การกำหนดขีดจำกัดของ Atterberg
เราจะอธิบายการทดสอบเพื่อกำหนดขีดจำกัดการไหล ขีดจำกัดความเป็นพลาสติก และขีดจำกัดการหดตัว ซึ่งเป็นค่าที่สำคัญที่สุดในกลศาสตร์ดิน การทดสอบทั้งหมดนี้ทำกับตัวอย่างดินเหนียวที่ถูกรบกวน
การทดสอบหาขีดจำกัดการไหล
สำหรับการทดลองนี้ ใช้ดินประมาณ 200 p ในสภาพความชื้นตามธรรมชาติ โดยไม่มีเม็ดที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเกิน 0,5 mm ซึ่งจะรบกวนความถูกต้องของผลการทดลอง ห้ามทำให้ตัวอย่างแห้งในตู้อบ แต่ให้นำใส่ถ้วยพอร์ซเลนที่มีน้ำกลั่นทันที และต้องทิ้งไว้หลายชั่วโมงจนกว่าจะชุ่มดี สำหรับดินร่วนเหนียวที่มีดัชนีความเป็นพลาสติก IP < 20 การทำให้ชุ่มใช้เวลาประมาณ 4 ชั่วโมง สำหรับดินเหนียว IP > 20 ใช้เวลา 18 ชั่วโมง จากนั้นนำตัวอย่างที่ชุ่มแล้วเทลงบนแผ่นกระจกและใช้มีดแล็บผสมให้เข้ากันดี เพื่อให้ได้โคลนข้นที่มีองค์ประกอบสม่ำเสมอ หากพบอนุภาคที่ใหญ่กว่า 0,5 mm ให้นำออกระหว่างการผสม
ตัวอย่างที่เตรียมดังกล่าวจะถูกเทลงในถ้วยทองเหลืองของเครื่องมือ Casagrande สำหรับหาค่าขีดจำกัดการไหลตัว (รูป. 1) ซึ่งในห้องปฏิบัติการของเราเรียกว่า Casagrandeova treskalica
รูป 1. อุปกรณ์ Cassagrande สำหรับการกำหนดขีดจำกัดคราก
อุปกรณ์ประกอบด้วยถ้วยทองเหลือง ซึ่งเชื่อมเข้ากับเครื่องด้วยข้อต่อพิเศษ ฐานรองยืดหยุ่นทำจากยางแข็ง พร้อมเอ็กเซนทริกที่ส่วนบนและด้ามหมุน โดยเอ็กเซนทริกจะยกขึ้นถึงความสูง 1 cm ทำให้ถ้วยตกลงมากระแทกฐานรอง (รูป 1a) ขนาดของอุปกรณ์กำหนดเป็นมาตรฐาน นอกจากนี้ยังมีมีดขึ้นรูปที่มีขนาดกำหนดไว้อย่างแน่นอน (รูป 1b)
นำตัวอย่างที่ตักไว้ใส่ถ้วยทองเหลือง แล้วเกลี่ยด้วยมีดให้ผิวตัวอย่างเรียบสนิท และให้ตัวอย่างปกคลุมส่วนหน้าของถ้วยมากกว่าครึ่งเล็กน้อย โดยให้ความสูงเหนือจุดต่ำสุดของก้นถ้วยประมาณ 12 mm จากนั้นจึงใส่ถ้วยลงในเครื่อง และใช้มีดที่มีรูปทรงพิเศษกรีดร่องตรงกลางให้ตรงสมบูรณ์ และให้เห็นก้นถ้วยทองเหลือง ซึ่งทำได้โดยดึงมีดอย่างระมัดระวังในแนวตั้งฉากกับก้นถ้วย ความยาวของร่องควรประมาณ 40 mm แล้วจึงหมุนข้อเหวี่ยงของเครื่องด้วยความเร็ว 2 รอบต่อวินาที พร้อมทั้งนับจำนวนครั้งที่ถ้วยกระทบฐาน และสังเกตร่อง ซึ่งจะค่อย ๆ แคบลงเนื่องจากการกระแทกของถ้วยกับฐาน