Određivanje Atterbergovih granica
Opisaćemo opite određivanja granice tečenja, granice plastičnosti i granice skupljanja, koje su najvažnije u mehanici tla. Svi ovi opiti vrše se na poremećenim uzorcima vezanog tla.
Opit određivanja granice tečenja
Za ovaj opit uzima se oko 200 p tla u prirodno vlažnom stanju, bez zrna prečnika preko 0,5 mm, koja bi poremetila tačnost rezultata opita. Uzorak se ne sme sušiti u sušnici već se neposredno stavlja u porcelansku šolju sa destilisanom vodom, gde treba da ostane više časova dok se dobro provlaži. Za ilovaču čiji je indeks plastičnosti IP < 20 provlaživanje traje oko 4 časa, za glinu IP > 20 do 18 časova. Potom se provlaženi uzorak preruči na staklenu ploču i pomoću laboratorijskog noža dobro promeša, da se dobije gusta kaša ravnomernog sastava. Ukoliko se primete čestice veće od 0,5 mm, one se pri mešanju uklanjaju.
Ovako pripremljeni uzorak preručuje se u mesinganu činijicu Casagrandeovog aparata za određivanje granice tečenja (sl. 1), koji se u našim laboratorijama naziva Casagrandeova treskalica.
Sl. 1. Cassagrandeov aparat za određivanje granice tečenja
Aparat se sastoji iz mesingane činijice, koja se pomoću naročite veze uključuje u aparat, elastičnog postolja od tvrde gume, sa ekscentrom u gornjem delu i ručicom za okretanje, pri čemu se ekscentar izdiže na visinu od 1 cm, usled čega činijica pada i udara u postolje (sl. 1a). Dimenzije aparata su normirane. Pored toga postoji još i profilisani nož tačno određenih dimenzija (sl. 1b).
Preručeni uzorak u mesinganu činijicu izravnava se nožem tako da površina uzorka bude potpuno ravna, i da uzorak pokrije nešto više od polovine prednjeg dela činijice, s tim da njegova visina iznad najniže tačke dna činijice bude oko 12 mm. Zatim se činijica uključi u aparat i profilisanim nožem proseče brazda u sredini tako da bude potpuno prava i da se vidi mesingano dno činijice, što se postiže pažljivim povlačenjem noža upravno na dno činijice. Dužina brazde treba da je oko 40 mm. Odmah zatim okreće se ručica aparata brzinom od 2 obrtaja u sekundi pri čemu se broje udari činijice u postolje i osmatra brazda, koja se usled udara činijice u postolje sužava, jer se rasečeni delovi uzorka pokreću i teže da se spoje. Okretanje ručice aparata traje sve dotle, dok se brazda ne spoji na dužini od 10 mm. Kada se to postigne, prestane se sa daljim okretanjem ručice, te se odmah zatim nožem izvadi uzorak u količini oko 2 cm3 iz dela oko spojene brazde sa obe strane, stavlja se u sahatna stakla i određuje vlažnost tla.
Ovaj opit se ponavlja 3-4 puta na isti način, ali svaki put sa drugom vlažnošću što se postiže ako se uzorak najpre zameša sa manjom količinom vode, pa se zatim voda dodaje za ostale opite. Posle svakog završenog opita, uzorak se preručuje na staklenu ploču, gde se dodaje nešto vode i dobro izmeša, da se dobije ravnomerna, svaki put nešto ređa, kašasta masa.
Za izvođenje opita spravljena kaša ne sme biti suviše gusta ni suviše tečna, jer stanja konsistencije tla suviše udaljena od granice tečenja ne daju potrebnu tačnost za ovaj opit. Obično se usvaja da ako je broj udara manji od 10 ili veći od 50, opit nije uspeo, ali se smatra da je tačnost opita bolja ako je razmak ovih granica 10-40 udara.
