Določanje Atterbergovih mej
Opisali bomo preizkuse za določanje meje tečenja, meje plastičnosti in meje skrčka, ki so najpomembnejše v mehaniki tal. Vsi ti preizkusi se izvajajo na porušenih vzorcih vezanega talnega materiala.
Preizkus določanja meje tečenja
Za ta preskus se vzame približno 200 g zemlje v naravno vlažnem stanju, brez zrn s premerom nad 0,5 mm, ki bi lahko motila natančnost rezultatov preskusa. Vzorec se ne sme sušiti v sušilniku, temveč se neposredno položi v porcelanasto skodelico z destilirano vodo, kjer mora ostati več ur, da se dobro navlaži. Za ilovico s plastičnim indeksom IP < 20 traja vlaženje približno 4 ure, za glino IP > 20 pa do 18 ur. Nato se navlaženi vzorec prelije na stekleno ploščo in z laboratorijskim nožem dobro premeša, da dobimo gosto kašo enakomerne sestave. Če opazimo delce večje od 0,5 mm, jih med mešanjem odstranimo.
Tako pripravljen vzorec se preloži v medeninasto skodelico Casagrandejeve naprave za določanje meje tečenja (sl. 1), ki jo v naših laboratorijih imenujemo Casagrandejev tresljač.
Sl. 1. Cassagrandeova naprava za določanje meje tečenja
Aparat je sestavljen iz medeninaste posodice, ki se s pomočjo posebne povezave vključi v aparat, elastičnega podstavka iz trde gume, z ekscentrom v zgornjem delu in ročico za obračanje, pri čemer se ekscenter dvigne na višino 1 cm, zaradi česar posodica pade in zadene ob podstavek (sl. 1a). Mere aparata so normirane. Poleg tega obstaja še profilirani nož natančno določenih dimenzij (sl. 1b).
Nabrani vzorec v medeninasto skodelico se z nožem zravna tako, da je površina vzorca popolnoma ravna in da vzorec prekrije nekoliko več kot polovico sprednjega dela skodelice, pri čemer je njegova višina nad najnižjo točko dna skodelice približno 12 mm. Nato se skodelica namesti v aparat in se s profiliranim nožem v sredini zareže brazda tako, da je popolnoma ravna in da se vidi medeninasto dno skodelice, kar se doseže s skrbnim vlečenjem noža pravokotno na dno skodelice. Dolžina brazde naj bo približno 40 mm. Takoj zatem se ročica aparata obrača s hitrostjo 2 obratov na sekundo, pri čemer se štejejo udarci skodelice ob podstavek in opazuje brazda, ki se zaradi udarcev skodelice ob podstavek oži, ker se prerezani deli vzorca premikajo in težijo k združitvi. Vrtenje ročice aparata traja toliko časa, dokler se brazda ne združi na dolžini 10 mm. Ko je to doseženo, se z nadaljnjim vrtenjem ročice preneha, nato pa se z nožem takoj vzame vzorec v količini približno 2 cm3 iz dela okoli združene brazde z obeh strani, se položi na urne stekelce in določi vlažnost tal.
Ta poskus se ponovi 3-4-krat na enak način, vendar vsakič z drugačno vlažnostjo, kar se doseže tako, da se vzorec najprej zmeša z manjšo količino vode, nato pa se voda dodaja za ostale poskuse. Po vsakem končanem poskusu se vzorec preloži na stekleno ploščo, kjer se doda nekaj vode in dobro premeša, da se dobi enakomerna, vsakič nekoliko redkejša kašasta masa.
Za izvedbo preskusa pripravljena kaša ne sme biti preveč gosta niti preveč tekoča, ker stanja konsistence tal, ki so preveč oddaljena od meje tečenja, ne dajejo potrebne natančnosti za ta preskus. Običajno se sprejme, da preskus ni uspel, če je število udarcev manjše od 10 ali večje od 50, vendar se šteje, da je natančnost preskusa boljša, če je razpon teh mej 10-40 udarcev.
Opozarja se, da se po enem postopku, vsakič po končanem obračanju ročice do združitve brazde na dolžini od 1 cm vzorec v medeninasti skodelici takoj premeša z nožem in se površina vzorca v skodelici znova zravna, zareže nova brazda, nato se ročica naprave obrača. Ta postopek se ponavlja tako dolgo, dokler se ne doseže, da se trikrat zapored dobi enako število udarcev pri združitvi brazde na dolžini od 1 cm, pri čemer se to število prevzame za nadaljnji postopek pri določanju meje tečenja. Rezultate preskusa nanesemo na diagram v semilogaritemskem merilu (sl. 2). Na os abscis se nanese število udarcev v logaritemskem merilu, na os ordinat pa količina vode v odstotkih suhe teže vzorca v aritmetičnem merilu. Ker je pri vsakem preskusu različna količina vode w, bomo dobili točke A, B, C in D, ki ustrezajo različnemu številu udarcev, pri čemer je število udarcev manjše, čim večja je količina vode, in obratno. S povezovanjem teh točk dobimo poševno premico, na kateri iščemo točko M za 25 udarcev. Količina vode, ki ustreza tej točki, se vzame kot meja tečenja wL.