เพราะส่วนที่ถูกตัดของตัวอย่างจะเคลื่อนและมีแนวโน้มจะประสานเข้าหากัน การหมุนข้อเหวี่ยงของเครื่องทำต่อไปจนกว่าร่องจะประสานกันได้ยาว 10 mm เมื่อได้ดังนั้นแล้วให้หยุดหมุนต่อ จากนั้นใช้มีดตักตัวอย่างออกประมาณ 2 cm3 จากบริเวณรอบร่องที่ประสานกันทั้งสองด้าน ใส่ลงในแผ่นกระจกนาฬิกา และหาความชื้นของดิน
การทดสอบนี้ทำซ้ำ 3-4 ครั้งในลักษณะเดียวกัน แต่แต่ละครั้งใช้ความชื้นต่างกัน ซึ่งทำได้โดยเริ่มจากผสมตัวอย่างกับน้ำในปริมาณน้อยก่อน แล้วจึงเติมน้ำสำหรับการทดสอบครั้งต่อ ๆ ไป หลังจากการทดสอบแต่ละครั้งเสร็จสิ้น จะเทตัวอย่างลงบนแผ่นกระจก จากนั้นเติมน้ำเล็กน้อยและผสมให้เข้ากันดี เพื่อให้ได้มวลกึ่งเหลวที่สม่ำเสมอและเหลวขึ้นเล็กน้อยทุกครั้ง
เพื่อทำการทดสอบ เนื้อดินที่เตรียมไว้ต้องไม่ข้นหรือเหลวเกินไป เพราะสภาพความข้นของดินที่ห่างจากขีดจำกัดการไหลมากเกินไปจะไม่ให้ความแม่นยำที่จำเป็นสำหรับการทดสอบนี้ โดยทั่วไปกำหนดว่า หากจำนวนครั้งการกระแทกน้อยกว่า 10 หรือมากกว่า 50 การทดสอบถือว่าไม่สำเร็จ แต่ถือว่าความแม่นยำของการทดสอบดีกว่าหากช่วงระหว่างขีดจำกัดเหล่านี้อยู่ที่ 10-40 ครั้งการกระแทก
ควรสังเกตว่า ตามวิธีหนึ่ง ในแต่ละครั้งเมื่อหมุนคันโยกครบจนร่องปิดสนิทที่ความยาว 1 cm ตัวอย่างในถ้วยทองเหลืองจะถูกผสมทันทีด้วยมีด แล้วปรับผิวตัวอย่างในถ้วยให้เรียบอีกครั้ง จากนั้นตัดร่องใหม่ แล้วจึงหมุนคันโยกของเครื่อง การดำเนินการนี้ทำซ้ำไปเรื่อย ๆ จนกว่าจะได้จำนวนครั้งที่ตกกระทบเท่ากันสามครั้งติดต่อกันเมื่อปิดร่องที่ความยาว 1 cm ซึ่งจำนวนนี้จะถูกนำไปใช้ต่อไปในการกำหนดขีดจำกัดการไหล เรานำผลการทดสอบไปลงในกราฟแบบกึ่งลอการิทึม (รูป 2). แกน x ใช้จำนวนครั้งที่ตกกระทบในสเกลลอการิทึม และแกน y ใช้ปริมาณน้ำเป็นเปอร์เซ็นต์ของน้ำหนักแห้งของตัวอย่างในสเกลเลขคณิต เนื่องจากในการทดสอบแต่ละครั้งมีปริมาณน้ำ w ต่างกัน เราจึงได้จุด A, B, C และ D ซึ่งสอดคล้องกับจำนวนครั้งที่ตกกระทบต่างกัน โดยจำนวนครั้งที่ตกกระทบน้อยลงเมื่อปริมาณน้ำมากขึ้น และในทางกลับกัน เมื่อนำจุดเหล่านี้มารวมกันจะได้เส้นตรงเอียง ซึ่งเราหาจุด M สำหรับ 25 ครั้งที่ตกกระทบ ปริมาณน้ำที่สอดคล้องกับจุดนี้จะถูกกำหนดเป็นขีดจำกัดการไหล wL.
