Uamuzi wa mipaka ya Atterberg
Tutaeleza majaribio ya kubaini kikomo cha mtiririko, kikomo cha plastisiti na kikomo cha kusinyaa, ambavyo ni muhimu zaidi katika mekanika ya udongo. Majaribio haya yote hufanyika kwenye sampuli zilizosumbuliwa za udongo ulioshikamana.
Jaribio la kubainisha kikomo cha mtiririko
Kwa ajili ya jaribio hili huchukuliwa takriban 200 ya udongo katika hali yake ya unyevu wa asili, bila chembe zenye kipenyo zaidi ya 0,5 mm, ambazo zingeathiri usahihi wa matokeo ya jaribio. Sampuli haipaswi kukaushwa kwenye tanuri la kukausha bali huwekwa moja kwa moja kwenye kikombe cha porcelaini kilicho na maji yaliyodistiliwa, ambako inapaswa kubaki kwa saa kadhaa hadi ilowane vizuri. Kwa udongo wa mfinyanzi wenye faharasa ya plastiki IP < 20 kuloweshwa huchukua takriban 4 ya saa, na kwa udongo wa mfinyanzi IP > 20 hadi 18 saa. Kisha sampuli iliyoloweshwa humwagwa kwenye bamba la glasi na kuchanganywa vizuri kwa kutumia kisu cha maabara, ili kupata tope nene lenye muundo wa sare. Iwapo chembe kubwa kuliko 0,5 mm zitaonekana, huondolewa wakati wa kuchanganya.
Sampuli iliyoandaliwa kwa njia hii humwagiwa kwenye kikombe cha shaba cha kifaa cha Casagrande kwa ajili ya kubainisha kikomo cha mnyumbuliko (mch. 1), ambacho katika maabara zetu huitwa kitetemeshaji cha Casagrande.
Mch. 1. Cassagrandeov aparat za određivanje granice tečenja
Kifaa hiki kinajumuisha kikombe cha shaba, ambacho huingizwa katika kifaa kupitia kiunganishi maalumu, msingi unaonyumbulika wa mpira mgumu, wenye ekscenta sehemu ya juu na mpini wa kuzungushia, ambapo ekscenta huinuka hadi urefu wa 1 cm, na hivyo kikombe huanguka na kugonga msingi (kielelezo 1a). Vipimo vya kifaa vimewekwa kwa viwango. Aidha, kuna pia kisu chenye umbo maalumu chenye vipimo vilivyoainishwa kwa usahihi (kielelezo 1b).
Sampuli iliyomiminwa ndani ya kikombe cha shaba husawazishwa kwa kisu ili uso wa sampuli uwe tambarare kabisa, na sampuli ifunike zaidi kidogo ya nusu ya sehemu ya mbele ya kikombe, kwa hivyo urefu wake juu ya sehemu ya chini kabisa ya kikombe uwe takriban 12 mm. Kisha kikombe huwashwa katika kifaa na kwa kisu chenye umbo maalumu hukatwa mtaro katikati ili uwe wima kabisa na ili chini ya shaba ya kikombe ionekane, jambo ambalo hupatikana kwa kuvuta kisu kwa uangalifu kwa mwelekeo wima dhidi ya chini ya kikombe. Urefu wa mtaro unapaswa kuwa takriban 40 mm. Mara moja baada ya hapo, kishikio cha kifaa huzungushwa kwa kasi ya 2 mizunguko kwa sekunde, huku mapigo ya kikombe kwenye msingi yakihesabiwa na mtaro ukichunguzwa, ambao kutokana na mapigo ya kikombe kwenye msingi hupungua upana, kwa sababu sehemu zilizokatwa za sampuli husogea na hutamani kuungana. Kuzungusha kishikio cha kifaa kunaendelea hadi mtaro uungane katika urefu wa 10 mm. Hilo likifikiwa, kuzungusha zaidi kwa kishikio hukomeshwa, kisha mara moja sampuli hutolewa kwa kisu kwa kiasi cha takriban 2 cm3 kutoka sehemu iliyo karibu na mtaro ulioungana kwa pande zote mbili, huwekwa kwenye vioo vya saa na unyevu wa udongo hupimwa.
