Determinarea limitelor Atterberg
Vom descrie încercările de determinare a limitei de curgere, a limitei de plasticitate și a limitei de contracție, care sunt cele mai importante în mecanica solurilor. Toate aceste încercări se efectuează pe probe perturbate de sol coeziv.
Încercarea de determinare a limitei de curgere
Pentru această încercare se iau aproximativ 200 p de sol în stare natural umedă, fără granule cu diametrul peste 0,5 mm, care ar putea perturba precizia rezultatelor încercării. Proba nu trebuie uscată în etuvă, ci se introduce direct într-o cupă de porțelan cu apă distilată, unde trebuie să rămână mai multe ore până se umezește bine. Pentru argila cu indicele de plasticitate IP < 20, umezirea durează aproximativ 4 ore, pentru lutul IP > 20 până la 18 ore. Apoi proba umezită se răstoarnă pe o placă de sticlă și se amestecă bine cu un cuțit de laborator, pentru a obține o pastă densă cu compoziție uniformă. Dacă se observă particule mai mari de 0,5 mm, acestea se îndepărtează în timpul amestecării.
Proba astfel pregătită se transferă în cupa de alamă a aparatului Casagrande pentru determinarea limitei de curgere (fig. 1), care în laboratoarele noastre este numit shakerul Casagrande.
Fig. 1. Aparatul Cassagrande pentru determinarea limitei de curgere
Aparatul este alcătuit dintr-un bol de alamă, care este introdus în aparat printr-o îmbinare specială, o bază elastică din cauciuc dur, cu un excentric în partea superioară și o manetă de rotire, excentricul ridicându-se la înălțimea de 1 cm, fapt ce face ca bolul să cadă și să lovească baza (fig. 1a). Dimensiunile aparatului sunt standardizate. În plus, există și un cuțit profilat, cu dimensiuni precise (fig. 1b).
Proba prelevată în castronul de alamă se nivelează cu cuțitul astfel încât suprafața probei să fie complet plană și proba să acopere puțin mai mult de jumătate din partea frontală a castronului, iar înălțimea ei deasupra celui mai jos punct al fundului castronului să fie de aproximativ 12 mm. Apoi castronul se introduce în aparat și cu cuțitul profilat se taie o canelură la mijloc, astfel încât să fie complet dreaptă și să se vadă fundul de alamă al castronului, ceea ce se obține prin tragerea atentă a cuțitului perpendicular pe fundul castronului. Lungimea canelurii trebuie să fie de aproximativ 40 mm. Imediat după aceea se rotește maneta aparatului cu o viteză de 2 rotații pe secundă, în timpul căreia se numără loviturile castronului în suport și se observă canelura, care se îngustează din cauza loviturilor castronului în suport, deoarece părțile tăiate ale probei se deplasează și tind să se unească. Rotirea manetei aparatului continuă până când canelura se unește pe o lungime de 10 mm. Când acest lucru este realizat, se oprește rotirea ulterioară a manetei, iar imediat după aceea se scoate cu cuțitul proba în cantitate de aproximativ 2 cm3 din zona din jurul canelurii unite de pe ambele părți, se pune în sticle de ceas și se determină umiditatea solului.
Această încercare se repetă de 3-4 ori în același mod, dar de fiecare dată cu o umiditate diferită, ceea ce se obține dacă proba este mai întâi amestecată cu o cantitate mai mică de apă, iar apoi apa se adaugă pentru celelalte încercări. După fiecare încercare finalizată, proba se răstoarnă pe o placă de sticlă, unde se adaugă puțină apă și se amestecă bine, pentru a obține o masă păstoasă uniformă, de fiecare dată puțin mai fluidă.
Pentru executarea încercării, pasta pregătită nu trebuie să fie nici prea groasă, nici prea fluidă, deoarece stările de consistență ale solului prea îndepărtate de limita de curgere nu oferă precizia necesară pentru această încercare. De obicei se adoptă că, dacă numărul de lovituri este mai mic de 10 sau mai mare de 50, încercarea a eșuat, dar se consideră că precizia încercării este mai bună dacă intervalul acestor limite este 10-40 lovituri.