รูป 2. การกำหนดขีดจำกัดการไหล
การกำหนดขีดจำกัดความเป็นพลาสติก
นำตัวอย่างดินที่เตรียมตามวิธีที่อธิบายไว้ข้างต้น แต่ใช้น้ำน้อยกว่า เพื่อให้เป็นมวลพลาสติกในสภาพกึ่งเหนียวกึ่งพลาสติก ปั้นเป็นก้อนกลมขนาดประมาณ 2-3 cm3 แล้วจึงใช้ฝ่ามือกลิ้งบนกระดาษธรรมดาหรือกระดาษซับเป็นแท่งทรงกระบอกที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 3 mm. หากตัวอย่างสามารถกลิ้งได้ถึงความหนานั้นโดยไม่แตก ก็ปั้นเป็นก้อนกลมอีกครั้งและกลิ้งด้วยวิธีเดิม ทำซ้ำขั้นตอนนี้จนกระทั่งแท่งที่มีความหนา 3 mm เริ่มแตก เมื่อได้แท่งที่แตกแล้ว ให้นำไปใส่ในแผ่นนาฬิกาและหาปริมาณน้ำ ปริมาณน้ำนั้นเมื่อแสดงเป็นเปอร์เซ็นต์ของน้ำหนักแห้งของตัวอย่าง จะสอดคล้องกับขีดจำกัดความเป็นพลาสติก wP.
การกำหนดขีดจำกัดการหดตัว
รูป 3. การกำหนดขอบเขตการหดตัว
ตัวอย่างดินผสมกับน้ำกลั่นตามวิธีที่อธิบายไว้ใน การทดสอบหาขีดจำกัดการไหล เพื่อให้มีความข้นใกล้เคียงกับขีดจำกัดการไหล เมื่อรูพรุนทั้งหมดอิ่มตัวด้วยน้ำ จากนั้นปั้นเป็นก้อนกลมและปล่อยให้แห้งก่อนในอากาศ แล้วจึงนำเข้าเตาอบที่ 105°C ขั้นตอนการทำให้แห้งแบบลำดับนี้จำเป็นเพื่อหลีกเลี่ยงรอยแตกในตัวอย่างที่แห้งแล้ว ซึ่งจะรบกวนการทดสอบได้ ทันทีในตอนต้นจะชั่งน้ำหนักตัวอย่าง W1 และหาปริมาตร V1 ด้วยการทดสอบโดยจุ่มในปรอท จากนั้นทำให้แห้งต่อในอากาศ แล้วจึงในเตาอบ โดยมีการนำตัวอย่างออกเป็นระยะ ๆ ทำให้เย็นในเดซิกเคเตอร์ และชั่งน้ำหนัก W2, W3, W4 เป็นต้น และหาปริมาตร V2, V3, V4 เป็นต้น ด้วยวิธีนี้จะพบว่า ที่สภาวะความชื้นหนึ่ง ปริมาตรของตัวอย่างหยุดลดลง แม้ว่าน้ำหนักยังคงลดลงต่อไปเนื่องจากการทำให้แห้ง หากตัวอย่างในสภาพเริ่มต้นอิ่มตัวด้วยน้ำ กล่าวคือไม่มีอากาศในรูพรุน การสูญเสียน้ำจากการทำให้แห้งของตัวอย่างจนถึงขีดจำกัดการหดตัวจะสอดคล้องโดยประมาณกับการลดลงของปริมาตรตัวอย่าง หลังจากนั้นจะยังคงทำให้แห้งต่อไปโดยไม่วัดปริมาตร จนกว่าตัวอย่างจะแห้งสนิท กล่าวคือจนมีน้ำหนักคงที่ แล้วจึงหาปริมาณน้ำเป็นเปอร์เซ็นต์ของน้ำหนักแห้งของตัวอย่างสำหรับการวัดปริมาตรและน้ำหนักแต่ละครั้ง จากนั้นนำผลการทดสอบลงในแผนภาพ (รูป 3) ด้วยวิธีนี้จะได้จุด A, B, C, D และ E ซึ่งเชื่อมต่อกัน จนโดยทั่วไปได้เส้นที่มีจุดหักมุมชัดเจนในบริเวณขีดจำกัดการหดตัว ที่จุดหักมุม S จะได้ความชื้น w ที่สอดคล้องกับขีดจำกัดการหดตัว _W_S.