Napominje se da se prema jednom postupku, svaki put po završenom okretanju ručice do spajanja brazde na dužini od 1 cm uzorak u mesinganoj činijici odmah izmeša nožem i ponovo izravna površina uzorka u činijici, proseče nova brazda, zatim okreće ručica aparata. Ovaj postupak se ponavlja sve dotle dok se ne postigne da se tri puta uzastopce dobije isti broj udara pri spajanju brazde u dužini od 1 cm, koji se broj usvaja za dalji postupak pri određivanju granice tečenja. Rezultate ispitivanja nanosimo na dijagram u semilogaritamskoj podeli (sl. 2). Na osovinu apscisa nanosi se broj udara u logaritamskoj podeli a na osovinu ordinata količina vode u procentima suve težine uzorka u aritmetičkoj podeli. Pošto je kod svakog opita različita količina vode w, to ćemo dobiti tačke A, B, C i D, koje odgovaraju različitom broju udara, pri čemu je broj udara manji ukoliko je količina vode veća i obratno. Spajajući ove tačke dobijamo kosu pravu liniju, na kojoj tražimo tačku M za 25 udara. Količina vode koja odgovara ovoj tački usvaja se kao granica tečenja wL.
Sl. 2. Određivanje granice tečenja
Određivanje granice plastičnosti
Uzorak tla spravljen na način opisan gore, ali sa manje vode, tako da bude plastična masa približno u žilavo plastičnom stanju, skupi se u lopticu oko 2-3 cm3, pa se zatim valja dlanom na podlozi obične ili upijaće hartije u valjak debljine 3 mm. Ako se uzorak valja do te debljine bez lomljenja, onda se ponovo skupi u lopticu i valja na isti način. Ovaj postupak se ponavlja sve dotle dok se ne postigne da se valjak pri debljini od 3 mm ne počne lomiti. Tada se izlomljeni valjci stave u sahatna stakla i odredi količina vode. Ta količina vode, izražena u procentima suve težine uzorka, odgovara granici plastičnosti wP.
Određivanje granice skupljanja
Sl. 3. Određivanje granice skupljanja
Uzorak tla zameša se sa destilisanom vodom na način opisan pod Opit određivanja granice tečenja, tako da njegova konsistencija bude približno na granici tečenja, kada su sve pore zasićene vodom. Zatim se načini loptica koja se ostavi da se suši najpre na vazduhu, zatim u sušnici na 105°C. Ova postupnost u sušenju je potrebna da bi se izbegle pukotine u isušenom uzorku, koje bi poremetile opit. Odmah u početku izmeri se težina W1 uzorka i odredi njegova zapremina V1 opitom sa potapanjem u živu, zatim se dalje suši na vazduhu, a potom u sušnici, sa povremenim uzimanjem uzorka, hlađenjem u eksikatoru i merenjem njegove težine W2, W3, W4 itd. i zapremine V2, V3, V4 itd. Na taj način utvrdiće se, da pri jednom stanju vlažnosti zapremina uzorka prestaje da se smanjuje iako njegova težina i dalje opada usled sušenja. Ako je uzorak u svom početnom stanju zasićen vodom, tj. ne sadrži vazduha u porama, gubitak vode sušenjem uzorka do granice skupljanja približno odgovara smanjenju zapremine uzorka. Posle toga sušenje se i dalje nastavlja bez merenja zapremine, sve dotle dok se uzorak potpuno ne osuši, tj. do stalnosti težine. Tada se odredi količina vode u procentima suve težine uzorka za svako merenje zapremine i težine uzorka, te se rezultati opita nanesu na dijagram (sl. 3). Na taj način dobiju se tačke A, B, C, D i E, koje se spajaju, tako da se obično dobija linija sa oštrim prelomom u oblasti granice skupljanja. U prelomnoj tački S dobija se vlažnost w koja odgovara granici skupljanja WS.
Određivanje kapilarnosti
Opit određivanja visine kapilarnog penjanja vode vrši se na dva načina i to direktnim merenjem visine kapilarnog penjanja vode i indirektnim merenjem pomoću kapilarimetra.
