Определение границ Аттерберга
Мы опишем опыты определения предела текучести, предела пластичности и предела усадки, которые являются наиболее важными в механике грунтов. Все эти опыты выполняются на нарушенных образцах связного грунта.
Опыт определения границы текучести
Для этого опыта берут около 200 г грунта в естественно влажном состоянии, без зерен диаметром более 0,5 mm, которые могли бы нарушить точность результатов опыта. Образец нельзя сушить в сушильном шкафу, а его сразу помещают в фарфоровую чашку с дистиллированной водой, где он должен находиться несколько часов, пока хорошо не увлажнится. Для суглинка с индексом пластичности IP < 20 увлажнение продолжается около 4 часа, для глины IP > 20 — до 18 часов. Затем увлажненный образец переносят на стеклянную пластинку и с помощью лабораторного ножа тщательно перемешивают, чтобы получить густую массу равномерного состава. Если замечают частицы крупнее 0,5 mm, их при перемешивании удаляют.
Таким образом подготовленный образец переносится в латунную чашечку прибора Касагранде для определения границы текучести (рис. 1), который в наших лабораториях называется тряской Касагранде.
Рис. 1. Аппарат Касагранде для определения предела текучести
Прибор состоит из латунной чашечки, которая с помощью специального соединения вставляется в прибор, упругого основания из твёрдой резины с эксцентриком в верхней части и ручкой для вращения, при этом эксцентрик поднимается на высоту 1 cm, вследствие чего чашечка падает и ударяется о основание (рис. 1a). Размеры прибора стандартизированы. Кроме того, имеется профилированный нож строго определённых размеров (рис. 1b).
Перенесённый в латунную чашечку образец разравнивают ножом так, чтобы поверхность образца была совершенно ровной и чтобы он покрывал немного более половины передней части чашечки, при этом его высота над самой низкой точкой дна чашечки должна составлять около 12 mm. Затем чашечку устанавливают в прибор и профилированным ножом прорезают бороздку посередине так, чтобы она была совершенно прямой и чтобы было видно латунное дно чашечки; этого достигают осторожным проведением ножа перпендикулярно дну чашечки. Длина бороздки должна составлять около 40 mm. Сразу после этого рукоятку прибора вращают со скоростью 2 оборотов в секунду, при этом считают удары чашечки о основание и наблюдают бороздку, которая из-за ударов чашечки о основание сужается, поскольку рассечённые части образца смещаются и стремятся соединиться. Вращение рукоятки продолжают до тех пор, пока бороздка не сомкнётся на длине 10 mm. Когда это достигнуто, дальнейшее вращение рукоятки прекращают, после чего ножом извлекают образец в количестве около 2 cm3 из участка вокруг сомкнувшейся бороздки с обеих сторон, помещают его в часовые стёкла и определяют влажность грунта.
Этот опыт повторяют 3-4 раз таким же образом, но каждый раз при другой влажности, что достигается, если образец сначала перемешать с меньшим количеством воды, а затем воду добавлять для остальных опытов. После каждого завершенного опыта образец пересыпают на стеклянную пластину, где добавляют немного воды и хорошо перемешивают, чтобы получить однородную, каждый раз несколько более жидкую, кашицеобразную массу.
Для выполнения опыта приготовленная масса не должна быть ни слишком густой, ни слишком жидкой, поскольку состояния консистенции грунта, слишком удаленные от границы текучести, не дают необходимой точности для этого опыта. Обычно принимают, что если число ударов меньше 10 или больше 50, опыт не удался, но считается, что точность опыта выше, если интервал этих границ составляет 10-40 ударов.
Следует отметить, что согласно одному способу, каждый раз после завершения поворота рукоятки до соединения борозды на длине 1 cm образец в латунной чашечке сразу перемешивают ножом и снова выравнивают поверхность образца в чашечке, прорезают новую борозду, затем поворачивают рукоятку прибора. Этот процесс повторяют до тех пор, пока три раза подряд не будет получено одинаковое число ударов при соединении борозды на длине 1 cm, и это число принимают для дальнейшего определения предела текучести. Результаты испытаний наносят на диаграмму в полулогарифмическом масштабе (рис. 2). На ось абсцисс наносят число ударов в логарифмическом масштабе, а на ось ординат — количество воды в процентах от сухой массы образца в арифметическом масштабе. Поскольку в каждом опыте количество воды w различно, получаем точки A, B, C и D, соответствующие разному числу ударов, причем число ударов меньше, чем больше количество воды, и наоборот. Соединяя эти точки, получаем наклонную прямую линию, на которой ищем точку M для 25 ударов. Количество воды, соответствующее этой точке, принимается как предел текучести wL.
