Визначення меж Атерберга
Описано випробування для визначення межі текучості, межі пластичності та межі усадки, які є найважливішими в механіці ґрунтів. Усі ці випробування виконують на порушених зразках зв’язного ґрунту.
Випробування на визначення межі текучості
Для цього досліду беруть близько 200 ґрунту в природно вологому стані, без зерен діаметром понад 0,5 mm, які могли б порушити точність результатів досліду. Зразок не можна сушити в сушильній шафі, а його одразу поміщають у порцелянову чашку з дистильованою водою, де він має залишатися кілька годин, доки добре зволожиться. Для суглинку, у якого індекс пластичності IP < 20, зволоження триває близько 4 години, для глини IP > 20 до 18 годин. Потім зволожений зразок переносять на скляну пластинку і за допомогою лабораторного ножа добре перемішують, щоб отримати густу кашку однорідного складу. Якщо помітять частинки більші за 0,5 mm, їх під час перемішування видаляють.
Так підготовлений зразок переносять у латунну чашечку приладу Касагранде для визначення межі текучості (рис. 1), який у наших лабораторіях називають трясилкою Касагранде.
Рис. 1. Апарат Cassagrande для визначення межі текучості
Прилад складається з латунної чашечки, яка за допомогою спеціального з’єднання приєднується до приладу, еластичної основи з твердої гуми з ексцентриком у верхній частині та ручкою для обертання, причому ексцентрик піднімається на висоту 1 cm, унаслідок чого чашечка падає і вдаряється об основу (рис. 1a). Розміри приладу нормовані. Крім того, є ще профільований ніж точно визначених розмірів (рис. 1b).
Перекладений зразок у латунну чашечку вирівнюють ножем так, щоб поверхня зразка була абсолютно рівною, і щоб зразок покривав трохи більше половини передньої частини чашечки, причому його висота над найнижчою точкою дна чашечки була приблизно 12 mm. Потім чашечку вмикають у прилад і профільованим ножем прорізають борозенку посередині так, щоб вона була цілком прямою і щоб було видно латунне дно чашечки; цього досягають обережним проведенням ножа перпендикулярно до дна чашечки. Довжина борозенки має становити близько 40 mm. Одразу після цього обертають ручку приладу зі швидкістю 2 обертів за секунду, при цьому рахують удари чашечки об основу й спостерігають борозенку, яка через удари чашечки об основу звужується, бо розрізані частини зразка рухаються й прагнуть з’єднатися. Обертання ручки приладу триває доти, доки борозенка не з’єднається на довжині 10 mm. Коли цього досягнуто, подальше обертання ручки припиняють, а потім ножем відбирають зразок у кількості близько 2 cm3 із ділянки біля з’єднаної борозенки з обох боків, кладуть його в годинникові скельця й визначають вологість ґрунту.
Цей дослід повторюють 3-4 разів однаковим способом, але щоразу з іншою вологістю, чого досягають, якщо зразок спочатку змішують із меншою кількістю води, а потім воду додають для решти дослідів. Після кожного завершеного досліду зразок переносять на скляну плиту, де додають трохи води і добре перемішують, щоб отримати однорідну, щоразу дещо рідкішу кашоподібну масу.
Для проведення випробування приготовлена кашка не повинна бути надто густою ані надто рідкою, бо стани консистенції ґрунту, надто віддалені від межі текучості, не дають потрібної точності для цього випробування. Зазвичай приймають, що якщо кількість ударів менша за 10 або більша за 50, випробування не вдалося, але вважається, що точність випробування краща, якщо інтервал цих меж становить 10-40 ударів.
Зазначається, що за одним способом, щоразу після завершення обертання ручки до змикання борозни на довжині 1 cm зразок у латунній чашечці відразу перемішують ножем і знову вирівнюють поверхню зразка в чашечці, прорізають нову борозну, а потім обертають ручку апарата. Цю процедуру повторюють доти, доки тричі поспіль не буде отримано однакову кількість ударів при змиканні борозни на довжині 1 cm, і цю кількість приймають для подальшої процедури визначення межі текучості. Результати випробувань наносять на діаграму в напівлогарифмічній шкалі (рис. 2). На вісь абсцис наносять кількість ударів у логарифмічній шкалі, а на вісь ординат — кількість води у відсотках від сухої маси зразка в арифметичній шкалі. Оскільки в кожному досліді різна кількість води w, то одержуємо точки A, B, C і D, що відповідають різній кількості ударів, причому кількість ударів менша, якщо кількість води більша, і навпаки. З’єднуючи ці точки, дістаємо похилу пряму лінію, на якій шукаємо точку M для 25 ударів. Кількість води, що відповідає цій точці, приймається як межа текучості wL.