Sl. 2. Odločanje meje tečenja
Določanje meje plastičnosti
Vzorec tal, pripravljen na zgoraj opisan način, vendar z manj vode, tako da je plastična masa približno v žilavo plastičnem stanju, se zbere v kroglico okoli 2-3 cm3, nato pa se z dlanjo valja na podlagi navadnega ali vpojnega papirja v svaljek debeline 3 mm. Če se vzorec lahko vali do te debeline brez lomljenja, se znova zbere v kroglico in vali na enak način. Ta postopek se ponavlja, dokler se svaljek pri debelini 3 mm ne začne lomiti. Takrat se zlomljeni svaljki položijo v urna stekelca in določi se 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 Preizkus določanja meje tečenja, tako da je njegova konsistenca približno na meji tečenja, ko so vse pore nasičene z vodo. Nato se izdela kroglica, ki se pusti sušiti najprej na zraku, nato v sušilniku pri 105°C. Ta postopnost sušenja je potrebna, da bi se izognili razpokam v osušenem vzorcu, ki bi motile preizkus. Že na začetku se izmeri teža W1 vzorca in določi njegova prostornina V1 s preizkusom potapljanja v živo srebro, nato se nadalje suši na zraku, potem pa v sušilniku, s sprotnim jemanjem vzorca, hlajenjem v eksikatorju in merjenjem njegove teže W2, W3, W4 itd. in prostornine V2, V3, V4 itd. Na ta način se ugotovi, da pri enem stanju vlažnosti prostornina vzorca preneha upadati, čeprav njegova teža zaradi sušenja še naprej pada. Če je vzorec v svojem začetnem stanju nasičen z vodo, tj. ne vsebuje zraka v porah, izguba vode pri sušenju vzorca do meje krčenja približno ustreza zmanjšanju prostornine vzorca. Nato se sušenje nadaljuje tudi brez merjenja prostornine, vse dotlej, dokler se vzorec popolnoma ne osuši, tj. do stalnosti teže. Tedaj se za vsako meritev prostornine in teže vzorca določi količina vode v odstotkih suhe teže vzorca, rezultati preizkusa pa se nanesejo na diagram (sl. 3). Na ta način dobimo točke A, B, C, D in E, ki se povežejo, tako da se običajno dobi črta z ostrim lomom na območju meje krčenja. V prelomni točki S se dobi vlažnost w, ki ustreza meji krčenja _W_S.
Določanje kapilarnosti
Preizkus določanja višine kapilarnega dviganja vode se izvaja na dva načina, in sicer z neposrednim merjenjem višine kapilarnega dviganja vode in posrednim merjenjem s pomočjo kapilarimetra.
Preizkus določanja kapilarne višine z neposrednim merjenjem
Iz zmotenega vzorca se vzame približno 300 pondijev tal, ki se posuši pri 105°C, nato pa se po ohladitvi zdrobi v zelo fin prah, ne da bi se zdrobila zrnca. 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 posušen prah do višine približno 10 cm, nato cev dvigujemo in jo puščamo padati z udarcem na lesena tla ali kakšno drugo elastično podlago, dokler se v cevi kaže posedanje prahu. Kontrolo 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 letvico na skalo, tako da sta cev in skala navpični. Po tem opazujemo dviganje vode v cevi, ki se jasno prepozna po barvi: suh vzorec je svetle barve, moker temne. Razdalja med gladino vode v posodi in zgornjim robom mokrega vzorca predstavlja višino kapilarnega dviga hk.
Sl. 4. Odkrivanje višine kapilarnega dviga vode z neposrednim merjenjem
Opazovanje se praviloma opravi po 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 itd. urah. Rezultati opazovanja se vrišejo v diagram, katerega abscise predstavljajo čas v urah, ordinate pa višine kapilarnega vzpenjanja vode v mm (sl. 5).
Pri peščenem materialu je kapilarni vzpon sprva hiter, nato počasnejši in končna višina vzpona je hitro dosežena. Pri glinenem materialu je kapilarni vzpon sprva počasnejši, vendar traja dlje in doseže precej večjo višino.
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 ohranjati kar se da stalne.
Sl. 5. Diagram kapilarnega dviganja vode v tleh, a-pesek; b-prah; c-glinasto tla
Preskus določanja kapilarne višine s kapilarimetrom
Obstaja več kapilarimetrov različnih izvedb, kot so kapilarimetri Beskowa, Jürgensona in Engelhardta. Tu bomo opisali načelo delovanja s kapilarimetrom Beskowa, ki se najpogosteje uporablja.