Se menționează că, după o anumită procedură, de fiecare dată după terminarea rotirii manivelei până la închiderea șanțului pe o lungime de 1 cm, proba din cănița de alamă se amestecă imediat cu un cuțit și suprafața probei din căniță se nivelează din nou, se taie un nou șanț, apoi se rotește manivela aparatului. Această procedură se repetă până când se obține de trei ori consecutiv același număr de lovituri la închiderea șanțului pe o lungime de 1 cm, număr care se adoptă pentru continuarea determinării limitei de curgere. Rezultatele încercării se înscriu pe diagrama cu scară semilogaritmică (fig. 2). Pe axa absciselor se înscrie numărul de lovituri în scară logaritmică, iar pe axa ordonatelor cantitatea de apă în procente din greutatea uscată a probei, în scară aritmetică. Deoarece la fiecare încercare cantitatea de apă w este diferită, vom obține punctele A, B, C și D, care corespund unui număr diferit de lovituri, numărul de lovituri fiind mai mic cu cât cantitatea de apă este mai mare și invers. Unind aceste puncte obținem o linie dreaptă oblică, pe care căutăm punctul M pentru 25 lovituri. Cantitatea de apă corespunzătoare acestui punct se adoptă ca limită de curgere wL.
Sl. 2. Determinarea limitei de curgere
Determinarea limitei de plasticitate
Proba de sol pregătită în modul descris mai sus, dar cu mai puțină apă, astfel încât să fie o masă plastică aproximativ în stare vâsco-plastică, se strânge într-o bilă de aproximativ 2-3 cm3, apoi se rulează cu palma pe o suprafață de hârtie obișnuită sau absorbantă într-un cilindru cu grosimea de 3 mm. Dacă proba poate fi rulată până la această grosime fără să se rupă, atunci se strânge din nou într-o bilă și se rulează în același mod. Acest procedeu se repetă până când se obține ca cilindrul, la grosimea de 3 mm, să înceapă să se rupă. Atunci cilindrii rupți se pun în sticle de ceas și se determină cantitatea de apă. Această cantitate de apă, exprimată în procente din greutatea uscată a probei, corespunde limitei de plasticitate wP.
Determinarea limitei de contracție
Fig. 3. Determinarea limitei de contracție
Proba de sol se amestecă cu apă distilată în modul descris la Încercarea de determinare a limitei de curgere, astfel încât consistența ei să fie aproximativ la limita de curgere, când toți porii sunt saturați cu apă. Apoi se formează o bilă care se lasă să se usuce mai întâi la aer, apoi în etuvă la 105°C. Această succesiune a uscării este necesară pentru a evita fisurile în proba uscată, care ar perturba încercarea. Chiar de la început se măsoară greutatea W1 a probei și se determină volumul ei V1 prin încercarea cu imersare în mercur, apoi se usucă în continuare la aer, iar apoi în etuvă, cu prelevări periodice ale probei, răcire în exicator și măsurarea greutății ei W2, W3, W4 etc. și a volumului V2, V3, V4 etc. În acest mod se va constata că, la o anumită stare de umiditate, volumul probei încetează să mai scadă, deși greutatea ei continuă să scadă din cauza uscării. Dacă proba, în starea ei inițială, este saturată cu apă, adică nu conține aer în pori, pierderea apei prin uscarea probei până la limita de contracție corespunde aproximativ scăderii volumului probei. După aceea uscarea continuă și în continuare fără măsurarea volumului, până când proba se usucă complet, adică până la constanța greutății. Atunci se determină cantitatea de apă în procente din greutatea uscată a probei pentru fiecare măsurare a volumului și greutății probei, iar rezultatele încercării se reprezintă pe diagramă (fig. 3). În acest fel se obțin punctele A, B, C, D și E, care se unesc, astfel încât de obicei se obține o linie cu o frângere accentuată în zona limitei de contracție. În punctul de frângere S se obține umiditatea w care corespunde limitei de contracție _W_S.
Determinarea capilarității
Încercarea de determinare a înălțimii ascensiunii capilare a apei se realizează în două moduri, și anume prin măsurarea directă a înălțimii ascensiunii capilare a apei și prin măsurarea indirectă cu ajutorul capilarimetrului.