Jaribio hili hurudiwa mara 3-4 kwa njia ileile, lakini kila mara kwa unyevu tofauti, jambo linalopatikana ikiwa sampuli kwanza huchanganywa na kiasi kidogo cha maji, kisha maji huongezwa kwa majaribio mengine. Baada ya kila jaribio kukamilika, sampuli humwagiwa juu ya sahani ya glasi, ambapo kiasi fulani cha maji huongezwa na kuchanganywa vizuri, ili kupata masa la utelezi lenye usawa, na kila wakati likiwa jepesi kidogo zaidi.
Kwa ajili ya kufanya jaribio, uji uliotayarishwa haupaswi kuwa mzito sana wala mwepesi sana, kwa sababu hali za uthabiti wa udongo zilizo mbali sana na kikomo cha mnyumbuliko hazitoi usahihi unaohitajika kwa jaribio hili. Kwa kawaida hukubaliwa kwamba ikiwa idadi ya mapigo ni chini ya 10 au zaidi ya 50, jaribio halikufaulu, lakini inachukuliwa kuwa usahihi wa jaribio ni bora zaidi ikiwa pengo la mipaka hii ni 10-40 ya mapigo.
Inaelezwa kwamba, kwa utaratibu mmoja, kila mara baada ya kukamilika kwa kuzungusha mpini hadi mfereji uungane kwa urefu wa 1 cm sampuli katika bakuli la shaba huchanganywa mara moja kwa kisu na tena uso wa sampuli katika bakuli husawazishwa, mfereji mpya hukatwa, kisha mpini wa kifaa huzungushwa. Utaratibu huu hurudiwa mpaka ifanikiwe kwamba mara tatu mfululizo idadi ileile ya mipigo ipatikane wakati wa kuunganishwa kwa mfereji kwa urefu wa 1 cm, na idadi hiyo hukubaliwa kwa utaratibu zaidi wa kuamua kikomo cha mtiririko. Matokeo ya uchunguzi huwekwa kwenye mchoro katika mgawanyo wa semilogaritimu (sl. 2). Kwenye mhimili wa abscissa huwekwa idadi ya mipigo katika mgawanyo wa logaritimu na kwenye mhimili wa ordinati huwekwa kiasi cha maji kwa asilimia ya uzito mkavu wa sampuli katika mgawanyo wa aritmetiki. Kwa kuwa katika kila jaribio kiasi cha maji w ni tofauti, basi tutapata pointi A, B, C na D, zinazolingana na idadi tofauti ya mipigo, ambapo idadi ya mipigo hupungua kadiri kiasi cha maji kinavyoongezeka na kinyume chake. Kwa kuunganisha pointi hizi tunapata mstari ulionyooka wa mwinuko, kwenye ambao tunatafuta nukta M kwa 25 mipigo. Kiasi cha maji kinacholingana na nukta hii hukubaliwa kama kikomo cha mtiririko wL.
Sl. 2. Uamuzi wa kikomo cha mnyauko
Uamuzi wa kikomo cha plastisiti
Sampuli ya udongo iliyoandaliwa kwa njia iliyoelezwa hapo juu, lakini ikiwa na maji kidogo zaidi, ili iwe misa ya plastiki katika hali takriban ya plastiki ngumu, hukusanywa kuwa tufe lenye takriban 2-3 cm3, kisha hukandwa kwa kiganja juu ya msingi wa karatasi ya kawaida au ya kunyonya ili kupata nyuzi yenye unene wa 3 mm. Ikiwa sampuli inaweza kukandwa hadi unene huo bila kuvunjika, basi hukusanywa tena kuwa tufe na kukandwa kwa njia ile ile. Utaratibu huu hurudiwa mpaka nyuzi ianze kuvunjika ikiwa na unene wa 3 mm. Kisha nyuzi zilizovunjika huwekwa kwenye vioo vya saa na kiasi cha maji hupimwa. Kiasi hicho cha maji, kikionyeshwa kwa asilimia ya uzito mkavu wa sampuli, kinahusiana na kikomo cha plastisiti wP.
