Určovanie Atterbergových medzí
Opisali bomo preizkuse določanja meje tečenja, meje plastičnosti in meje skrčka, ki so najpomembnejši v mehaniki tal. Vsi ti preizkusi se izvajajo na porušenih vzorcih kohezivnih tal.
Preskus določanja meje tekočnosti
Za ta preskus se vzame približno 200 p tal v naravno vlažnem stanju, brez zrn s premerom nad 0,5 mm, ki bi lahko vplivala na točnost rezultatov preskusa. Vzorec se ne sme sušiti v sušilniku, temveč se ga neposredno položi v porcelanasto skodelico z destilirano vodo, kjer mora ostati več ur, da se dobro navlaži. Za ilovico z indeksom plastičnosti IP < 20 navlaževanje traja približno 4 ure, za glino IP > 20 do 18 ur. Nato se navlaženi vzorec prenese na stekleno ploščo in z laboratorijskim nožem dobro premeša, da dobimo gosto kašo enotne sestave. Če opazimo delce večje od 0,5 mm, jih pri mešanju odstranimo.
Tako pripravljen vzorec se prenese v medeninasto skodelico Casagrandove naprave za določanje meje tekočnosti (sl. 1), ki jo v naših laboratorijih imenujemo Casagrandova treskalica.
Sl. 1. Cassagrandeov aparat za določanje meje tečenja
Naprava je sestavljena iz medeninaste posodice, ki se s posebno povezavo vstavi v napravo, elastičnega podstavka iz trde gume, z ekscentrom v zgornjem delu in ročico za vrtenje, pri čemer se ekscenter dvigne na višino 1 cm, zaradi česar posodica pade in udari ob podstavek (sl. 1a). Mere naprave so normirane. Poleg tega obstaja tudi profilirani nož natančno določenih mer (sl. 1b).
Nabrani vzorec v medeninasti posodici se z nožem zravna tako, da je površina vzorca popolnoma ravna in da vzorec pokrije nekaj več kot polovico sprednjega dela posodice, pri čemer mora biti njegova višina nad najnižjo točko dna posodice približno 12 mm. Nato se posodica vstavi v aparat in se s profiliranim nožem v sredini zareže brazda tako, da je popolnoma ravna in da se vidi medeninasto dno posodice, kar se doseže s pazljivim potegovanjem noža pravokotno na dno posodice. Dolžina brazde naj bo približno 40 mm. Takoj nato se ročica aparata vrti s hitrostjo 2 obratov na sekundo, pri čemer se štejejo udarci posodice ob podstavek in opazuje brazda, ki se zaradi udarcev posodice ob podstavek oži, ker se razrezani deli vzorca premikajo in skušajo združiti. Vrtenje ročice aparata traja tako dolgo, dokler se brazda ne združi na dolžini 10 mm. Ko je to doseženo, se s nadaljnjim vrtenjem ročice preneha, nato pa se z nožem takoj izreže vzorec v količini približno 2 cm3 iz dela okoli združene brazde na obeh straneh, se ga položi v steklene urne in določi vlaga tal.
Tento pokus sa opakuje 3-4-krát rovnakým spôsobom, ale zakaždým s inou vlhkosťou, čo sa dosiahne tak, že sa vzorka najprv zamieša s menším množstvom vody a potom sa voda pridáva pre ostatné pokusy. Po každom ukončenom pokuse sa vzorka presype na sklenenú dosku, kde sa pridá trochu vody a dobre sa premieša, aby sa získala rovnomerná, zakaždým o niečo redšia kašovitá hmota.
Za izvedbo preskusa pripravljena kaša ne sme biti preveč gosta niti preveč redka, ker stanja konsistence tal, ki so preveč oddaljena od meje tekočnosti, ne dajejo potrebne natančnosti za ta preskus. Navadno se sprejme, da če je število udarcev manjše od 10 ali večje od 50, preskus ni uspel, vendar se šteje, da je natančnost preskusa boljša, če je razpon teh meja 10-40 udarcev.