Рис. 2. Определение предела текучести
Определение предела пластичности
Образец грунта, приготовленный описанным выше способом, но с меньшим количеством воды, так что пластичная масса находится приблизительно в тугопластичном состоянии, скатывают в шарик около 2-3 cm3, а затем ладонью на подложке из обычной или впитывающей бумаги раскатывают в жгут толщиной 3 mm. Если образец можно раскатывать до такой толщины без разрушения, его снова скатывают в шарик и раскатывают тем же способом. Этот процесс повторяют до тех пор, пока не будет достигнуто, что жгут при толщине 3 mm не начинает разрушаться. Затем разрушенные жгуты помещают в часовое стекло и определяют количество воды. Это количество воды, выраженное в процентах сухой массы образца, соответствует пределу пластичности wP.
Определение границы усадки
Рис. 3. Определение границы усадки
Образец грунта смешивают с дистиллированной водой способом, описанным в разделе Опыт определения границы текучести, так, чтобы его консистенция была примерно на границе текучести, когда все поры насыщены водой. Затем из него формуют шарик, который оставляют сушиться сначала на воздухе, затем в сушильном шкафу при 105°C. Такая последовательность сушки необходима, чтобы избежать трещин в высохшем образце, которые могли бы исказить опыт. Сразу в начале измеряют массу W1 образца и определяют его объем V1 опытом с погружением в ртуть, затем продолжают сушить на воздухе, а потом в сушильном шкафу, периодически отбирая образец, охлаждая его в эксикаторе и измеряя его массу W2, W3, W4 и т. д., а также объем V2, V3, V4 и т. д. Таким образом устанавливают, что при одном состоянии влажности объем образца перестает уменьшаться, хотя его масса продолжает снижаться из-за сушки. Если образец в исходном состоянии насыщен водой, то есть не содержит воздуха в порах, потеря воды при сушке образца до предела усадки приблизительно соответствует уменьшению объема образца. После этого сушку продолжают без измерения объема до тех пор, пока образец полностью не высохнет, то есть до постоянства массы. Тогда для каждого измерения объема и массы образца определяют количество воды в процентах от сухой массы образца, а результаты опыта наносят на диаграмму (рис. 3). Таким образом получают точки A, B, C, D и E, которые соединяют, и обычно получается линия с резким изломом в области границы усадки. В точке излома S получают влажность w, соответствующую границе усадки _W_S.
Определение капиллярности
Опыт определения высоты капиллярного поднятия воды проводится двумя способами: прямым измерением высоты капиллярного поднятия воды и косвенным измерением с помощью капилляриметра.
Опыт определения капиллярной высоты прямым измерением
Из нарушенного образца берут около 300 пондов грунта, который сушат при 105°C, затем после охлаждения измельчают в совершенно мелкий порошок, не дробя зёрна. Полученный порошок засыпают в стеклянную трубку диаметром ø 25 mm, длиной 1,5 - 2,5 m, открытую с обоих концов, нижний конец которой предварительно закрывают стеклянной ватой или куском ткани. В открытый верхний конец засыпают высушенный порошок слоем около 10 cm, затем трубку поднимают и дают ей падать с ударом на деревянный пол или другую упругую опору до тех пор, пока наблюдается уплотнение порошка в трубке. Контроль уплотнения порошка выполняют нанесением на трубку линий жирным мелом. После этого засыпают ещё 10 cm порошка и повторяют ту же операцию, пока не заполнят трубку плотным сухим порошком образца грунта, капиллярность которого испытывают. Затем дно трубки погружают в стеклянный сосуд с неподвижной дистиллированной водой так, чтобы нижний конец трубки не касался дна сосуда (рис. 4). Стеклянную трубку закрепляют планкой к шкале так, чтобы и трубка, и шкала были вертикальными. После этого наблюдают подъём воды в трубке, который отчётливо различается по цвету: сухой образец светлый, влажный тёмный. Расстояние между уровнем воды в сосуде и верхним краем влажного образца представляет собой высоту капиллярного подъёма hk.
Рис. 4. Определение высоты капиллярного поднятия воды прямым измерением
Наблюдение выполняется, как правило, спустя 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 и т. д. часов. Результаты наблюдения наносятся на диаграмму, абсциссы которой представляют время в часах, а ординаты — высоты капиллярного подъема воды в мм (рис. 5).
У песчаного материала капиллярный подъем в начале резкий, затем более медленный, и конечная высота подъема быстро достигается. У глинистого материала капиллярный подъем вначале медленнее, но продолжается дольше и достигает значительно большей высоты.
Этот способ определения капиллярной высоты является длительным, особенно для глинистого грунта. Кроме того, высота капиллярного поднятия зависит от температуры воздуха, а также от его влажности, поэтому эти факторы необходимо поддерживать по возможности постоянными.