Încercarea de determinare a înălțimii capilare prin măsurare directă
Din proba perturbată se iau circa 300 pondi de sol, care se usucă la 105°C, apoi, după răcire, se mărunțesc într-o pulbere foarte fină, fără a zdrobi granulele. Pulberea obținută se toarnă într-un tub de sticlă cu diametrul ø 25 mm, lungimea 1,5 - 2,5 m, deschis la ambele capete, al cărui capăt inferior este închis în prealabil cu vată de sticlă sau cu o bucată de pânză. În capătul superior deschis turnăm pulberea uscată până la înălțimea de aproximativ 10 cm, apoi ridicăm tubul și îl lăsăm să cadă cu impact pe o podea de lemn sau pe un alt suport elastic, până când se observă tasarea pulberii din tub. Controlul tasării pulberii se face prin trasarea unor linii cu cretă grasă pe tub. După aceea adăugăm încă 10 cm de pulbere și repetăm aceeași procedură până când umplem tubul cu pulbere uscată compactată a probei de sol, a cărei capilaritate o investigăm. Apoi fundul tubului îl scufundăm într-un vas de sticlă cu apă distilată, fără curgere, astfel încât capătul inferior al tubului să nu se sprijine pe fundul vasului (fig. 4). Fixăm tubul de sticlă de o riglă gradată, astfel încât atât tubul, cât și scala să fie verticale. După aceea observăm urcarea apei în tub, care se distinge clar după culoare: proba uscată este de culoare deschisă, cea umedă închisă. Distanța dintre nivelul apei din vas și marginea superioară a probei umede reprezintă înălțimea ridicării capilare hk.
Fig. 4. Determinarea înălțimii ascensiunii capilare a apei prin măsurare directă
Observarea se efectuează de regulă după 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 etc. ore. Rezultatele observării se înscriu pe un diagramă, ale cărei abscise reprezintă timpul în ore, iar ordonatele înălțimile urcării capilare a apei în mm (fig. 5).
La materialul nisipos, ascensiunea capilară este la început bruscă, apoi mai lentă, iar înălțimea finală a urcării este atinsă rapid. La materialul argilos, ascensiunea capilară este la început mai lentă, dar durează mai mult și atinge o înălțime considerabil mai mare.
Această metodă de determinare a înălțimii capilare este de lungă durată, în special în cazul solului argilos. În plus, înălțimea ascensiunii capilare depinde de temperatura aerului, precum și de umiditatea acestuia, motiv pentru care acești factori trebuie menținuți pe cât posibil constanți.
Fig. 5. Diagrama ascensiunii capilare a apei în sol, a - nisip; b - praf; c - sol argilos
Încercarea de determinare a înălțimii capilare cu ajutorul capilarimetrului
Există mai multe capilaremetre de construcții diferite, cum ar fi capilaremetrele Beskow, Jürgenson și Engelhardt. Aici vom descrie principiul de funcționare al capilaremetrului Beskow, care este cel mai des utilizat.
Această încercare se efectuează pe probe nedisturbate sau disturbate. Dacă proba este disturbată, atunci ea se introduce în aparat în starea corespunzătoare limitei de curgere.