Opozarja se, da se po enem postopku po vsakem končanem obračanju ročice do združitve brazde na dolžini 1 cm vzorec v medeninasti skodelici takoj premeša z nožem in se površina vzorca v skodelici ponovno poravna, nato se izreže nova brazda in zatem se ročica aparata obrne. Ta postopek se ponavlja, dokler se ne doseže, da se trikrat zapored dobi isto število udarcev pri združitvi brazde na dolžini 1 cm, pri čemer se to število sprejme za nadaljnji postopek pri določanju meje tečenja. Rezultate preizkusa nanesemo na diagram v semilogaritmični delitvi (sl. 2). Na abscisno os se nanese število udarcev v logaritmični delitvi, na ordinatno os pa količina vode v odstotkih suhe teže vzorca v aritmetični delitvi. Ker je pri vsakem preizkusu količina vode w različna, dobimo točke A, B, C in D, ki ustrezajo različnemu številu udarcev, pri čemer je število udarcev manjše, čim večja je količina vode, in obratno. Če te točke povežemo, dobimo poševno premico, na kateri iščemo točko M za 25 udarcev. Količina vode, ki ustreza tej točki, se sprejme kot meja tečenja wL.
Obr. 2. Zistenie medze klzu
Določanje meje plastičnosti
Vzorec tal, pripravljen na način, opisan zgoraj, vendar z manj vode, tako da gre za plastično maso približno v žilavo plastičnem stanju, se splete v kepico prostornine približno 2-3 cm3, nato pa se z dlanjo vali na podlagi navadnega ali vpojnega papirja v valj debeline 3 mm. Če se vzorec vali do te debeline brez lomljenja, se ponovno splete v kepico in vali na isti način. Ta postopek se ponavlja, dokler valj pri debelini 3 mm ne začne pokati. Nato se zlomljeni valji položijo na urne stekelce in določi količina vode. Ta količina vode, izražena v odstotkih suhe teže vzorca, ustreza meji plastičnosti wP.
Določanje meje krčenja
Sl. 3. Določanje meje krčenja
Vzorec tal se zmeša z destilirano vodo na način, opisan pod Preskus določanja meje tekočnosti, tako da je njegova konsistenca približno na meji tekočnosti, ko so vse pore zasičene z vodo. Nato se izdela kroglica, ki se pusti sušiti najprej na zraku, nato v sušilniku pri 105°C. Ta zaporednost pri sušenju je potrebna, da bi se izognili razpokam v osušenem vzorcu, ki bi motile preskus. Že na začetku se izmeri teža W1 vzorca in določi njegova prostornina V1 s preskusom potapljanja v živo srebro, nato pa se nadalje suši na zraku in potem v sušilniku, s periodičnim odvzemom vzorca, hlajenjem v eksikatorju in merjenjem njegove teže W2, W3, W4 itd. ter prostornine V2, V3, V4 itd. Na ta način se ugotovi, da pri določeni vlažnosti prostornina vzorca preneha zmanjševati, čeprav njegova teža zaradi sušenja še naprej pada. Če je vzorec v začetnem stanju zasičen z vodo, tj. v porah ne vsebuje zraka, izguba vode pri sušenju vzorca do meje skrčenja približno ustreza zmanjšanju prostornine vzorca. Po tem se sušenje nadaljuje tudi brez merjenja prostornine, vse dokler se vzorec popolnoma ne osuši, tj. do stalne teže. Tedaj se za vsako merjenje prostornine in teže vzorca določi količina vode v odstotkih suhe teže vzorca, rezultati preskusa pa se vrišejo v diagram (sl. 3). Na ta način se dobijo točke A, B, C, D in E, ki se povežejo, tako da se navadno dobi črta z ostrim prelomom na območju meje skrčenja. V prelomi točki S se dobi vlažnost w, ki ustreza meji skrčenja W_S.
Določanje kapilarnosti
Preizkus določanja višine kapilarnega dviganja vode se izvaja na dva načina, in sicer z neposrednim merjenjem višine kapilarnega dviganja vode ter z posrednim merjenjem s kapilarimetrom.