Ta preizkus se izvaja na neporušenih ali porušenih vzorcih. Če je vzorec porušen, se vnese v aparat v stanju na meji tečenja.
Sl. 6. Beskowov kapilarimeter
Kapilarimeter Beskowa je sestavljen iz dveh posod (sl. 6), ki sta v spodnjih delih med seboj povezani z armirano gumijasto cevjo. V posodo 1 se na filtrsko dno položi vzorec tal, pod njo pa je posoda, ki je delno napolnjena z destilirano vodo in delno z živim srebrom, tako da v spodnjem delu zapolni tudi celotno gumijasto cev in spodnji del posode 2. Na začetku preizkusa je nivo živega srebra v obeh posodah enak. Nato se posoda 2 spusti navzdol, s čimer se pod filtrskim dnom posode 1 ustvari podtlak. Ko ta podtlak postane večji od kapilarnih sil v vzorcu, zrak prodre skozi vzorec v filtrsko dno in se nivo živega srebra v obeh posodah takoj nato izenači z izpraznitvijo posode 2. Razlika Hg med nivojema živega srebra v eni in drugi posodi v trenutku izenačenja podtlaka in kapilarnih sil, torej neposredno preden je zrak začel prodirati skozi vzorec, preračunana na višino vodnega stolpca in povečana za višino vodnega stolpca h pod vzorcem, daje kapilarno višino hk. Ker je živo srebro 13,6-krat težje od vode, je višina kapilarnega dviga hk:
hk = 13,6 Hg + h
Določanje prepustnosti tal
Laboratorijski preizkus določanja prepustnosti tal se izvaja s pomočjo posebnih naprav, ki se imenujejo permeametri. Obstajajo različne izvedbe permeametrov, ki pa jih lahko razdelimo v dve skupini: permeametri s konstantnim vodnim pritiskom, za bolj grobozrnata tla, in permeametri z padajočim vodnim pritiskom za drobnozrnata tla. V obeh primerih se preizkus izvaja z nemotenimi vzorci.
Z laboratorijskim preizkusom se določi koeficient prepustnosti tal, katerega vrednost se izraža 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, je bila temperatura vode pri določanju koeficienta k T drugačna od t = 10°C, potem se njegova vrednost preračuna po obrazcu:
k10oC = ηt /η10oC * kT
kjer sta ηt in η10oC viskoznost vode pri delovni temperaturi T oziroma pri izbrani temperaturi t =10°C.
kT dobljena vrednost koeficienta prepustnosti tal pri delovni temperaturi T.
Vrednosti viskoznosti za različne temperature T so podane v tabeli 1.
Preizkus s stalnim vodnim pritiskom
Sl. 7. Permeameter s stalnim tlakom vode
Za ta preskus se vzame neporušen vzorec tal v kovinski cilinder premera D, višine h, z zašiljenim spodnjim robom, z vtiskovanjem v tla ali v večji neporušen vzorec. Ko se zgornja in spodnja površina vzorca poravnata z robovi cilindra, 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, saj obstaja manjša možnost izpiranja delcev. Dotok vode v vzorec je z nivoja N, ki se z prelivom ohranja stalen, tako da je hidrostatični tlak H stalen. Pod tem tlakom voda preide skozi vzorec debeline h in s pomočjo cevi, priključene na zgornji del aparata, prispe v stekleni menzurki M, kjer kaplja.
Takoj ko začne voda teči skozi vzorec v menzuro, vključimo štoparico in opazujemo količino vode q, ki priteka v menzuro v času t. Po Darcyjevem zakonu je
q = k*A*t*i
kjer je k koeficient prepustnosti v cm/sec, A površina prereza vzorca, i hidravlični padec, i = H/h.
Iz zgornje enačbe dobimo k= qh/Ath [cm/sec].
Količino vode, ki preteče skozi vzorec, odčitavamo v posameznih časovnih intervalih od začetka do konca opazovanja, tako da dobimo tako posamezne količine kot tudi skupno količino vode, pretekle skozi vzorec.
Da bi iz vzorca in vode izključili zračne mehurčke, ki lahko vodijo do napačnih rezultatov preizkusa, je treba, da je pred preizkusom vzorec v nasičenem stanju, za izvedbo preizkusa pa je treba uporabljati prekuhano ali vsaj postano vodo.
Namesto zgoraj opisanega aparata, temelječega na hidrostatičnem tlaku zaradi razlike v vodostaju H, obstajajo tudi aparati, pri katerih je hidrostatični tlak ustvarjen z zračnim tlakom od 10 do 15 kp/cm2, ki ga kompresor ohranja konstantnega.