdym razem przy innej wilgotności, co uzyskuje się przez to, że próbkę najpierw miesza się z mniejszą ilością wody, a następnie do pozostałych prób dodaje się wodę. Po każdej zakończonej próbie próbkę przesypuje się na szklaną płytę, gdzie dodaje się nieco wody i dobrze miesza, aby uzyskać jednolitą, za każdym razem nieco rzadszą, papkowatą masę.
Do wykonania badania przygotowana masa nie może być ani zbyt gęsta, ani zbyt rzadka, ponieważ stany konsystencji gruntu zbyt odległe od granicy płynności nie dają wymaganej dokładności tego badania. Zwykle przyjmuje się, że jeśli liczba uderzeń jest mniejsza od 10 lub większa od 50, badanie nie powiodło się, ale uważa się, że dokładność badania jest większa, jeśli przedział tych granic wynosi 10-40 uderzeń.
Zaznacza się, że według jednej metody, za każdym razem po zakończeniu obracania dźwigni do połączenia bruzdy na długości 1 cm próbkę w mosiężnej miseczce natychmiast miesza się nożem i ponownie wyrównuje powierzchnię próbki w miseczce, nacina nową bruzdę, a następnie obraca dźwignię aparatu. Procedurę tę powtarza się aż do uzyskania trzykrotnie z rzędu tej samej liczby uderzeń przy połączeniu bruzdy na długości 1 cm, którą to liczbę przyjmuje się do dalszego postępowania przy określaniu granicy płynności. Wyniki badań nanosimy na wykres w skali półlogarytmicznej (rys. 2). Na oś odciętych nanosi się liczbę uderzeń w skali logarytmicznej, a na oś rzędnych ilość wody w procentach suchej masy próbki w skali arytmetycznej. Ponieważ w każdym doświadczeniu ilość wody w jest inna, otrzymamy punkty A, B, C i D, odpowiadające różnej liczbie uderzeń, przy czym liczba uderzeń jest mniejsza, im większa jest ilość wody, i odwrotnie. Łącząc te punkty, otrzymujemy ukośną linię prostą, na której szukamy punktu M dla 25 uderzeń. Ilość wody odpowiadająca temu punktowi przyjmuje się jako granicę płynności wL.
Rys. 2. Oznaczanie granicy plastyczności
Określanie granicy plastyczności
Próbkę gruntu przygotowaną w sposób opisany wyżej, lecz z mniejszą ilością wody, tak aby masa plastyczna była mniej więcej w stanie twardoplastycznym, formuje się w kulkę o objętości około 2-3 cm3, a następnie toczy dłonią na podłożu zwykłego lub chłonnego papieru w wałeczek o grubości 3 mm. Jeżeli próbka daje się toczyć do takiej grubości bez pękania, wówczas ponownie formuje się ją w kulkę i toczy w ten sam sposób. Czynność tę powtarza się tak długo, aż wałeczek przy grubości 3 mm zacznie pękać. Wtedy pokruszone wałeczki umieszcza się na szkiełkach zegarkowych i oznacza ilość wody. Ta ilość wody, wyrażona w procentach suchej masy próbki, odpowiada granicy plastyczności wP.
Określanie granicy skurczu
Rys. 3. Określanie granicy skurczu
Próbkę gruntu miesza się z wodą destylowaną w sposób opisany pod Badanie wyznaczania granicy płynności, tak aby jej konsystencja była zbliżona do granicy płynności, gdy wszystkie pory są nasycone wodą. Następnie formuje się kulkę, którą pozostawia się do suszenia najpierw na powietrzu, potem w suszarce w temperaturze 105°C. Taka kolejność suszenia jest potrzebna, aby uniknąć pęknięć w wysuszonej próbce, które zakłóciłyby badanie. Już na początku mierzy się ciężar W1 próbki i określa jej objętość V1 badaniem przez zanurzenie w rtęci, następnie suszy się ją dalej na powietrzu, a potem w suszarce, z okresowym pobieraniem próbki, chłodzeniem w eksykatorze i pomiarem jej ciężaru W2, W3, W4 itd. oraz objętości V2, V3, V4 itd. W ten sposób stwierdza się, że przy pewnym stanie wilgotności objętość próbki przestaje się zmniejszać, mimo że jej ciężar nadal maleje wskutek suszenia. Jeżeli próbka w stanie początkowym jest nasycona wodą, tj. nie zawiera powietrza w porach, utrata wody przy suszeniu próbki do granicy skurczu w przybliżeniu odpowiada zmniejszeniu objętości próbki. Następnie suszenie jest kontynuowane bez pomiaru objętości, aż do całkowitego wysuszenia próbki, tj. do stałości ciężaru. Wtedy określa się zawartość wody w procentach suchego ciężaru próbki dla każdego pomiaru objętości i ciężaru próbki, a wyniki badania nanosi się na diagram (rys. 3). W ten sposób otrzymuje się punkty A, B, C, D i E, które łączy się, tak że zwykle otrzymuje się linię z ostrym załamaniem w obszarze granicy skurczu. W punkcie załamania S otrzymuje się wilgotność w odpowiadającą granicy skurczu _W_S.