Uamuzi wa kikomo cha kusinyaa
Mch. 3. Kuamua mpaka wa kusinyaa
Sampuli ya udongo huchanganywa na maji yaliyosafishwa kwa njia iliyoelezwa chini ya Jaribio la kubainisha kikomo cha mtiririko, hivi kwamba uthabiti wake uwe takriban katika kikomo cha mtiririko, wakati matundu yote yamejaa maji. Kisha hutengenezwa donge ambalo huachwa likauke kwanza hewani, kisha kwenye kikaushio katika 105°C. Mpangilio huu wa kukausha unahitajika ili kuepuka nyufa katika sampuli iliyokauka, ambazo zingeathiri jaribio. Mara moja mwanzoni hupimwa uzito W1 wa sampuli na kubainishwa ujazo wake V1 kwa jaribio la kuzamisha katika zebaki, kisha huendelea kukauka hewani, na baadaye kwenye kikaushio, huku sampuli ikichukuliwa mara kwa mara, kupozwa katika desiketa na kupimwa uzito wake W2, W3, W4 n.k. na ujazo V2, V3, V4 n.k. Kwa njia hii itabainika kwamba katika hali fulani ya unyevu ujazo wa sampuli huacha kupungua ingawa uzito wake unaendelea kupungua kutokana na kukauka. Ikiwa sampuli katika hali yake ya awali imejaa maji, yaani haina hewa katika matundu, upotevu wa maji kwa kukausha sampuli hadi kikomo cha kusinyaa takriban unalingana na kupungua kwa ujazo wa sampuli. Baada ya hapo kukausha huendelea bila kupima ujazo, hadi sampuli ikauke kabisa, yaani hadi uzito uwe thabiti. Ndipo kiasi cha maji kwa asilimia ya uzito mkavu wa sampuli huamuliwa kwa kila kipimo cha ujazo na uzito wa sampuli, na matokeo ya jaribio huwekwa kwenye mchoro (kielelezo 3). Kwa njia hii hupatikana pointi A, B, C, D na E, ambazo huunganishwa, hivyo kwa kawaida hupatikana mstari wenye mkunjo mkali katika eneo la kikomo cha kusinyaa. Katika pointi ya kuvunjika S hupatikana unyevu w unaolingana na kikomo cha kusinyaa _W_S.
Uamuzaji wa kapilariti
Jaribio la kuamua urefu wa kupanda kwa kapilari wa maji hufanywa kwa njia mbili, yaani kwa kipimo cha moja kwa moja cha urefu wa kupanda kwa kapilari wa maji na kwa kipimo cha moja kwa moja kupitia kapilarimita.
Jaribio la kuamua urefu wa kapilari kwa kipimo cha moja kwa moja
Kutoka kwenye sampuli iliyovurugika huchukuliwa karibu 300 pondi ya udongo, ambayo hukaushwa hadi 105°C, kisha baada ya kupoa husagwa kuwa unga mwembamba kabisa, bila kuponda punje. Unga uliopatikana humiminwa ndani ya bomba la glasi lenye kipenyo ø 25 mm, urefu 1,5 - 2,5 m, lililofunguka mwisho wote, ambapo mwisho wake wa chini hufungwa kabla kwa pamba ya glasi au kipande cha kitambaa. Katika mwisho wa juu ulio wazi humiminwa unga uliokaushwa hadi urefu wa takriban 10 cm, kisha bomba huinuliwa na kuachwa lianguke kwa mshtuko juu ya sakafu ya mbao au sehemu nyingine yenye unyumbufu hadi pale mtua wa unga ndani ya bomba unapoonekana. Udhibiti wa mtua wa unga hufanywa kwa kuashiria mistari kwa chaki ya mafuta kwenye bomba. Baada ya hapo humiminwa tena 10 cm ya unga na kurudia utaratibu huohuo hadi tujalize bomba kwa unga wa sampuli ya udongo uliobanwa na mkavu, ambao kapilari yake tunaichunguza. Kisha chini ya bomba huchovywa kwenye chombo cha glasi chenye maji yaliyosafishwa yasiyotiririka, huku mwisho wa chini wa bomba usilazime kulalia chini ya chombo (mch. 4). Bomba la glasi hufungwa kwa ubao kwenye kipimo, ili bomba na kipimo vyote viwe wima. Baada ya hapo tunaangalia kupanda kwa maji katika bomba, ambako hutambulika wazi kwa rangi: sampuli kavu ni ya rangi nyepesi, yenye unyevunyevu ni ya giza. Umbali kati ya kiwango cha maji katika chombo na ukingo wa juu wa sampuli yenye unyevunyevu unawakilisha urefu wa kupanda kwa kapilari hk.
