Пределы Аттерберга
 | Эту страницу предлагается объединить со страницей Число пластичности. |
Пределы Аттерберга — мера оценки содержания воды в пластичном грунте: его предел усадки (shrinkage limit, SL), предел пластичности PL и предел текучести LL. Пределы Аттерберга используют для различения ила и глины, а также для различения различных типов ила и глины в Унифицированной системе классификации грунтов USCS. Содержание воды, при котором почвы переходят из одного состояния в другое, известно как пределы консистенции или предел Аттерберга.
Пределы были установлены Альбертом Аттербергом, шведским химиком и агрономом в 1911 году[1][2]. Позднее они были усовершенствованы Артуром Касагранде, американским инженером-геотехником австрийского происхождения и близким сотрудником Карла Терцаги (оба пионеры механики грунтов).
Грунты при намокании удерживают воду, а некоторые увеличиваются в объёме (смектитовая глина). Величина расширения связана со способностью почвы впитывать воду и её структурным составом (тип присутствующих минералов: глина, ил или песок). Эти тесты 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 тесты широко используются на предварительных этапах проектирования любой конструкции, чтобы убедиться, что грунт будет иметь правильную величину прочности на сдвиг и не будет слишком большого изменения объёма при расширении и сжатии при различном содержании влаги.
Лабораторные тесты[править | править код]
Предел усадки[править | править код]
Предел усадки (SL) — это содержание воды, при котором дальнейшая потеря влаги не приведет к большему уменьшению объёма.[3] Испытанием для определения предела усадки является ASTM International D4943. Предел усадки используется гораздо реже, чем предел текучести и пластичности.
Предел пластичности (PL)[править | править код]
Предел пластичности (PL) определяют раскатыванием нити тонкой части грунта на плоской непористой поверхности. Процедура определена в стандарте ASTM D. 4318. Если почва имеет влажность, при которой её поведение пластично, эта нить будет сохранять свою форму вплоть до очень узкого диаметра. Затем образец может быть переформован и испытание повторено. По мере падения влажности из-за испарения нить начнет рваться при большем диаметре.
Предел пластичности определяется как гравиметрическое содержание влаги, при котором нить разрывается при диаметре 3,2 мм. мм (около 1/8 дюйма). Грунт считается непластичным, если нить нельзя раскатать до 3,2. мм при любой возможной влажности.[4]
Предел текучести (LL)[править | править код]
Предел текучести (LL) — содержание воды, при котором поведение глинистого грунта изменяется от пластичного состояния до жидкого состояния. Однако переход от пластичного к жидкому поведению происходит постепенно в зависимости от содержания воды, и прочность грунта на сдвиг на самом деле не равна нулю при пределе жидкости. Точное определение предела текучести основано на стандартных процедурах испытаний, описанных ниже.
Метод Касагранде[править | править код]
Оригинальный тест Аттерберга на определение предела текучести подразумевал смешивание куска глины в круглодонной фарфоровой миске на 10-12 мл. см диаметр. Лопаткой прорезали канавку в куске глины, а затем чашу много раз ударяли по ладони одной руки. Впоследствии Касагранде стандартизировал аппарат (путем включения кривошипно-кулачкового механизма для стандартизации опускания) и процедуры, чтобы сделать измерения более воспроизводимыми.
Почва помещается в металлическую чашу (расстояние от низа чаши до основы 1 см.), в её центре делается канавка с помощью стандартного инструмента шириной 2 миллиметра (0,079 ″). Чашка неоднократно падает 10 мм на твердую резиновую основу со скоростью 120 ударов в минуту (поворот ручки 2 поворота в секунду), при этом канавка постепенно смыкается в результате удара. Регистрируется количество ударов, необходимых для закрытия канавки. Влажность, при которой требуется 25 падений, для того чтобы канавка закрылась на расстоянии 12,7 миллиметра (0,50 ″) и есть предел текучести.[5] Метод испытания также позволяет проводить испытание при одном содержании влаги, когда для закрытия канавки требуется от 20 до 30 ударов; затем применяется поправочный коэффициент для получения предела жидкости по содержанию влаги.[6]
Испытание падающим конусом[править | править код]
Другим методом измерения предела текучести является пенетрометр с конусом. Он основан на измерении проникновения в почву стандартного конуса из нержавеющей стали с определённым углом при вершине, длиной и массой. Хотя тест Касагранде широко используется в Северной Америке, тест падающего конуса гораздо более распространен в Европе и других странах из-за меньшей зависимости от оператора при определении предела жидкости.[7]
Преимущества перед методом Касагранде
- Легче выполнить в лаборатории.
- Результаты конусного пенетрометра не зависят от навыков или суждений оператора. Таким образом, полученные результаты более надежны.
- Результаты могут быть использованы для оценки прочности недренированных грунтов на сдвиг.[8]
Разница между методом Касагранде и Испытанием падающим конусом[править | править код]
Два теста измеряющих одни и те же показатели дают разные результаты. Установлено, что:
- для грунтов имеющих низкий предел текучести LL (каолинит, илит) предел текучести измеренный пенетрометром будет больше предела текучести измереннеого методом Касагранде.