Określanie kapilarności
Doświadczalne wyznaczanie wysokości kapilarnego podnoszenia wody wykonuje się na dwa sposoby, a mianowicie przez bezpośredni pomiar wysokości kapilarnego podnoszenia wody oraz przez pośredni pomiar za pomocą kapilarimetru.
Doświadczenie wyznaczania wysokości kapilarnej metodą bezpośredniego pomiaru
Z próbki naruszonej pobiera się około 300 pondi gruntu, którą suszy się w temperaturze 105°C, następnie po ostudzeniu rozdrabnia się na zupełnie drobny proszek, bez kruszenia ziaren. Otrzymany proszek wsypuje się do szklanej rurki o średnicy ø 25 mm, długości 1,5 - 2,5 m, otwartej na obu końcach, której dolny koniec uprzednio zamyka się watą szklaną lub kawałkiem tkaniny. Do otwartego górnego końca wsypujemy wysuszony proszek na wysokość około 10 cm, następnie rurkę podnosimy i pozwalamy jej spadać z uderzeniem na drewnianą podłogę lub inny elastyczny podkład, aż do chwili, gdy widoczne jest osiadanie proszku w rurce. Kontrolę osiadania proszku wykonujemy przez zaznaczanie na rurce linii tłustą kredą. Potem dosypujemy dalszych 10 cm proszku i powtarzamy ten sam sposób postępowania, aż napełnimy rurkę zagęszczonym suchym proszkiem próbki gruntu, której kapilarność badamy. Następnie dno rurki zanurzamy w szklanym naczyniu z destylowaną wodą stojącą, tak aby dolny koniec rurki nie opierał się o dno naczynia (rys. 4). Szklaną rurkę mocujemy listwą do skali, tak aby zarówno rurka, jak i skala były pionowe. Potem obserwujemy podnoszenie się wody w rurce, które wyraźnie rozpoznaje się po barwie: sucha próbka jest jasna, wilgotna ciemna. Odległość między poziomem wody w naczyniu a górną krawędzią wilgotnej próbki stanowi wysokość podciągania kapilarnego hk.
Rys. 4. Określanie wysokości kapilarnego podciągania wody metodą bezpośredniego pomiaru
Obserwacje wykonuje się z reguły po 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 itd. godzinach. Wyniki obserwacji nanosi się na diagram, którego odcięte przedstawiają czas w godzinach, a rzędne wysokość kapilarnego podnoszenia wody w mm (rys. 5).
W materiale piaszczystym podciąganie kapilarne na początku jest gwałtowne, następnie wolniejsze, a końcowa wysokość podciągania zostaje szybko osiągnięta. W materiale gliniastym podciąganie kapilarne na początku przebiega wolniej, ale trwa dłużej i osiąga znacznie większą wysokość.
Ta metoda określania wysokości kapilarnej jest czasochłonna, zwłaszcza w przypadku gleby gliniastej. Ponadto wysokość podciągania kapilarnego zależy od temperatury powietrza, jak również od jego wilgotności, dlatego czynniki te powinny być utrzymywane możliwie jak najbardziej stałe.
Rys. 5. Wykres kapilarnego podciągania wody w gruncie, a-piasek; b-pył; c-grunt gliniasty
Badanie wyznaczania wysokości kapilarnej za pomocą kapilarimetru
Istnieje kilka kapilarometrów o różnych konstrukcjach, takich jak kapilarometry Beskowa, Jürgensona i Engelhardta. Tutaj opiszemy zasadę działania kapilarometru Beskowa, który stosuje się najczęściej.
Badanie to wykonuje się na próbkach nienaruszonych lub naruszonych. Jeśli próbka jest naruszona, wprowadza się ją do aparatu w stanie na granicy płynięcia.