Рис. 2. Визначення межі текучості
Визначення межі пластичності
Зразок ґрунту, виготовлений у спосіб, описаний вище, але з меншою кількістю води, так щоб пластична маса була приблизно у тугопластичному стані, зминають у кульку об’ємом близько 2-3 cm3, а потім долонею на основі звичайного або поглинаючого паперу скачують у валик товщиною 3 mm. Якщо зразок скочується до такої товщини без ламання, тоді його знову зминають у кульку і скачують у такий самий спосіб. Цю операцію повторюють доти, доки не буде досягнуто, що валик за товщини 3 mm не почне ламатися. Тоді зламані валики кладуть у годинникові скельця і визначають кількість води. Ця кількість води, виражена у відсотках від сухої ваги зразка, відповідає межі пластичності wP.
Визначення межі усадки
Рис. 3. Визначення межі усадки
Зразок ґрунту змішують із дистильованою водою способом, описаним у Випробуванні на визначення межі текучості, так, щоб його консистенція була приблизно на межі текучості, коли всі пори насичені водою. Потім формують кульку, яку залишають висихати спочатку на повітрі, а потім у сушильній шафі за температури 105°C. Така послідовність сушіння потрібна, щоб уникнути тріщин у висушеному зразку, які б порушили випробування. Відразу на початку зважують W1 зразка і визначають його об’єм V1 випробуванням зануренням у ртуть, потім далі сушать на повітрі, а потім у сушильній шафі, періодично відбираючи зразок, охолоджуючи його в ексикаторі та вимірюючи його масу W2, W3, W4 тощо і об’єм V2, V3, V4 тощо. У такий спосіб встановлюють, що за одного стану вологості об’єм зразка перестає зменшуватися, хоча його маса далі знижується внаслідок сушіння. Якщо зразок у початковому стані насичений водою, тобто не містить повітря в порах, втрата води під час сушіння зразка до межі усадки приблизно відповідає зменшенню об’єму зразка. Після цього сушіння й далі продовжують без вимірювання об’єму, аж доки зразок повністю не висохне, тобто до сталої маси. Тоді визначають кількість води у відсотках сухої маси зразка для кожного вимірювання об’єму і маси зразка, а результати випробування наносять на діаграму (с. 3). У такий спосіб отримують точки A, B, C, D і E, які з’єднують, так що зазвичай отримують лінію з різким зламом в області межі усадки. У точці зламу S отримують вологість w, що відповідає межі усадки _W_S.
Визначення капілярності
Випробування для визначення висоти капілярного підняття води проводять двома способами, а саме: прямим вимірюванням висоти капілярного підняття води та непрямим вимірюванням за допомогою капіляриметра.
Випробування визначення капілярної висоти безпосереднім вимірюванням
Із порушеної проби беруть близько 300 пундів ґрунту, який висушують при 105°C, потім після охолодження подрібнюють у зовсім дрібний порошок без дроблення зерен. Одержаний порошок засипають у скляну трубку діаметром ø 25 mm, завдовжки 1,5 - 2,5 m, відкриту з обох кінців, нижній кінець якої попередньо закривають скляною ватою або шматком полотна. У відкритий верхній кінець засипаємо висушений порошок шаром близько 10 cm, потім трубку піднімаємо і даємо їй падати з ударом на дерев’яну підлогу або іншу пружну опору доти, доки не спостерігається осідання порошку в трубці. Контроль осідання порошку здійснюємо, наносячи на трубку лінії жирною крейдою. Після цього досипаємо ще 10 cm порошку і повторюємо ту саму процедуру, доки не заповнимо трубку ущільненим сухим порошком зразка ґрунту, капілярність якого досліджуємо. Потім дно трубки занурюємо у скляну посудину з дистильованою водою без течії, так, щоб нижній кінець трубки не лежав на дні посудини (рис. 4). Скляну трубку прикріплюємо рейкою до шкали так, щоб і трубка, і шкала були вертикальні. Після цього спостерігаємо підняття води в трубці, яке чітко розрізняється за кольором: сухий зразок світлий, вологий — темний. Відстань між рівнем води в посудині та верхнім краєм вологого зразка становить висоту капілярного підняття hk.
Рис. 4. Визначення висоти капілярного підняття води прямим вимірюванням
Спостереження виконують, як правило, після 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 тощо годин. Результати спостереження наносять на діаграму, абсциси якої становлять час у годинах, а ординати — висоту капілярного підняття води в мм (рис. 5).
У піщаному матеріалі капілярний підйом спочатку відбувається різко, потім повільніше, і кінцева висота підйому швидко досягається. У глинистому матеріалі капілярний підйом спочатку повільніший, але триваліший і досягає значно більшої висоти.
Цей спосіб визначення капілярної висоти є тривалим, особливо для глинистого ґрунту. Крім того, висота капілярного підняття залежить від температури повітря, а також від його вологості, через що ці чинники необхідно підтримувати якомога сталими.