Poskus določanja kapilarne višine z neposrednim merjenjem
Iz porušenega vzorca se vzame približno 300 pondov tal, ki se posuši pri 105°C, nato pa se po ohlajanju zdrobi v povsem fin prah, brez drobljenja zrn. Dobljeni prah se nasuje v stekleno cev premera ø 25 mm, dolžine 1,5 - 2,5 m, odprto na obeh koncih, katere spodnji konec se predhodno zapre s stekleno volno ali kosom tkanine. V odprti zgornji konec nasujemo osušen prah do višine približno 10 cm, nato cev dvignemo in jo spuščamo, da udari ob lesena tla ali drugo elastično oporo, toliko časa, dokler se kaže posedanje prahu v cevi. Nadzor posedanja prahu izvajamo z označevanjem črt z mastno kredo na cevi. Nato nasujemo nadaljnjih 10 cm prahu in ponavljamo isti postopek, dokler cevi ne napolnimo s stisnjenim suhim prahom vzorca tal, katerega kapilarnost preizkušamo. Nato dno cevi potopimo v stekleno posodo z destilirano vodo brez toka, pri čemer spodnji konec cevi ne sme ležati na dnu posode (sl. 4). Stekleno cev pritrdimo z letvijo na skalo, tako da sta cev in skala navpični. Po tem opazujemo dviganje vode v cevi, ki ga jasno prepoznamo po barvi: suh vzorec je svetle barve, vlažen temne. Razdalja med gladino vode v posodi in zgornjim robom vlažnega vzorca predstavlja višino kapilarnega dviga hk.
Sl. 4. Določanje višine kapilarnega dviganja vode z neposrednim merjenjem
Opazovanje se praviloma izvaja po 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 itd. urah. Rezultati opazovanja se vrišejo v diagram, katerega abscise predstavljajo čas v urah, ordinat pa višine kapilarnega dviganja vode v mm (sl. 5).
Pri piesčitom materiáli je kapilárny vzostup najprv prudký, potom pomalší a konečná výška vzostupu sa dosiahne rýchlo. Pri ílovitom materiáli je kapilárny vzostup spočiatku pomalší, ale trvá dlhšie a dosahuje podstatne väčšiu výšku.
Ta način določanja kapilarne višine je dolgotrajen, zlasti pri glinenih tleh. Poleg tega je višina kapilarnega dviga odvisna od temperature zraka in njegove vlažnosti, zato je treba te dejavnike čim bolj ohranjati stalne.
Sl. 5. Diagram kapilarnega dviga vode v tleh, a-pesek; b-prah; c-glinasto tla
Preskus določanja kapilarne višine s kapilarimetrom
Obstaja več kapilarimetrov različnih konstrukcij, kot so kapilarimetri Beskowa, Jürgensona in Engelhardta. Tu bomo opisali načelo delovanja kapilarimetra Beskowa, ki se najpogosteje uporablja.
Ta preizkus se izvaja na nespremenjenih ali spremenjenih vzorcih. Če je vzorec spremenjen, se vnese v aparat v stanju na meji tečenja.
Sl. 6. Beskowov kapilarimeter
Beskowov kapilárimeter sa skladá z dvoch nádob (obr. 6), spojených v dolných častiach navzájom pomocou vystuženej gumenej hadice. Do nádoby 1 sa vloží vzorka pôdy na filtračné dno, zatiaľ čo pod ňou je nádoba naplnená čiastočne destilovanou vodou, čiastočne ortuťou, ktorá je v dolnej časti tak, že vypĺňa aj celú gumovú hadicu a dolnú časť nádoby 2. Na začiatku skúšky je hladina ortuti v oboch nádobách rovnaká. Potom sa nádoba 2 spustí nadol, čím sa pod filtračným dnom nádoby 1 vytvorí podtlak. Keď tento podtlak prevýši kapilárne sily vo vzorke, vzduch preniká cez vzorku do filtračného dna a hladina ortuti v oboch nádobách sa bezprostredne potom vyrovná vyprázdňovaním nádoby 2. Rozdiel Hg medzi hladinou ortuti v jednej a druhej nádobe v okamihu vyrovnania podtlaku a kapilárnych síl, t. j. tesne predtým, ako vzduch začal prenikať cez vzorku, prepočítaný na výšku vodného stĺpca a zväčšený o výšku vodného stĺpca h pod vzorkou, dáva kapilárnu výšku hk. Keďže ortuť je 13,6-krát ťažšia než voda, výška kapilárneho vzlínania hk je:
hk = 13,6 Hg + h
Určovanie priepustnosti pôdy
Laboratorijski preizkus določanja prepustnosti tal se izvaja s pomočjo posebnih naprav, ki se imenujejo permeametri. Obstajajo različne izvedbe permeametrov, ki pa jih lahko delimo v dve skupini: permeametri s stalnim pritiskom vode, za grobozrnata tla, in permeametri z padajočim pritiskom vode za drobnozrnata tla. V obeh primerih se preizkus izvaja z neporušenimi vzorci.