Mch. 4. Kuamua urefu wa kupanda kwa kapilari wa maji kwa kipimo cha moja kwa moja
Uchunguzi hufanywa kwa kawaida baada ya 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 n.k. saa. Matokeo ya uchunguzi huwekwa kwenye mchoro, ambapo viwianishi vya x vinaonyesha muda kwa saa, na viwianishi vya y vinaonyesha urefu wa kupanda kwa kapilari wa maji kwa mm (mch. 5).
Kwa nyenzo ya mchanga, kupanda kwa kapilari mwanzoni ni kwa kasi, kisha hupungua, na urefu wa mwisho wa kupanda hufikiwa haraka. Kwa nyenzo ya udongo mfinyanzi, kupanda kwa kapilari mwanzoni ni polepole zaidi, lakini hudumu kwa muda mrefu zaidi na hufikia urefu mkubwa zaidi.
Njia hii ya kuamua urefu wa kapilari ni ya kuchukua muda mrefu, hasa katika udongo wa mfinyanzi. Aidha, urefu wa kupanda kwa kapilari hutegemea joto la hewa na pia unyevunyevu wake, ndiyo maana ni lazima mambo haya yadumishwe kwa kadiri iwezekanavyo yakiwa ya kudumu.
Mch. 5. Mchoro wa kupanda kwa maji kwa kapilari katika udongo, a-mchanga; b-vumbi; c-udongo wa mfinyanzi
Jaribio la kubaini urefu wa kapilari kwa kutumia kapilarimeta
Kuna kapilarimeta kadhaa za miundo tofauti, kama vile kapilarimeta za Beskowa, Jürgensona na Engelhardt. Hapa tutaeleza kanuni ya kazi ya kapilarimeta ya Beskowa, ambayo hutumiwa zaidi.
Jaribio hili hufanywa kwenye sampuli zisizoharibika au zilizoharibika. Ikiwa sampuli imeharibiwa basi huingizwa kwenye kifaa katika hali ya mpaka wa mtiririko.
Sl. 6. Kapilarimita ya Beskow
Kapilarimita ya Beskowa inajumuisha vyombo viwili (mch. 6), vilivyounganishwa katika sehemu za chini kwa kutumia bomba la mpira lililoimarishwa. Kwenye chombo 1 huwekwa sampuli ya udongo kwenye chini ya kichujio, ilhali chini yake kuna chombo kilichojaa kwa sehemu maji yaliyotengenezwa kwa kunereka, na kwa sehemu zebaki, ambayo iko katika sehemu ya chini hivyo kwamba inajaza pia bomba lote la mpira na sehemu ya chini ya chombo 2. Mwanzoni mwa jaribio, kiwango cha zebaki katika vyombo vyote viwili ni sawa. Kisha chombo 2 hushushwa chini, jambo linalounda shinikizo hasi chini ya chini ya kichujio ya chombo 1. Shinikizo hili hasi linapokuwa kubwa kuliko nguvu za kapilari kwenye sampuli, hewa hupenya kupitia sampuli hadi kwenye chini ya kichujio na kiwango cha zebaki katika vyombo vyote viwili mara moja husawazishwa kwa kushushwa kwa chombo 2. Tofauti Hg kati ya viwango vya zebaki katika chombo kimoja na kingine wakati wa kusawazika kwa shinikizo hasi na nguvu za kapilari, yaani, mara tu kabla hewa kuanza kupenya kupitia sampuli, ikihesabiwa kwa urefu wa safu ya maji na kuongezwa urefu wa safu ya maji h chini ya sampuli, hutoa urefu wa kapilari hk. Kwa kuwa zebaki ni 13,6 mara nzito kuliko maji, basi urefu wa kupanda kwa kapilari hk ni:
hk = 13,6 Hg + h
Uamuzi wa upenyezaji wa udongo
Jaribio la maabara la kubaini upenyezaji wa udongo hufanywa kwa kutumia vifaa maalumu vinavyoitwa permeametri. Kuna miundo mbalimbali ya permeametri, ambayo hata hivyo inaweza kugawanywa katika makundi mawili: permeametri zenye shinikizo la maji la kudumu, kwa udongo wenye chembe kubwa, na permeametri zenye shinikizo la maji linalopungua kwa udongo wenye chembe ndogo. Katika hali zote mbili jaribio hufanywa kwa sampuli zisizovurugwa.