Рис. 5. Діаграма капілярного підняття води в ґрунті, a-пісок; b-пил; c-глинистий ґрунт
Дослід визначення капілярної висоти за допомогою капіляриметра
Існує кілька капіляриметрів різних конструкцій, таких як капіляриметри Бєскова, Юрґенсона і Енгельгардта. Тут ми опишемо принцип роботи з капіляриметром Бєскова, який застосовується найчастіше.
Це випробування проводять на непорушених або порушених зразках. Якщо зразок порушений, то його вводять у прилад у стані на межі текучості.
Рис. 6. Капіляриметр Беськова
Капіляриметр Бескова складається з двох посудин (рис. 6), з’єднаних у нижніх частинах між собою за допомогою армованого гумового шланга. У посудину 1 кладуть зразок ґрунту на фільтрувальне дно, тоді як під нею міститься посудина, частково заповнена дистильованою водою, частково ртуттю, яка в нижній частині так розміщена, що заповнює і весь гумовий шланг, і нижню частину посудини 2. На початку досліду рівень ртуті в обох посудинах однаковий. Потім посудину 2 опускають вниз, чим під фільтрувальним дном посудини 1 створюється розрідження. Коли це розрідження стає більшим за капілярні сили в зразку, повітря проникає крізь зразок у фільтрувальне дно, і рівень ртуті в обох посудинах одразу після цього зрівнюється підняттям посудини 2. Різниця Hg між рівнями ртуті в одній і другій посудині в момент зрівноваження розрідження і капілярних сил, тобто безпосередньо перед тим, як повітря почало проникати крізь зразок, перерахована на висоту водяного стовпа і збільшена на висоту водяного стовпа h під зразком, дає капілярну висоту hk. Оскільки ртуть 13,6 разів важча за воду, то висота капілярного підняття hk:
hk = 13,6 Hg + h
Визначення проникності ґрунту
Лабораторне випробування для визначення проникності ґрунту виконують за допомогою спеціальних приладів, які називаються пермеаметрами. Існують різні конструкції пермеаметрів, які, однак, можна поділити на дві групи: пермеаметри зі сталим тиском води, для крупнозернистих ґрунтів, і пермеаметри зі спадним тиском води для дрібнозернистих ґрунтів. В обох випадках випробування проводять на непорушених зразках.
Лабораторним випробуванням визначають коефіцієнт проникності ґрунту, значення якого подають при певній температурі, через різну в’язкість води за різних температур, що впливає на значення коефіцієнта проникності k. Найчастіше коефіцієнт k подають за температури t =10°C. Отже, якщо 10°C, температура води під час визначення коефіцієнта k була T, відмінна від t = 10°C, тоді його значення перераховують за формулою:
k10oC = ηt /η10oC * kT
де ηt і η10oC — в’язкість води при робочій температурі T, тобто при прийнятій температурі t =10°C.
kT отримане значення коефіцієнта проникності ґрунту за робочої температури T.
Значення в’язкості для різних температур T наведені в таблиці 1.
Випробування з постійним тиском води
Sl. 7. Пермаметр із сталим тиском води
Для цього випробування беруть непорушений зразок ґрунту в металевий циліндр діаметра D, висоти h, із загостреним нижнім краєм, втискаючи його в ґрунт або у більший непорушений зразок. Після того як верхню і нижню поверхні зразка вирівнюють з краями циліндра, зразок у циліндрі ставлять в апарат (рис. 7) між верхнім і нижнім фільтром. Нижній фільтр складається з густого сита і фільтрувального каменю, щоб забезпечити протікання води через зразок і запобігти вимиванню частинок ґрунту. Верхній фільтр без сита, оскільки існує менша можливість вимивання частинок. Подача води до зразка здійснюється з рівня N, який за допомогою переливу підтримується сталим, так що гідростатичний тиск H є сталим. Під цим тиском вода проходить через зразок товщини h і за допомогою труби, під’єднаної до верхньої частини апарата, потрапляє в скляну мензурку M, де крапає.
Щойно почнеться протікання води через зразок у мензурку, вмикаємо секундомір і спостерігаємо кількість води q, що надходить у мензурку протягом t. Згідно із законом Дарсі є
q = k*A*t*i
де k — коефіцієнт проникності в cm/sec, A — площа поперечного перерізу зразка, i — гідравлічний напір, i = H/h.
Із наведеного вище рівняння маємо k= qh/Ath [cm/sec].
Кількість води, що проходить через зразок, зчитуємо через окремі проміжки часу від початку до кінця спостереження, так що маємо і окремі, і загальну кількість води, що пройшла через зразок.
Щоб виключити повітряні бульбашки в зразку і у воді, які можуть призвести до неправильних результатів випробування, необхідно, щоб перед випробуванням зразок був у насиченому стані, а для проведення випробування слід використовувати кип’ячену або принаймні відстояну воду.
Замість описаного вище приладу, заснованого на гідростатичному тиску внаслідок різниці рівнів води H, існують також прилади, у яких гідростатичний тиск створюється повітряним тиском від 10 до 15 kp/cm2, що підтримується сталим за допомогою компресора.