- для грунтов имеющих высокий предел текучести (смектиты) предел текучести, измеренный пенетрометром будет меньше предела текучести, измеренного методом Касагранде
Производные пределы[править | править код]
Значения этих пределов используются по-разному. Существует также тесная связь между пределами и такими свойствами грунта, как сжимаемость, водопроницаемость и прочность . Это считается очень полезным, потому что, поскольку определение предела относительно просто, определить эти другие свойства сложнее. Таким образом, пределы Аттерберга используются не только для определения классификации почвы, но и позволяют использовать эмпирические корреляции для некоторых других инженерных свойств.
Индекс пластичности[править | править код]
Индекс пластичности (PI или Ip) является мерой пластичности почвы. Индекс пластичности — это размер диапазона содержания воды, при котором почва проявляет пластические свойства. PI представляет собой разницу между пределом текучести и пределом пластичности (PI = LL-PL). Почвы с высоким PI, как правило, глинистые, почвы с более низким PI — илы, а почвы с PI равным 0 (непластичные), как правило, содержат мало или совсем не содержат ил или глину.
Описание почв на основе PI:[9]
| Наименование пылевато-глинистого грунта | PI | ||
| Слегка пластичный, супесь | 0,01 ≤ IP ≤ 0,07 | ||
| Средне пластичный, суглинок | 0,07 < IP ≤ 0,17 | ||
| Очень пластичный, глина | IP > 0,17 | ||
Индекс текучести[править | править код]
Индекс текучести (LI) используется для масштабирования естественного содержания воды в образце почвы до пределов. Его можно рассчитать как отношение разницы между естественным содержанием воды, пределом пластичности и пределом жидкости: LI=(w-PL)/(LL-PL), где w — естественное содержание воды.
Индекс консистенции[править | править код]
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, в то время как почва на пределе пластичности будет иметь индекс консистенции 1, и если W > LL, Ic будет отрицательным. Это означает, что почва находится в жидком состоянии. При этом сумма индекса ликвидности и индекса устойчивости равна 1 (единице)
Индекс расхода (Flow index)[править | править код]
Кривая, полученная из графика влагосодержания относительно журнала ударов при определении предела текучести, лежит почти на прямой линии и называется кривой течения.
Уравнение для кривой потока: W = — I f Log N + C
Где 'I f — наклон кривой расхода, который называется «индексом расхода»[10] .
Индекс прочности (Toughness index)[править | править код]
Прочность глины на сдвиг на пределе пластичности является мерой её ударной вязкости. Это отношение показателя пластичности к показателю текучести. Это дает нам представление о прочности на сдвиг грунта.[10]
Активность грунта[править | править код]
Активность грунта — это отношение показателя пластичности к крупности 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 умеренно активна.[11]
| Описание | Песок | Ил | Глина | LL | PI | |
| 1 | Суглинистый песок хорошей фракции | 88 | 10 | 2 | 16 | не пластичная |
| 2 | Хорошо отсортированная супесь | 72 | 15 | 13 | 16 | не пластичная |
| 3 | Супесь средней степени тяжести | 73 | 9 | 18 | 22 | 4 |
| 4 | Тощая песчаная пылеватая глина | 32 | 33 | 35 | 28 | 9 |
| 5 | Тощая илистая глина | 5 | 64 | 31 | 36 | 15 |
| 6 | лёссовый ил | 5 | 85 | 10 | 26 | 2 |
| 7 | Тяжелая глина | 6 | 22 | 72 | 67 | 40 |
| 8 | Песок плохого качества | 94 | 6 | 6 | не пластичная | не пластичная |
Примечания[править | править код]
- ↑ Виолетта Крамаренко. Грунтоведение. Учебник для СПО. Архивировано 14 августа 2022 года.
- ↑ Brief history of Swedish Soil Mechanics. Дата обращения: 15 января 2007. Архивировано из оригинала 25 марта 2007 года.
- ↑ Shrinkage Limit Test. United States Army Corps of Engineers. Дата обращения: 21 декабря 2006. Архивировано из оригинала 2 января 2007 года.
- ↑ Jamal. Atterberg's Limits. AboutCivil.Org. Дата обращения: 22 сентября 2019. Архивировано 15 августа 2021 года.
- ↑ ASTM D4318 - 10 Standard Test Methods for Liquid Limit, Plastic Limit, and Plasticity Index of Soils. ASTM. Дата обращения: 18 февраля 2011. Архивировано 24 апреля 2011 года.
- ↑ trid.trb.org. Дата обращения: 18 июня 2022. Архивировано 24 февраля 2021 года.
- ↑ BS 1377 part 2
- ↑ Llano-Serna, Marcelo A. (2019-03-15). "The effect of surface roughness and shear rate during fall-cone calibration". Géotechnique (англ.): 1—11. doi:10.1680/jgeot.18.P.222. ISSN 0016-8505.
- ↑ Sowers, 1979
- ↑ 1 2 Jamal. Atterberg Limits Soil Classification - Liquid Limit, Plastic Limit, Shrinkage (англ.). www.aboutcivil.org. Дата обращения: 1 июля 2020. Архивировано 4 августа 2020 года.
- ↑ Skempton. The Colloidal "Activity" of Clays (PDF). International Society For Soil Mechanics and Geotechnical Engineering (1953). Дата обращения: 18 июня 2022. Архивировано 2 октября 2021 года.