การกำหนดค่าคาปิลลารี
การทดสอบหาความสูงของการไต่ขึ้นแบบคาปิลลารีของน้ำทำได้สองวิธี คือการวัดความสูงของการไต่ขึ้นแบบคาปิลลารีโดยตรง และการวัดโดยอ้อมด้วยคาพิลลารีเมเตอร์
การทดลองหาความสูงเส้นเลือดฝอยโดยการวัดโดยตรง
จากตัวอย่างที่ถูกรบกวน ให้ตักดินประมาณ 300 ปอนด์ ซึ่งนำไปอบแห้งที่ 105°C จากนั้นเมื่อเย็นแล้วบดให้เป็นผงละเอียดมาก โดยไม่ทำให้เม็ดดินแตก ผงที่ได้เทลงในหลอดแก้วเส้นผ่านศูนย์กลาง ø 25 mm ยาว 1,5 - 2,5 m เปิดทั้งสองด้าน โดยปลายล่างปิดไว้ก่อนด้วยใยแก้วหรือผ้าชิ้นหนึ่ง ในปลายบนที่เปิดอยู่เราเทผงแห้งสูงประมาณ 10 cm จากนั้นยกหลอดขึ้นแล้วปล่อยให้ตกกระทบพื้นไม้หรือฐานรองยืดหยุ่นอื่น ๆ จนกระทั่งเห็นการทรุดตัวของผงในหลอด เราควบคุมการทรุดตัวของผงด้วยการทำเครื่องหมายเส้นด้วยชอล์กสีบนหลอด หลังจากนั้นเติมผงอีก 10 cm แล้วทำขั้นตอนเดิมซ้ำจนกระทั่งหลอดเต็มด้วยผงแห้งที่อัดแน่นของตัวอย่างดินซึ่งเราทดสอบความสามารถในการเกิดเส้นเลือดฝอย จากนั้นจุ่มก้นหลอดลงในภาชนะกระจกที่มีน้ำกลั่นนิ่ง โดยปลายล่างของหลอดต้องไม่วางอยู่ที่ก้นภาชนะ (รูป 4). ยึดหลอดแก้วเข้ากับแผ่นไม้ที่มีสเกล เพื่อให้ทั้งหลอดและสเกลตั้งตรง หลังจากนั้นสังเกตการยกตัวของน้ำในหลอด ซึ่งสังเกตได้ชัดจากสี: ตัวอย่างแห้งมีสีอ่อน ตัวอย่างเปียกมีสีเข้ม ระยะห่างระหว่างระดับน้ำในภาชนะกับขอบบนของตัวอย่างที่เปียกคือความสูงของการยกตัวตามเส้นเลือดฝอย hk
รูป 4. การกำหนดความสูงของการไต่ระดับเส้นเลือดฝอยของน้ำด้วยการวัดโดยตรง
การสังเกตตามปกติทำหลังจาก 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 เป็นต้น ชั่วโมง ผลการสังเกตจะนำลงในแผนภาพ ซึ่งแกน x แสดงเวลาเป็นชั่วโมง และแกน y แสดงความสูงของการไต่ของน้ำด้วยแรงแคปิลลารีเป็นมม. (รูป 5)
ในวัสดุทราย การไต่ระดับด้วยแรงแคปิลลารีจะเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วในตอนแรก จากนั้นช้าลง และระดับความสูงสุดท้ายจะถึงได้โดยเร็ว ในวัสดุดินเหนียว การไต่ระดับด้วยแรงแคปิลลารีในตอนแรกจะช้ากว่า แต่เป็นไปต่อเนื่องนานกว่าและไปได้สูงกว่ามาก
วิธีการกำหนดความสูงแคปิลลารีนี้ใช้เวลานาน โดยเฉพาะในดินเหนียว นอกจากนี้ความสูงของการไต่ขึ้นตามแรงแคปิลลารีขึ้นอยู่กับอุณหภูมิอากาศและความชื้นของอากาศด้วย ดังนั้นจึงจำเป็นต้องรักษาปัจจัยเหล่านี้ให้คงที่เท่าที่จะทำได้
