Bestämning av Atterberggränserna
Vi kommer att beskriva proven för bestämning av flytgränsen, plasticitetsgränsen och krympgränsen, vilka är de viktigaste inom jordmekaniken. Alla dessa prov utförs på störda prover av kohesiv jord.
Försök för bestämning av flytgränsen
För detta försök tas cirka 200 p jord i naturligt fuktigt tillstånd, utan korn med en diameter över 0,5 mm, eftersom dessa skulle försämra försökets noggrannhet. Provet får inte torkas i torkskåp utan placeras omedelbart i en porslinskål med destillerat vatten, där det ska stå i flera timmar tills det är väl genomfuktat. För lerjord med plasticitetsindex IP < 20 varar genomfuktningen omkring 4 timmar, för lera med IP > 20 till 18 timmar. Därefter hälls det genomfuktade provet över på en glasskiva och blandas väl med hjälp av en laboratoriekniv, så att en tjock massa med jämn sammansättning erhålls. Om partiklar större än 0,5 mm upptäcks, avlägsnas de under blandningen.
Det sålunda förberedda provet hälls över i mässingskoppen i Casagrande-apparaten för bestämning av flytgränsen (fig. 1), som i våra laboratorier kallas Casagrande-skakapparaten.
Fig. 1. Cassagrandeapparaten för bestämning av flytgränsen
Apparaten består av en mässingsskål, som med hjälp av en särskild anslutning kopplas in i apparaten, ett elastiskt underlag av hårdgummi med en excenter i den övre delen och ett handtag för vridning, varvid excentern höjs till en höjd av 1 cm, varigenom skålen faller och slår mot underlaget (fig. 1a). Apparatens mått är standardiserade. Dessutom finns också en profilerad kniv med exakt bestämda mått (fig. 1b).
Det uppslevade provet i mässingsskålen jämnas av med en kniv så att provytan blir helt plan och provet täcker något mer än halva skålens främre del, med så stor höjd över skålens lägsta bottenpunkt att den är omkring 12 mm. Därefter sätts skålen in i apparaten och ett spår skärs mitt igenom med den profilerade kniven så att det blir helt rakt och mässingsbottnen i skålen syns; detta uppnås genom att kniven förs försiktigt vinkelrätt mot skålens botten. Spårets längd bör vara omkring 40 mm. Omedelbart därefter vrids apparatens vev med en hastighet av 2 varv per sekund, varvid slagen från skålen mot underlaget räknas och spåret observeras, vilket smalnar av på grund av slagen mot underlaget, eftersom de uppskurna delarna av provet rör sig och strävar efter att förenas. Vridningen av apparatens vev fortsätter tills spåret har förenats över en längd av 10 mm. När detta har uppnåtts upphör man med fortsatt vridning av veven, och därefter tas omedelbart med kniven ut ett prov i mängd om cirka 2 cm3 från delen kring det förenade spåret på båda sidor, läggs på urglas och jordens fukthalt bestäms.
Detta prov upprepas 3-4 gånger på samma sätt, men varje gång med olika fukthalt, vilket uppnås genom att provet först blandas med en mindre mängd vatten och därefter tillsätts vatten för de övriga proven. Efter varje avslutat prov hälls provet över på en glasskiva, där lite vatten tillsätts och blandas väl, så att en jämn, varje gång något lösare, grötliknande massa erhålls.
För att utföra försöket får den framställda massan varken vara alltför tjock eller alltför flytande, eftersom jordens konsistens tillstånd som ligger för långt från flytgränsen inte ger den noggrannhet som krävs för detta försök. Vanligen antas att om slagens antal är mindre än 10 eller större än 50, har försöket misslyckats, men man anser att försöksnoggrannheten är bättre om intervallet mellan dessa gränser är 10-40 slag.
Det påpekas att enligt ett förfarande blandas provet varje gång, efter att veven vridits till sammanslutning av spåret på en längd av 1 cm, omedelbart med en kniv i mässingsskålen och provytan i skålen jämnas åter ut, ett nytt spår skärs, varefter apparatens vev vrids. Detta förfarande upprepas tills man uppnår att samma antal slag erhålls tre gånger i följd vid sammanslutning av spåret på en längd av 1 cm, vilket antal antas för det fortsatta förfarandet vid bestämning av flytgränsen. Resultaten av försöket förs in i ett diagram med semilogaritmisk skala (fig. 2). På abskissaxeln anges antalet slag i logaritmisk skala och på ordinataxeln vattenmängden i procent av provets torrvikt i aritmetisk skala. Eftersom vattenmängden w är olika vid varje försök, får vi punkterna A, B, C och D, som motsvarar olika antal slag, varvid antalet slag är mindre ju större vattenmängden är och tvärtom. Genom att förena dessa punkter erhålls en lutande rät linje, på vilken vi söker punkten M för 25 slag. Den vattenmängd som motsvarar denna punkt antas som flytgränsen wL.