Fig. 6. Capilarimetrul Beskow
Capilarimetrul lui Beskow este alcătuit din două vase (fig. 6), unite în părțile inferioare între ele printr-un furtun de cauciuc ranforsat. În vasul 1 se introduce proba de sol pe fundul filtrant, iar sub ea se află vasul umplut parțial cu apă distilată, parțial cu mercur, care este în partea inferioară astfel încât să umple și întregul furtun de cauciuc și partea inferioară a vasului 2. La începutul experimentului, nivelul mercurului în ambele vase este același. Apoi vasul 2 este coborât în jos, prin care se creează sub fundul filtrant al vasului 1 o depresiune. Când această depresiune devine mai mare decât forțele capilare din probă, aerul pătrunde prin probă în fundul filtrant, iar nivelul mercurului în ambele vase se egalizează imediat după aceea prin coborârea vasului 2. Diferența Hg dintre nivelurile mercurului în unul și celălalt vas în momentul egalizării depresiunii și a forțelor capilare, adică chiar înainte ca aerul să înceapă să pătrundă prin probă, convertită la înălțimea coloanei de apă și mărită cu înălțimea coloanei de apă h de sub probă, dă înălțimea capilară hk. Deoarece mercurul este 13,6 ori mai greu decât apa, înălțimea ascensiunii capilare hk este:
hk = 13,6 Hg + h
Determinarea permeabilității solului
Încercarea de laborator pentru determinarea permeabilității solului se realizează cu ajutorul unor aparate speciale numite permeametre. Există diferite construcții de permeametre, care însă pot fi împărțite în două grupe: permeametre cu presiune constantă a apei, pentru soluri cu granulație mai mare și permeametre cu presiune descrescătoare a apei pentru soluri cu granulație fină. În ambele cazuri, încercarea se efectuează pe probe nedisturbate.
Prin încercarea de laborator se determină coeficientul de permeabilitate al solului, a cărui valoare se exprimă la o anumită temperatură, din cauza vâscozității diferite a apei la temperaturi diferite, ceea ce influențează valoarea coeficientului de permeabilitate k. Cel mai adesea se exprimă coeficientul k la temperatura t =10°C. În consecință, dacă 10°C, temperatura apei la determinarea coeficientului k a fost T diferită de t = 10°C atunci valoarea lui se recalculează după formula:
k10oC = ηt /η10oC * kT
unde ηt și η10oC sunt vâscozitatea apei la temperatura de lucru T, respectiv la temperatura adoptată t =10°C.
kT valoarea obținută a coeficientului de permeabilitate al solului la temperatura de lucru T.
Valorile vâscozității pentru diferite temperaturi T sunt date în tabelul 1.
Încercarea cu presiune constantă a apei
Fig. 7. Permeametru cu presiune constantă a apei
Pentru această încercare se prelevează o probă netulburată de sol într-un cilindru metalic cu diametrul D, înălțimea h, cu muchia inferioară ascuțită, prin împingere în sol sau într-o probă netulburată mai mare. După ce suprafețele superioară și inferioară ale probei sunt egalizate cu marginile cilindrului, proba din cilindru se așază în aparat (fig. 7) între filtrul superior și cel inferior. Filtrul inferior este alcătuit dintr-o sită deasă și o piatră filtrantă, pentru a permite circulația apei prin probă și pentru a împiedica spălarea particulelor de sol. Filtrul superior este fără sită, deoarece există o posibilitate mai mică de spălare a particulelor. Alimentarea cu apă a probei se face de la nivelul N, care se menține constant prin intermediul unui preaplin, astfel încât presiunea hidrostatică H este constantă. Sub această presiune apa trece prin proba cu grosimea h și, prin intermediul conductei racordate în partea superioară a aparatului, ajunge în cilindrul gradat de sticlă M, unde picură.
Imediat ce începe curgerea apei prin probă în cilindrul gradat, punem în funcțiune cronometrul și observăm cantitatea de apă q care ajunge în cilindru în timpul t. Conform legii lui Darcy este
q = k*A*t*i
unde k este coeficientul de permeabilitate în cm/sec, A aria secțiunii probei, i căderea hidraulică, i = H/h.
Din ecuația de mai sus avem k= qh/Ath [cm/sec].
Cantitatea de apă care trece prin probă o citim la intervale de timp succesive, de la începutul până la sfârșitul observării, astfel încât avem atât cantitățile individuale, cât și cantitatea totală de apă trecută prin probă.
Pentru a exclude bulele de aer din eșantion și din apă, care pot duce la rezultate eronate ale încercării, este necesar ca înainte de probă eșantionul să fie în stare saturată, iar pentru efectuarea încercării să se folosească apă fiartă sau cel puțin stătută.
În locul aparatului descris mai sus, bazat pe presiunea hidrostatică datorată diferenței de nivel a apei H, există și aparate la care presiunea hidrostatică este produsă de o presiune a aerului de la 10 la 15 kp/cm2, menținută constantă cu ajutorul unui compresor.