รูป 5. แผนภาพการไต่ขึ้นตามเส้นเลือดฝอยของน้ำในดิน a-ทราย; b-ฝุ่น; c-ดินเหนียว
การทดลองหาความสูงของการเคลื่อนตัวตามเส้นเลือดฝอยด้วยคาเพลลารีมิเตอร์
มีแคพิลารีเมเตอร์หลายรูปแบบที่มีโครงสร้างแตกต่างกัน เช่น แคพิลารีเมเตอร์ของ Beskow, Jürgenson และ Engelhardt ในที่นี้จะอธิบายหลักการทำงานด้วยแคพิลารีเมเตอร์ของ Beskow ซึ่งเป็นแบบที่ใช้งานกันมากที่สุด
การทดสอบนี้ดำเนินการกับตัวอย่างที่ไม่ถูกรบกวนหรือถูกรบกวน หากตัวอย่างถูกรบกวน จะนำเข้าเครื่องในสภาพใกล้ขีดจำกัดการไหลตัว
Sl. 6. คาปิลลารีมิเตอร์ Beskow
คาปิลลารีมิเตอร์ของ Beskow ประกอบด้วยภาชนะสองใบ (รูป 6) เชื่อมกันที่ส่วนล่างด้วยท่อยางเสริมแรง ในภาชนะ 1 ใส่ตัวอย่างดินบนก้นกรอง ส่วนใต้ลงไปเป็นภาชนะที่บรรจุทั้งน้ำกลั่นบางส่วนและปรอทบางส่วน โดยปรอทอยู่ในส่วนล่างจนเติมเต็มทั้งท่อยางและส่วนล่างของภาชนะ 2 ตอนเริ่มการทดลอง ระดับปรอทในทั้งสองภาชนะเท่ากัน จากนั้นจึงลดภาชนะ 2 ลงด้านล่าง ทำให้เกิดความดันต่ำใต้ก้นกรองของภาชนะ 1 เมื่อความดันต่ำนั้นมากกว่าแรงคาปิลลารีในตัวอย่าง อากาศจะซึมผ่านตัวอย่างเข้าสู่ก้นกรอง และระดับปรอทในทั้งสองภาชนะจะเท่ากันอีกครั้งทันทีด้วยการลดระดับของภาชนะ 2 ความต่าง Hg ระหว่างระดับปรอทในภาชนะทั้งสอง ณ ขณะที่ความดันต่ำและแรงคาปิลลารีสมดุลกัน กล่าวคือ ก่อนที่อากาศจะเริ่มซึมผ่านตัวอย่าง เมื่อแปลงเป็นความสูงของคอลัมน์น้ำและบวกกับความสูงของคอลัมน์น้ำ h ใต้ตัวอย่าง จะได้ความสูงคาปิลลารี hk เนื่องจากปรอทหนักกว่าน้ำ 13,6 เท่า ดังนั้นความสูงของการยกตัวแบบคาปิลลารี hk คือ:
hk = 13,6 Hg + h
การกำหนดค่าการซึมผ่านของดิน
การทดสอบในห้องปฏิบัติการเพื่อหาค่าการซึมผ่านของดินทำโดยใช้อุปกรณ์พิเศษที่เรียกว่า permeametri มีรูปแบบของเพอร์มีอาเมตเตอร์หลายชนิด ซึ่งสามารถแบ่งได้เป็นสองกลุ่ม คือ permeametri sa konstatnim pritiskom vode สำหรับดินเม็ดหยาบ และ permeametri sa opadajućim pritiskom vode สำหรับดินเม็ดละเอียด ในทั้งสองกรณี การทดสอบจะทำกับตัวอย่างที่ไม่ถูกรบกวน
ด้วยการทดสอบในห้องปฏิบัติการจะกำหนดค่าสัมประสิทธิ์การซึมผ่านของดิน โดยค่าดังกล่าวจะแสดงที่อุณหภูมิที่กำหนด เนื่องจากความหนืดของน้ำแตกต่างกันไปตามอุณหภูมิ ซึ่งมีผลต่อค่าของสัมประสิทธิ์การซึมผ่าน k โดยทั่วไปจะแสดงค่าสัมประสิทธิ์ k ที่อุณหภูมิ t =10°C ดังนั้น หาก 10°C อุณหภูมิของน้ำในขณะกำหนดค่าสัมประสิทธิ์ k เป็น T ซึ่งต่างจาก t = 10°C แล้ว ค่าของมันจะถูกคำนวณใหม่ตามสูตร:
k10oC = ηt /η10oC * kT
โดยที่ ηt และ η10oC คือความหนืดของน้ำที่อุณหภูมิใช้งาน T หรืออุณหภูมิที่กำหนด t =10°C
kT คือค่าที่ได้ของสัมประสิทธิ์การซึมผ่านของดินที่อุณหภูมิใช้งาน T
ค่าความหนืดสำหรับอุณหภูมิ T ต่าง ๆ แสดงไว้ในตาราง 1
การทดสอบด้วยแรงดันน้ำคงที่
รูป 7 เพอร์มีอาเมเตอร์แบบความดันน้ำคงที่
สำหรับการทดสอบนี้ ใช้ตัวอย่างดินที่ไม่ถูกรบกวนบรรจุในทรงกระบอกโลหะเส้นผ่านศูนย์กลาง D สูง h โดยมีขอบล่างลับคม กดทรงกระบอกลงในดินหรือลงในตัวอย่างที่ไม่ถูกรบกวนขนาดใหญ่กว่า หลังจากปรับผิวด้านบนและด้านล่างของตัวอย่างให้เสมอกับขอบทรงกระบอกแล้ว ให้นำตัวอย่างในทรงกระบอกใส่ในเครื่อง (รูป 7) ระหว่างตัวกรองบนและตัวกรองล่าง ตัวกรองล่างประกอบด้วยตะแกรงถี่และหินกรอง เพื่อให้สามารถให้น้ำไหลผ่านตัวอย่างและป้องกันการชะล้างอนุภาคดิน ตัวกรองบนไม่มีตะแกรง เนื่องจากมีโอกาสการชะล้างของอนุภาคน้อยกว่า การจ่ายน้ำเข้าสู่ตัวอย่างมาจากระดับ N ซึ่งควบคุมให้คงที่ด้วยท่อโอเวอร์โฟลว์ ดังนั้นความดันสถิต H จึงคงที่ ภายใต้ความดันนี้ น้ำจะไหลผ่านตัวอย่างที่มีความหนา h และผ่านท่อที่ต่อเข้ากับส่วนบนของเครื่องไปถึงกระบอกแก้ว M ซึ่งน้ำจะหยดลงมา
ทันทีที่น้ำเริ่มไหลผ่านตัวอย่างลงในกระบอกตวง เราจะเริ่มนาฬิกาจับเวลาและสังเกตปริมาณน้ำ q ที่ไหลเข้าสู่กระบอกตวงในช่วงเวลา t ตามกฎของดาร์ซีคือ
q = k*A*t*i
โดยที่ k คือค่าสัมประสิทธิ์การซึมผ่านในหน่วย cm/sec, A คือพื้นที่หน้าตัดของตัวอย่าง, i คือความลาดชันไฮดรอลิก, i = H/h.
จากสมการข้างต้น เราได้ว่า k= qh/Ath [cm/sec].
เราบันทึกปริมาณน้ำที่ไหลผ่านตัวอย่างในช่วงเวลาแต่ละช่วงตั้งแต่เริ่มต้นจนถึงสิ้นสุดการสังเกต ดังนั้นจึงได้ทั้งปริมาณน้ำรายช่วงและปริมาณรวมที่ไหลผ่านตัวอย่าง
เพื่อกำจัดฟองอากาศในตัวอย่างและในน้ำ ซึ่งอาจทำให้ผลการทดสอบคลาดเคลื่อน จำเป็นต้องทำให้ตัวอย่างอยู่ในสภาพอิ่มตัวก่อนการทดสอบ และควรใช้น้ำต้มสุกหรืออย่างน้อยน้ำที่พักไว้แล้วในการทดสอบ
แทนเครื่องมือที่อธิบายไว้ข้างต้นซึ่งอาศัยความดันไฮโดรสแตติกจากความแตกต่างของระดับน้ำ H ยังมีเครื่องมืออีกชนิดหนึ่งที่ความดันไฮโดรสแตติกถูกสร้างด้วยความดันอากาศตั้งแต่ 10 ถึง 15 kp/cm2 และคงไว้ให้สม่ำเสมอด้วยคอมเพรสเซอร์