S laboratorijskim preskusom se določi koeficient prepustnosti tal, katerega vrednost se izrazi pri določeni temperaturi zaradi različne viskoznosti vode pri različnih temperaturah, kar vpliva na vrednost koeficienta prepustnosti k. Najpogosteje se koeficient k izraža pri temperaturi t =10°C. Če je torej 10°C, temperatura vode pri določanju koeficienta k bila T drugačna od t = 10°C, se njegova vrednost preračuna po obrazcu:
k10oC = ηt /η10oC * kT
kde ηt a η10oC je viskozita vody pri pracovnej teplote T, resp. pri zvolenej teplote t =10°C.
kT získaná hodnota koeficientu priepustnosti pôdy pri pracovnej teplote T.
Hodnoty viskozity pre rôzne teploty T sú uvedené v tabuľke 1.
Preizkus s stalnim vodnim pritiskom
Sl. 7. Permeameter s konstantnim pritiskom vode
Za ta preskus se vzame neporušen vzorec tal v kovinski valj premera D, višine h, z zašiljenim spodnjim robom, tako da se ga vtisne v tla ali v večji neporušen vzorec. Ko se zgornja in spodnja površina vzorca poravnata z robovi valja, se vzorec v valju vstavi v aparat (sl. 7) med zgornji in spodnji filter. Spodnji filter je sestavljen iz goste mreže in filtrskega kamna, da se omogoči pretok vode skozi vzorec in prepreči izpiranje delcev tal. Zgornji filter je brez mreže, ker obstaja manjša možnost izpiranja delcev. Dovod vode v vzorec je z nivoja N, ki se s pomočjo preliva ohranja stalen, tako da je hidrostatični tlak H stalen. Pod tem tlakom voda preide skozi vzorec debeline h in s pomočjo cevi, vključene v zgornji del aparata, prispe v stekleno menzuro M, kjer kaplja.
Hneď ako začne prúdiť voda cez vzorku do odmerného valca, spustíme stopky a sledujeme množstvo vody q, ktoré pritieklo do odmerného valca za čas t. Podľa Darcyho zákona je
q = k*A*t*i
kjer je k koeficient propustnosti v cm/sec, A površina preseka vzorca, i hidravlični padec, i = H/h.
Z vyššie uvedenej rovnice máme k= qh/Ath [cm/sec].
Količino vode, ki preide skozi vzorec, odčitavamo v posameznih časovnih intervalih od začetka do konca opazovanja, tako da imamo tudi posamezne količine in skupno količino vode, pretekle skozi vzorec.
Da bi iz vzorca in vode izključili zračne mehurčke, ki lahko povzročijo napačne rezultate preskusa, je potrebno, da je vzorec pred preskusom v nasičenem stanju, prav tako pa je treba za izvedbo preskusa uporabljati prekuhano ali vsaj postano vodo.
Namesto prej opisanega aparata, zasnovanega na hidrostatičnem tlaku zaradi razlike v vodni gladini H, obstajajo tudi aparati, pri katerih je hidrostatični tlak ustvarjen z zračnim tlakom od 10 do 15 kp/cm2, ki ga kompresor ohranja konstantnega.