Fig. 2. Bestämning av flytgränsen
Bestämning av plasticitetsgränsen
Jordprovet, framställt på det sätt som beskrivits ovan men med mindre vatten, så att det blir en plastisk massa i ungefär segplastiskt tillstånd, formas till en boll på cirka 2-3 cm3, och rullas sedan med handflatan på vanligt eller sugande papper till en rulle med tjockleken 3 mm. Om provet kan rullas till denna tjocklek utan att brytas, formas det åter till en boll och rullas på samma sätt. Denna procedur upprepas tills det har uppnåtts att rullen vid en tjocklek av 3 mm börjar brytas. Därefter läggs de sönderrullade rullarna i urglas och vattenmängden bestäms. Denna vattenmängd, uttryckt i procent av provets torrvikt, motsvarar plasticitetsgränsen wP.
Bestämning av krympningsgränsen
Fig. 3. Bestämning av krympgränsen
Jordprovet blandas med destillerat vatten på det sätt som beskrivs under Försök för bestämning av flytgränsen, så att dess konsistens är ungefär vid flytgränsen, när alla porer är vattenmättade. Därefter formas en liten kula som får torka först i luft, sedan i torkskåp vid 105°C. Denna stegvisa torkning är nödvändig för att undvika sprickor i det uttorkade provet, vilka skulle störa försöket. Omedelbart i början vägs provets W1 och dess volym V1 bestäms genom nedsänkning i kvicksilver; därefter torkas det vidare i luft och sedan i torkskåp, med periodiskt uttag av provet, avkylning i exsickator och vägning av dess vikt W2, W3, W4 osv. samt volym V2, V3, V4 osv. På detta sätt fastställs att provets volym vid ett visst fukttillstånd upphör att minska, även om dess vikt fortfarande sjunker till följd av torkningen. Om provet i sitt ursprungliga tillstånd är vattenmättat, dvs. inte innehåller luft i porerna, motsvarar vattenförlusten vid torkning fram till krympgränsen ungefär minskningen i provets volym. Därefter fortsätter torkningen utan volymmätning, tills provet är helt torrt, dvs. till konstant vikt. Sedan bestäms vatteninnehållet i procent av provets torrvikt för varje mätning av provets volym och vikt, och försöksresultaten förs in i diagrammet (fig. 3). På detta sätt erhålls punkterna A, B, C, D och E, som förbinds, så att man vanligen får en kurva med en skarp brytning i området kring krympgränsen. I brytpunkten S erhålls fukthalten w som motsvarar krympgränsen _W_S.
Bestämning av kapillaritet
Provningen för bestämning av vattnets kapillära stighöjd utförs på två sätt, nämligen genom direkt mätning av den kapillära stighöjden och indirekt mätning med hjälp av en kapillarimeter.
Försök för bestämning av kapillärhöjd genom direkt mätning
Ur det störda provet tas omkring 300 pond jord, som torkas vid 105°C, därefter sönderdelas det, efter avkylning, till ett mycket fint pulver utan att kornen krossas. Det erhållna pulvret hälls i ett glasrör med diametern ø 25 mm, längden 1,5 - 2,5 m, öppet i båda ändar, vars nedre ände i förväg stängs med glasull eller en tygbit. I den öppna övre änden häller vi det uttorkade pulvret till en höjd av omkring 10 cm, därefter lyfter vi röret och låter det falla med slag mot ett trägolv eller något annat elastiskt underlag så länge som sättning av pulvret i röret kan iakttas. Kontroll av pulverns sättning sker genom att markera streck med fettkrita på röret. Därefter häller vi i ytterligare 10 cm pulver och upprepar samma förfarande tills vi har fyllt röret med det kompakta torra jordprovets pulver, vars kapillaritet vi undersöker. Sedan sänker vi ned rörets botten i ett glas kärl med destillerat vatten utan flöde, så att rörets nedre ände inte får vila på kärlets botten (fig. 4). Glasröret fästs med en list vid en skala, så att både röret och skalan står vertikalt. Därefter observerar vi vattnets uppstigning i röret, vilken tydligt kan urskiljas genom färgen: det torra provet är ljust, det fuktiga mörkt. Avståndet mellan vattennivån i kärlet och den övre kanten av det fuktiga provet utgör höjden av den kapillära uppstigningen hk.
Fig. 4. Bestämning av vattnets kapillära stighöjd genom direkt mätning
Observationen utförs i regel efter 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 osv. timmar. Resultaten av observationen förs in i ett diagram, vars x-axel visar tiden i timmar och vars y-axel visar höjden av vattnets kapillära uppsugning i mm (fig. 5).
Hos ett sandigt material är den kapillära stigningen i början snabb, därefter långsammare och den slutliga stigningshöjden uppnås snabbt. Hos ett lerhaltigt material är den kapillära stigningen i början långsammare, men den pågår längre och når en avsevärt större höjd.
Denna metod för att bestämma kapillärhöjden är tidskrävande, särskilt i lerjord. Dessutom beror kapillär uppstigning på lufttemperaturen liksom på dess luftfuktighet, varför dessa faktorer bör hållas så konstanta som möjligt.