Рис. 5. Диаграмма капиллярного поднятия воды в грунте, a-песок; b-пыль; c-глинистый грунт
Опыт определения капиллярной высоты с помощью капилляриметра
Существует несколько капиллярометров различной конструкции, таких как капиллярометры Бескова, Юргенсона и Энгельгардта. Здесь мы опишем принцип работы с капиллярометром Бескова, который применяется чаще всего.
Этот опыт выполняется на ненарушенных или нарушенных образцах. Если образец нарушен, его вводят в прибор в состоянии на границе текучести.
Рис. 6. Капилляриметр Бескова
Капилляриметр Бескова состоит из двух сосудов (рис. 6), соединенных в нижних частях между собой с помощью армированного резинового шланга. В сосуд 1 помещают образец грунта на фильтрующее дно, а под ним находится сосуд, частично заполненный дистиллированной водой, частично ртутью, которая в нижней части находится так, что заполняет также весь резиновый шланг и нижнюю часть сосуда 2. В начале опыта уровень ртути в обоих сосудах одинаков. Затем сосуд 2 опускают вниз, чем под фильтрующим дном сосуда 1 создается разрежение. Когда это разрежение становится больше капиллярных сил в образце, воздух проникает через образец к фильтрующему дну, и уровень ртути в обоих сосудах вслед за этим выравнивается вследствие опускания сосуда 2. Разность Hg между уровнями ртути в одном и другом сосуде в момент выравнивания разрежения и капиллярных сил, то есть непосредственно перед тем, как воздух начал проникать через образец, пересчитанная на высоту водяного столба и увеличенная на высоту водяного столба h под образцом, дает капиллярную высоту hk. Поскольку ртуть 13,6 раз тяжелее воды, то высота капиллярного поднятия hk:
hk = 13,6 Hg + h
Определение проницаемости грунта
Лабораторное испытание на определение водопроницаемости грунта выполняют с помощью специальных приборов, называемых пермеаметрами. Существуют различные конструкции пермеаметров, которые, однако, можно разделить на две группы: пермеаметры с постоянным напором воды для крупнозернистых грунтов и пермеаметры с падающим напором воды для мелкозернистых грунтов. В обоих случаях испытание проводят на ненарушенных образцах.
Лабораторным испытанием определяется коэффициент водопроницаемости грунта, значение которого выражают при определённой температуре, поскольку вязкость воды при разных температурах различна, что влияет на величину коэффициента водопроницаемости k. Чаще всего коэффициент k выражают при температуре t =10°C. Следовательно, если 10°C, температура воды при определении коэффициента k была T, отличная от t = 10°C, то его значение пересчитывают по формуле:
k10oC = ηt /η10oC * kT
где ηt и η10oC — вязкость воды при рабочей температуре T, соответственно при принятой температуре t =10°C.
kT полученное значение коэффициента проницаемости грунта при рабочей температуре T.
Значения вязкости для различных температур T приведены в таблице 1.
Опыт с постоянным напором воды
Рис. 7. Пермеаметр с постоянным давлением воды
Для этого испытания берут ненарушенный образец грунта в металлический цилиндр диаметром D, высотой h, с заостренным нижним краем, путем вдавливания в грунт или в больший ненарушенный образец. После выравнивания верхней и нижней поверхностей образца по краям цилиндра образец в цилиндре помещают в аппарат (рис. 7) между верхним и нижним фильтром. Нижний фильтр состоит из плотного сита и фильтровального камня, чтобы обеспечить протекание воды через образец и предотвратить вымывание частиц грунта. Верхний фильтр без сита, так как возможность вымывания частиц меньше. Подача воды в образец осуществляется с уровня N, который с помощью перелива поддерживается постоянным, так что гидростатическое давление H постоянно. Под этим давлением вода проходит через образец толщиной h и с помощью трубки, подключенной к верхней части аппарата, попадает в стеклянную мензурку M, где капает.
Как только начнется протекание воды через образец в мерную колбу, запускаем секундомер и наблюдаем количество воды q, поступающей в мерную колбу за время t. Согласно закону Дарси,
q = k*A*t*i
где k — коэффициент фильтрации в см/сек, A — площадь поперечного сечения образца, i — гидравлический уклон, i = H/h.
Из приведенного выше уравнения имеем k= qh/Ath [cm/sec].
Количество воды, прошедшей через образец, мы считываем через отдельные временные интервалы от начала до конца наблюдения, так что получаем и отдельные, и общее количество воды, прошедшей через образец.
Чтобы исключить воздушные пузырьки в образце и в воде, которые могут привести к неправильным результатам испытания, необходимо, чтобы перед испытанием образец был в насыщенном состоянии, а для проведения испытания использовалась кипяченая или, по крайней мере, отстоявшаяся вода.
Вместо вышеописанного прибора, основанного на гидростатическом давлении вследствие разности уровней воды H, существуют и приборы, в которых гидростатическое давление создаётся давлением воздуха от 10 до 15 kp/cm2, поддерживаемым постоянным с помощью компрессора.