Пределы Аттерберга являются основной мерой критического содержания воды в мелкозернистой почве : предел ее усадки , предел пластичности и предел текучести .
В зависимости от содержания воды почва может находиться в одном из четырех состояний: твердом, полутвердом, пластичном и жидком. В каждом состоянии консистенция и поведение почвы различны, и, следовательно, ее инженерные свойства тоже. Таким образом, границу между каждым состоянием можно определить на основе изменения поведения почвы. Пределы Аттерберга можно использовать для различения ила и глины и для различения различных типов ила и глины. Содержание воды, при котором почва переходит из одного состояния в другое, известно как пределы консистенции или предел Аттерберга.
Эти пределы были установлены Альбертом Аттербергом , шведским химиком и агрономом , в 1911 году. [1] Позднее они были уточнены Артуром Касагранде , австрийским инженером-геотехником и близким соратником Карла Терцаги (оба были пионерами механики грунтов ).
Различия в почвах используются при оценке почвы, на которой будет построена структура. Почвы во влажном состоянии удерживают воду, а некоторые расширяются в объеме ( смектитовая глина). Степень расширения связана со способностью почвы впитывать воду и ее структурным составом (тип присутствующих минералов: глина , ил или песок ). Эти испытания в основном используются на глинистых или илистых почвах, поскольку именно эти почвы расширяются и сжимаются при изменении содержания влаги. Глины и илы взаимодействуют с водой и, таким образом, изменяют размеры и имеют различную прочность на сдвиг . Таким образом, эти испытания широко используются на предварительных этапах проектирования любой структуры, чтобы гарантировать, что почва будет иметь правильную величину прочности на сдвиг и не слишком сильно изменится в объеме при расширении и сжатии при различном содержании влаги.
Предел усадки (SL) — это содержание воды, при котором дальнейшая потеря влаги не приведет к большему уменьшению объема. [2] Тест для определения предела усадки — ASTM International D4943. Предел усадки используется гораздо реже, чем пределы жидкости и пластичности.
Предел пластичности (PL) определяется путем раскатывания нити из мелкой фракции почвы на плоской непористой поверхности. Процедура определена в стандарте ASTM D 4318. Если почва находится при влажности, при которой ее поведение является пластичным, эта нить сохранит свою форму вплоть до очень узкого диаметра. Затем образец можно переформовать и повторить испытание. По мере того, как влажность падает из-за испарения, нить начнет распадаться на более крупных диаметрах.
Предел пластичности определяется как гравиметрическое содержание влаги, при котором нить распадается при диаметре 3,2 мм (около 1/8 дюйма). Почва считается непластичной, если нить не может быть раскатана до 3,2 мм при любой возможной влажности. [3]
Предел текучести (LL) концептуально определяется как содержание воды, при котором поведение глинистой почвы меняется с пластичного состояния на жидкое . Однако переход от пластичного к жидкому поведению происходит постепенно в диапазоне содержания воды, и прочность почвы на сдвиг на самом деле не равна нулю на пределе текучести. Точное определение предела текучести основано на стандартных процедурах испытаний, описанных ниже.
Первоначальный тест на предел текучести Аттерберга включал смешивание куска глины в круглодонной фарфоровой миске диаметром 10–12 см. В куске глины шпателем прорезали канавку, а затем миску много раз ударяли о ладонь одной руки. Впоследствии Касагранде стандартизировал аппарат (включив кулачковый механизм с кривошипным вращением для стандартизации действия падения) и процедуры, чтобы сделать измерение более повторяемым. Почва помещается в металлическую чашку (чашка Касагранде) устройства, и в ее центре делается канавка с помощью стандартизированного инструмента шириной 2 миллиметра (0,079 дюйма). Чашку многократно роняют с высоты 10 мм на твердое резиновое основание со скоростью 120 ударов в минуту, в течение которых канавка постепенно закрывается в результате удара. Регистрируется количество ударов, необходимых для закрытия канавки. Содержание влаги, при котором требуется 25 капель чашки, чтобы канавка закрылась на расстоянии 12,7 миллиметров (0,50 дюйма), определяется как предел текучести. Испытание обычно проводится при нескольких уровнях содержания влаги, а содержание влаги, при котором требуется 25 ударов, чтобы закрыть канавку, интерполируется из результатов испытания. Испытание предела текучести определяется стандартным методом испытаний ASTM D 4318. [4] Метод испытания также позволяет проводить испытание при одном уровне содержания влаги, когда требуется от 20 до 30 ударов, чтобы закрыть канавку; затем применяется поправочный коэффициент для получения предела текучести из уровня содержания влаги. [5]
Другим методом измерения предела текучести является тест падающего конуса , также называемый тестом конического пенетрометра. Он основан на измерении проникновения в почву стандартизированного конуса из нержавеющей стали с определенным углом при вершине, длиной и массой. Хотя тест Касагранде широко используется по всей Северной Америке, тест падающего конуса гораздо более распространен в Европе и других местах из-за того, что он меньше зависит от оператора при определении предела текучести. [6]
Преимущества перед методом Касагранде
Значения этих пределов используются несколькими способами. Существует также тесная связь между пределами и свойствами грунта, такими как сжимаемость , проницаемость и прочность . Это считается очень полезным, поскольку, поскольку определение пределов относительно просто, определить эти другие свойства сложнее. Таким образом, пределы Аттерберга используются для определения классификации грунта и позволяют проводить эмпирические корреляции для некоторых других инженерных свойств.
Индекс пластичности (PI) является мерой пластичности почвы. Индекс пластичности — это размер диапазона содержания воды, в котором почва проявляет пластичные свойства. PI — это разница между пределами текучести и пластичности (PI = LL-PL). Почвы с высоким PI, как правило, являются глинистыми, с низким PI — илистыми, а с PI 0 (непластичные) — имеют мало или совсем не содержат ила или глины.
Описания почв на основе PI: [8]
Индекс ликвидности (LI) используется для масштабирования естественного содержания воды в образце почвы до предела. Его можно рассчитать как отношение разницы между естественным содержанием воды, пределом пластичности и пределом текучести: LI=(W-PL)/(LL-PL), где W — естественное содержание воды.
Индекс консистенции (Ic) указывает на консистенцию (твердость) почвы. Он рассчитывается как CI = (LL-W)/(LL-PL), где W — существующее содержание воды. Почва на пределе текучести будет иметь индекс консистенции 0, почва на пределе пластичности будет иметь индекс консистенции 1, и если W > LL, Ic отрицателен. Это означает, что почва находится в жидком состоянии. Более того, сумма индекса ликвидности и индекса консистенции равна 1 (единице)
Кривая, полученная из графика зависимости содержания воды от логарифма ударов при определении предела текучести, является почти прямой и называется кривой течения.
Уравнение кривой потока: W = - I f Log N + C
Где 'I f - наклон кривой потока, называемый «индексом потока» [9]
Прочность глины на сдвиг на пределе пластичности является мерой ее прочности. Это отношение индекса пластичности к индексу текучести. Это дает нам представление о прочности почвы на сдвиг. [9]
Активность почвы – это отношение индекса пластичности к размеру фракции глины . Если активность меньше 0,75, почва неактивна. Если активность превышает 1,4, то почва называется активной. Если активность находится в пределах вышеуказанных значений, то почва будет умеренно активной. [10]