Sl. 6. Kapilarometr Beskowa
Kapilarometr Beskowa składa się z dwóch naczyń (rys. 6), połączonych w dolnych częściach ze sobą za pomocą wzmocnionego gumowego węża. Do naczynia 1 wkłada się próbkę gruntu na dno filtracyjne, natomiast pod nim znajduje się naczynie częściowo wypełnione wodą destylowaną, częściowo rtęcią, która w dolnej części znajduje się tak, że wypełnia także cały gumowy wąż i dolną część naczynia 2. Na początku doświadczenia poziom rtęci w obu naczyniach jest taki sam. Następnie naczynie 2 opuszcza się w dół, przez co pod dnem filtracyjnym naczynia 1 tworzy się podciśnienie. Gdy to podciśnienie stanie się większe od sił kapilarnych w próbce, powietrze przenika przez próbkę do dna filtracyjnego i poziom rtęci w obu naczyniach zaraz potem się wyrównuje wskutek opuszczenia naczynia 2. Różnica Hg między poziomem rtęci w jednym i drugim naczyniu w chwili zrównania podciśnienia i sił kapilarnych, tj. bezpośrednio przed tym, jak powietrze zaczęło przenikać przez próbkę, przeliczona na wysokość słupa wody i powiększona o wysokość słupa wody h pod próbką, daje wysokość kapilarną hk. Ponieważ rtęć jest 13,6 razy cięższa od wody, to wysokość podciągania kapilarnego hk:
hk = 13,6 Hg + h
Określanie przepuszczalności gruntu
Badanie laboratoryjne określania przepuszczalności gruntu wykonuje się za pomocą specjalnych aparatów zwanych permeametrami. Istnieją różne konstrukcje permeametrów, które jednak można podzielić na dwie grupy: permeametry ze stałym ciśnieniem wody, dla gruntów gruboziarnistych, oraz permeametry ze spadającym ciśnieniem wody dla gruntów drobnoziarnistych. W obu przypadkach badanie przeprowadza się na próbkach nienaruszonych.
Badaniem laboratoryjnym wyznacza się współczynnik przepuszczalności gruntu, którego wartość podaje się dla określonej temperatury, ze względu na różną lepkość wody w różnych temperaturach, co wpływa na wartość współczynnika przepuszczalności k. Najczęściej podaje się współczynnik k w temperaturze t =10°C. Zatem, jeśli 10°C, temperatura wody przy wyznaczaniu współczynnika k była T różna od t = 10°C, wówczas jego wartość przelicza się według wzoru:
k10oC = ηt /η10oC * kT
gdzie ηt i η10oC są lepkościami wody w temperaturze roboczej T, względnie w przyjętej temperaturze t =10°C.
kT otrzymana wartość współczynnika przepuszczalności gruntu w temperaturze roboczej T.
Wartości lepkości dla różnych temperatur T podano w tabeli 1.
Próba przy stałym ciśnieniu wody
Rys. 7. Permeametr o stałym ciśnieniu wody
Do tego badania pobiera się niezakłóconą próbkę gruntu w metalowy cylinder o średnicy D, wysokości h, ze ściętym dolnym brzegiem, wciskając ją w grunt albo w większą niezakłóconą próbkę. Po wyrównaniu górnej i dolnej powierzchni próbki z krawędziami cylindra próbkę w cylindrze umieszcza się w aparacie (rys. 7) między górnym i dolnym filtrem. Dolny filtr składa się z gęstego sita i kamienia filtracyjnego, aby umożliwić przepływ wody przez próbkę i zapobiec wypłukiwaniu cząstek gruntu. Górny filtr jest bez sita, ponieważ istnieje mniejsze prawdopodobieństwo wypłukiwania cząstek. Dopływ wody do próbki odbywa się z poziomu N, który utrzymuje się na stałym poziomie za pomocą przelewu, tak że ciśnienie hydrostatyczne H jest stałe. Pod tym ciśnieniem woda przepływa przez próbkę o grubości h i za pomocą rury włączonej w górną część aparatu trafia do szklanej menzurki M, gdzie kapie.
Gdy tylko przepływ wody przez próbkę do menzurki się rozpocznie, uruchamiamy stoper i obserwujemy ilość wody q, która dopływa do menzurki w czasie t. Zgodnie z prawem Darcy’ego jest
q = k*A*t*i
gdzie k jest współczynnikiem przepuszczalności w cm/sec, A polem przekroju próbki, i spadkiem hydraulicznym, i = H/h.
Z powyższego równania mamy k= qh/Ath [cm/sec].
Ilość wody, która przejdzie przez próbkę, odczytujemy w poszczególnych przedziałach czasowych od początku do końca obserwacji, tak że otrzymujemy zarówno ilości cząstkowe, jak i ilość całkowitą wody, która przepłynęła przez próbkę.
Aby wykluczyć pęcherzyki powietrza w próbce i w wodzie, które mogą prowadzić do błędnych wyników badania, konieczne jest, aby przed badaniem próbka była w stanie nasyconym, a także aby do wykonania badania używać wody przegotowanej lub przynajmniej odstanej.
Zamiast wyżej opisanego aparatu opartego na ciśnieniu hydrostatycznym wynikającym z różnicy poziomu wody H, istnieją też aparaty, w których ciśnienie hydrostatyczne wytwarzane jest przez ciśnienie powietrza od 10 do 15 kp/cm2, utrzymywane na stałym poziomie za pomocą kompresora.