Opit određivanja kapilarne visine direktnim merenjem
Iz poremećenog uzorka uzme se oko 300 pondi tla, koje se osuši na 105°C, zatim po hlađenju isitni se u sasvim sitan prah, bez drobljenja zrnaca. Dobijeni prah sipa se u staklenu cev prečnika ø 25 mm, dužine 1,5 - 2,5 m, otvorene na oba kraja, čiji donji kraj se prethodno zatvara staklenom vatom ili komadom platna. U otvoreni gornji kraj sipamo isušeni prah u visini od oko 10 cm, zatim cev podižemo i puštamo da pada sa udarom na drveni pod ili neki drugi elastični oslonac sve dotle, dok se pokazuje sleganje praha u cevi. Kontrolu sleganja praha vršimo obeležavanjem crta masnom kredom na cevi. Posle toga sipamo daljih 10 cm praha i ponavljamo isti postupak sve dok ne ispunimo cev zbijenim suvim prahom uzorka tla, čiju kapilarnost ispitujemo. Zatim dno cevi potopimo u stakleni sud sa destilisanom vodom bez toka, s tim da donji kraj cevi ne sme ležati na dnu suda (sl. 4). Staklenu cev pričvrstimo letvom za skalu, tako da i cev i skala budu vertikalni. Posle toga osmatramo penjanje vode u cevi, koje se jasno raspoznaje po boji: suv uzorak je svetle boje, vlažan tamne. Odstojanje između nivoa vode u sudu i gornje ivice vlažnog uzorka predstavlja visinu kapilarnog penjanja hk.
Sl. 4. Određivanje visine kapilarnog penjanja vode direktnim merenjem
Osmatranje se vrši po pravilu posle 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 itd. časova. Rezultati osmatranja nanose se na dijagram, čije apscise predstavljaju vreme u časovima, a ordinate visine kapilarnog penjanja vode u mm (sl. 5).
Kod peskovitog materijala, kapilarno penjanje je u početku naglo, zatim sporije i krajnja visina penjanja je brzo dostignuta. Kod glinovitog materijala, kapilarno penjanje je u početku sporije, ali je dugotrajnije i dostiže znatno veću visinu.
Ovaj način određivanja kapilarne visine je dugotrajan, naročito kod glinovitog tla. Osim toga visina kapilarnog penjanja zavisi od temperature vazduha kao i od njegove vlažnosti, zbog čega je potrebno da se ovi faktori održavaju kolikogod je moguće stalnim.
Sl. 5. Dijagram kapilarnog penjanja vode u tlu, a-pesak; b-prašina; c-glinovito tlo
Opit određivanja kapilarne visine pomoću kapilarimetra
Postoji više kapilarimetara različitih konstrukcija, kao što su kapilarimetri Beskowa, Jürgensona i Engelhardta. Ovde ćemo opisati princip rada sa kapilarimetrom Beskowa, koji se najviše primenjuje.
Ovaj opit vrši se na neporemećenim ili poremećenim uzorcima. Ako je uzorak poremećen onda se unosi u aparat u stanju na granici tečenja.
Sl. 6. Kapilarimetar Beskowa
Kapilarimetar Beskowa sastoji se iz dva suda (sl. 6), spojena u donjim delovima međusobom pomoću armiranog gumenog creva. U sud 1 stavlja se uzorak tla na filtarsko dno, dok je ispod njega sud ispunjen delimično destilisanom vodom, delimično živom, koja je u donjem delu tako da ispunjava i celo gumeno crevo i donji deo suda 2. U početku opita je nivo žive u oba suda isti. Zatim se sud 2 spušta naniže, čime se stvara ispod filtarskog dna suda 1 podpritisak. Kada ovaj podpritisak postane veći od kapilarnih sila u uzorku, vazduh prodire kroz uzorak u filtarsko dno i nivo žive u oba suda se odmah zatim izjednači izdisanjem suda 2. Razlika Hg između nivoa žive u jednom i drugom sudu u trenutku izjednačenja podpritiska i kapilarnih sila, tj. neposredno pre nego što je vazduh počeo da prodire kroz uzorak, preračunata na visinu vodenog stuba i uvećana za visinu vodenog stuba h ispod uzorka, daje kapilarnu visinu hk. Pošto je živa 13,6 puta teža nego voda, to je visina kapilarnog penjanja hk:
hk = 13,6 Hg + h
Određivanje propustljivosti tla
Laboratorijski opit određivanja propustljivosti tla vrši se pomoću naročitih aparata koji se zovu permeametri. Postoje različite konstrukcije permeametara, koji se međutim mogu podeliti u dve grupe: permeametri sa konstatnim pritiskom vode, za krupnozrnija tla i permeametri sa opadajućim pritiskom vode za sitnozrna tla. U oba slučaja opit se vrši sa neporemećenim uzorcima.