Fig. 5. Diagram över vattnets kapillära uppstigning i jorden, a-sand; b-damm; c-lerjord
Försök för bestämning av kapillärhöjd med hjälp av en kapillarimeter
Det finns flera kapillärmätare av olika konstruktioner, såsom Beskow-, Jürgenson- och Engelhardt-kapillärmätare. Här kommer vi att beskriva funktionsprincipen för Beskow-kapillärmätaren, som används mest.
Detta prov utförs på ostörda eller störda prover. Om provet är störd förs det in i apparaten i flytgränstillstånd.
Fig. 6. Beskows kapillarimeter
Beskows kapillarimeter består av två kärl (fig. 6), förbundna i de nedre delarna med en armerad gummislang. I kärl 1 placeras ett jordprov på ett filterbotten, medan det under det finns ett kärl som är delvis fyllt med destillerat vatten, delvis med kvicksilver, som i den nedre delen är så nivåställt att det fyller både hela gummislangen och den nedre delen av kärl 2. I början av försöket är kvicksilvernivån i båda kärlen densamma. Därefter sänks kärl 2 nedåt, varigenom ett undertryck skapas under filterbottnen i kärl 1. När detta undertryck blir större än kapillärkrafterna i provet, tränger luft genom provet till filterbottnen och kvicksilvernivån i båda kärlen jämnas omedelbart ut genom att kärl 2 sänks. Skillnaden Hg mellan kvicksilvernivåerna i det ena och det andra kärlet i ögonblicket då undertrycket och kapillärkrafterna utjämnas, dvs. strax innan luften började tränga genom provet, omräknad till höjden av en vattenpelare och ökad med höjden av vattenpelaren h under provet, ger kapillära höjden hk. Eftersom kvicksilver är 13,6 gånger tyngre än vatten, är detta höjden för kapillär stigning hk:
hk = 13,6 Hg + h
Bestämning av jordens genomsläpplighet
Laboratorieprov för bestämning av jordens genomsläpplighet utförs med särskilda apparater som kallas permeametrar. Det finns olika konstruktioner av permeametrar, som emellertid kan delas in i två grupper: permeametrar med konstant vattentryck, för grövre jordar, och permeametrar med avtagande vattentryck för finkorniga jordar. I båda fallen utförs provet på ostörda prover.
Genom laboratorieprov bestäms jordens permeabilitetskoefficient, vars värde anges vid en bestämd temperatur, på grund av vattnets olika viskositet vid olika temperaturer, vilket påverkar permeabilitetskoefficientens k värde. Vanligen anges koefficienten k vid temperaturen t =10°C. Därför, om 10°C, var vattnets temperatur vid bestämningen av koefficienten k T annorlunda än t = 10°C, omräknas dess värde enligt formeln:
k10oC = ηt /η10oC * kT
där ηt och η10oC är vattnets viskositet vid arbetstemperaturen T, respektive den antagna temperaturen t =10°C.
kT erhållna värdet på jordens genomsläpplighetskoefficient vid arbetstemperaturen T.
Viskositetsvärden för olika temperaturer T anges i tabell 1.
Prov med konstant vattentryck
Fig. 7. Permeameter med konstant vattentryck
För detta försök tas ett ostört jordprov i en metallcylinder med diametern D, höjden h, med en avsmalnad nedre kant, genom att trycka in den i jorden eller i ett större ostört prov. Efter att provets övre och nedre ytor jämnats med cylinderns kanter placeras provet i cylindern i apparaten (fig. 7) mellan det övre och det nedre filtret. Det nedre filtret består av ett tätt sikt och en filterssten för att möjliggöra vattenflöde genom provet och förhindra urlakning av jordpartiklar. Det övre filtret är utan sikt, eftersom risken för urlakning av partiklar är mindre. Vattentillförseln till provet sker från nivån N, som hålls konstant med hjälp av ett överfall, så att det hydrostatiska trycket H är konstant. Under detta tryck passerar vatten genom provet med tjockleken h och når via ett rör anslutet till apparatens övre del den glasmenzura M där det droppar.
Så snart vatten börjar passera genom provet i mätglaset sätter vi stoppuret i gång och observerar vattenmängden q som tillförs mätglaset under tiden t. Enligt Darcys lag är
q = k*A*t*i
där k är genomsläpplighetskoefficienten i cm/sec, A tvärsnittsarean för provet, i den hydrauliska gradienten, i = H/h.
Ur den ovanstående ekvationen har vi k= qh/Ath [cm/sec].
Mängden vatten som passerar genom provet avläses i olika tidsintervall från observationens början till slut, så att vi får både enskilda mängder och den totala mängden vatten som passerat genom provet.
För att utesluta luftbubblor i provet och i vattnet, vilka kan leda till felaktiga försöksresultat, är det nödvändigt att provet före försöket är i mättat tillstånd, samt att kokt eller åtminstone stående vatten används för försöket.
I stället för den ovan beskrivna apparaten, som bygger på det hydrostatiska trycket till följd av skillnaden i vattennivå H, finns det även apparater där det hydrostatiska trycket alstras av lufttryck på 10 till 15 kp/cm2, vilket hålls konstant med hjälp av en kompressor.