Kwa jaribio la maabara huamuliwa mgawo wa upitishaji wa udongo, ambao thamani yake huonyeshwa katika joto fulani, kutokana na mnato tofauti wa maji katika halijoto tofauti, jambo linaloathiri thamani ya mgawo wa upitishaji k. Mara nyingi mgawo k huonyeshwa katika joto t =10°C. Hivyo basi, ikiwa 10°C, joto la maji wakati wa kubainisha mgawo k lilikuwa T tofauti na t = 10°C basi thamani yake huhesabiwa upya kwa fomula:
k10oC = ηt /η10oC * kT
ambapo ηt na η10oC ni mnato wa maji katika halijoto ya kazi T, yaani halijoto iliyokubaliwa t =10°C.
kT thamani iliyopatikana ya mgawo wa upitishaji wa udongo katika halijoto ya kazi T.
Thamani za mnato kwa halijoto mbalimbali T zimetolewa katika jedwali 1.
Jaribio la shinikizo la maji la kudumu
Kielelezo 7. Permeametar yenye shinikizo la maji thabiti
Kwa jaribio hili huchukuliwa sampuli ya udongo isiyovurugwa katika silinda ya chuma yenye kipenyo D, urefu h, na ukingo wa chini uliyochongoka, kwa kuisukuma ndani ya udongo au ndani ya sampuli kubwa isiyovurugwa. Baada ya uso wa juu na wa chini wa sampuli kusawazishwa na kingo za silinda, sampuli iliyo ndani ya silinda huwekwa kwenye kifaa (mch. 7) kati ya kichujio cha juu na cha chini. Kichujio cha chini kina skrini yenye matundu madogo na jiwe la kichujio, ili kuruhusu maji kupita kupitia sampuli na kuzuia kusombwa kwa chembe za udongo. Kichujio cha juu hakina skrini kwa kuwa kuna uwezekano mdogo wa kusombwa kwa chembe. Maji huingizwa kwenye sampuli kutoka kiwango N, ambacho hudumishwa kuwa cha kudumu kwa njia ya overflow, hivyo shinikizo la hidrostatiki H hubaki thabiti. Chini ya shinikizo hili, maji hupita kupitia sampuli yenye unene h na kwa njia ya bomba lililounganishwa katika sehemu ya juu ya kifaa hufika kwenye menzura ya kioo M ambako hudondoka.
Mara tu maji yanapoanza kupita kupitia sampuli ndani ya menzuru, tunaanzisha saa ya kipima muda na kuchunguza kiasi cha maji q kinachoingia kwenye menzuru katika muda t. Kulingana na sheria ya Darcy ni
q = k*A*t*i
ambapo k ni mgawo wa upitishaji katika cm/sec, A ni eneo la sehemu-makato ya sampuli, i ni mteremko wa maji, i = H/h.
Kutoka kwa mlinganyo wa hapo juu tunapata k= qh/Ath [cm/sec].
Kiasi cha maji kinachopita kupitia sampuli tunakisoma katika vipindi binafsi vya muda kuanzia mwanzo hadi mwisho wa uangalizi, hivyo tunapata kiasi cha maji cha kila sehemu pamoja na jumla ya maji yaliyopita kupitia sampuli.
Ili kuondoa viputo vya hewa katika sampuli na katika maji, ambavyo vinaweza kusababisha matokeo yasiyo sahihi ya jaribio, ni lazima kabla ya jaribio sampuli iwe katika hali ya kushiba, na pia kwa ajili ya kufanya jaribio itumike maji yaliyochemshwa au angalau maji yaliyosimama kwa muda.
Badala ya kifaa kilichoelezwa hapo juu chenye msingi wa shinikizo la hidrostatiki kutokana na tofauti ya kiwango cha maji H, pia kuna vifaa ambavyo shinikizo la hidrostatiki huzalishwa kwa shinikizo la hewa la 10 hadi 15 kp/cm2, likidumishwa kuwa la kudumu kwa msaada wa kompresha.