Laboratorijskim opitom određuje se koeficijent propustljivosti tla čija se vrednost izražava na jednoj određenoj temperaturi, zbog različite viskoznosti vode na različitim temperaturama, što utiče na vrednost koeficijenta propustljivosti k. Najčešće se izražava koeficijent k na temperaturi t =10°C. Prema tome, ako je 10°C, temperatura vode pri određivanju koeficijenta k bila T različita od t = 10°C onda se njegova vrednost preračunava po obrascu:
k10oC = ηt /η10oC * kT
gde je ηt i η10oC viskozitet vode na radnoj temperaturi T, odnosno usvojenoj temperaturi t =10°C.
kT dobijena vrednost koeficijenta propustljivosti tla na radnoj temperaturi T.
Vrednosti viskoziteta za različite temperature T date su u tablici 1.
Opit sa konstantnim pritiskom vode
Sl. 7. Permeametar sa konstantnim pritiskom vode
Za ovaj opit uzima se neporemećeni uzorak tla u metalni cilinder prečnika D, visine h, sa zaoštrenom donjom ivicom, utiskivanjem u tlo ili u veći neporemećeni uzorak. Pošto se gornja i donja površina uzorka izravnavaju sa ivicama cilindra, uzorak u cilindru stavi se u aparat (sl. 7) između gornjeg i donjeg filtera. Donji filter sastoji se iz gustog sita i filterskog kamena, da bi se omogućilo proticanje vode kroz uzorak i sprečilo ispiranje čestica tla. Gornji filter je bez sita pošto postoji manja mogućnost ispiranja čestica. Dovod vode u uzorak je sa nivoa N, koji se pomoću preliva održava stalnim, tako da je hidrostatički pritisak H stalan. Pod ovim pritiskom voda prođe kroz uzorak debljine h i pomoću cevi uključene u gornji deo aparata dospeva u staklenu menzuru M gde kaplje.
Čim počne proticanje vode kroz uzorak u menzuru, pustimo stoper sat u rad i osmatramo količinu vode q koja dotiče u menzuru za vreme t. Prema Darcyevom zakonu je
q = k*A*t*i
gde je k koeficijent propustljivosti u cm/sec, A površina preseka uzorka, i hidraulički pad, i = H/h.
Iz gornje jednačine imamo k= qh/Ath [cm/sec].
Količinu vode koja prođe kroz uzorak očitavamo u pojedinim vremenskim intervalima od početka do kraja osmatranja, tako da imamo i pojedinačne i ukupnu količinu vode proteklu kroz uzorak.
Da bi se isključili vazdušni mehuri u uzorku i u vodi, koji mogu dovesti do pogrešnih rezultata opita, potrebno je da pre opita uzorak bude u zasićenom stanju, kao i da se za izvršenje opita upotrebljava prokuvana ili bar ustajala voda.
Umesto napred opisanog aparata zasnovanog na hidrostatičkom pritisku usled razlike u nivou vode H, postoje i aparati kod kojih je hidrostatički pritisak proizveden vazdušnim pritiskom od 10 do 15 kp/cm2, održavan konstantnim pomoću kompresora.