Пределы Аттерберга

Пределы Аттерберга являются основной мерой критического содержания воды в мелкозернистой почве : предел усадки , предел пластичности и предел жидкости .

В зависимости от содержания воды почва может находиться в одном из четырех состояний: твердом, полутвердом, пластичном и жидком. В каждом состоянии консистенция и поведение грунта различны, а, следовательно, и его инженерные свойства. Таким образом, граница между каждым состоянием может быть определена на основе изменения поведения почвы. Пределы Аттерберга можно использовать для различения ила и глины , а также для различения различных типов ила и глины. Содержание воды, при котором почва переходит из одного состояния в другое, известно как предел консистенции или предел Аттерберга.

Эти пределы были установлены Альбертом Аттербергом , шведским химиком и агрономом , в 1911 году. ^[1] Позже они были усовершенствованы Артуром Касагранде , австрийского происхождения американским инженером-геотехником и близким сотрудником Карла Терцаги (оба пионера механики грунтов ).

Различия в почвах используются при оценке почвы, на которой предполагается построить сооружение. 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 (типом присутствующих минералов: глина , ил или песок ). Эти тесты в основном используются на глинистых или илистых почвах, поскольку эти почвы расширяются и сжимаются при изменении содержания влаги. Глины и илы взаимодействуют с водой и, таким образом, меняют размеры и имеют различную прочность на сдвиг . Таким образом, эти испытания широко используются на предварительных этапах проектирования любой конструкции, чтобы гарантировать, что почва будет иметь правильную прочность на сдвиг и не будет слишком сильно изменяться в объеме при расширении и сжатии при разном содержании влаги.

Лабораторные испытания

Предел усадки

Предел усадки (SL) — это содержание воды, при котором дальнейшая потеря влаги не приведет к дальнейшему уменьшению объема. ^[2] Тест для определения предела усадки – ASTM International D4943. Предел усадки используется гораздо реже, чем пределы жидкости и пластичности.

Пластиковый лимит

Предел пластичности (PL) определяется путем раскатывания тонкой части почвы на плоской непористой поверхности. Процедура определена в стандарте ASTM D 4318. Если почва имеет влажность, при которой ее поведение является пластичным, эта нить сохранит свою форму вплоть до очень узкого диаметра. Затем образец можно переформовать и повторить испытание. Поскольку содержание влаги падает из-за испарения, нить начинает разрушаться при больших диаметрах.

Предел пластичности определяется как весовое содержание влаги, при котором нить рвется при диаметре 3,2 мм (около 1/8 дюйма). Грунт считается непластичным, если нить не может быть раскатана до 3,2 мм при любой возможной влажности. ^[3]

Лимит жидкости

Предел жидкости (LL) концептуально определяется как содержание воды, при котором поведение глинистой почвы меняется от пластического состояния к жидкому состоянию. Однако переход от пластического к жидкому поведению происходит постепенно в диапазоне содержания воды, и на сдвиг прочность грунта на самом деле не равна нулю на пределе жидкости. Точное определение предела жидкости основано на стандартных процедурах испытаний, описанных ниже.

Метод Касагранде

Первоначальный тест Аттерберга на ограничение жидкости заключался в смешивании кусочка глины в фарфоровой миске с круглым дном диаметром 10–12 см. Лопаткой прорезали бороздку в куске глины, а затем чашу много раз ударяли по ладони одной руки. Впоследствии Касагранде стандартизировал аппарат (путем включения кривошипно-вращающегося кулачкового механизма для стандартизации действия падения) и процедуры, чтобы сделать измерения более повторяемыми. Почву помещают в металлическую чашку (чашку Касагранде) устройства, и в ее центре делают канавку с помощью стандартного инструмента шириной 2 миллиметра (0,079 дюйма). Чашку неоднократно опускают на твердую резиновую основу на высоту 10 мм со скоростью 120 ударов в минуту, при этом в результате удара канавка постепенно закрывается. Регистрируют 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 жидкости. Испытание обычно проводится при нескольких значениях содержания влаги, а содержание влаги, при котором требуется 25 ударов для закрытия канавки, интерполируется из результатов испытания. Проверка предела жидкости определяется стандартным методом испытаний ASTM D 4318. ^[4] Метод испытаний также позволяет проводить испытания при одном значении влажности, при котором для закрытия канавки требуется от 20 до 30 ударов; затем применяется поправочный коэффициент для получения предела жидкости по содержанию влаги. ^[5]

Тест на падающий конус

Другим методом измерения предела жидкости является тест с падающим конусом , также называемый тестом с помощью пенетрометра с конусом. Он основан на измерении проникновения в почву стандартизированного конуса из нержавеющей стали с определенным углом вершины, длиной и массой. Хотя тест Касагранде широко используется в Северной Америке, тест с падающим конусом гораздо более распространен в Европе и других странах, поскольку он меньше зависит от оператора при определении предела жидкости. ^[6]

Преимущества перед методом Касагранде

Это проще сделать в лаборатории.
Результаты конусного пенетрометра не зависят от навыков или суждений оператора. Таким образом, полученные результаты более достоверны.
Результаты могут быть использованы для оценки недренируемой прочности грунтов на сдвиг. ^[7]

Производные пределы

Значения этих пределов используются по-разному. 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 другие свойства сложнее. Таким образом, пределы Аттерберга не только используются для определения классификации почвы, но и позволяют использовать эмпирические корреляции для некоторых других инженерных свойств.

Индекс пластичности

Индекс пластичности (PI) является мерой пластичности почвы. Индекс пластичности – это размер диапазона содержания воды, в котором почва проявляет пластические свойства. PI — это разница между пределом жидкости и пределом пластичности (PI = LL-PL). Почвы с высоким PI, как правило, глинистые, почвы с более низким PI, как правило, илистые, а почвы с PI, равным 0 (непластичные), обычно содержат мало или совсем не содержат ила или глины.

Описания почвы на основе PI: ^[8]

(0) – Непластик
(<7) – Слегка пластичный
(7-17) – Средний пластик
(>17) – Высокопластичный

Индекс ликвидности

Индекс ликвидности (LI) используется для масштабирования естественного содержания воды в образце почвы до предельных значений. Его можно рассчитать как отношение разницы между содержанием естественной воды, пределом пластичности и пределом жидкости: LI=(W-PL)/(LL-PL), где W — содержание природной воды.

Индекс согласованности

Индекс консистенции (Ic) указывает на консистенцию (твердость) почвы. Он рассчитывается как CI = (LL-W)/(LL-PL), где W – существующее содержание воды. Почва при пределе жидкости будет иметь индекс консистенции 0, тогда как почва при 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 Согласованности равна 1 (единице).

Индекс потока

Кривая, полученная из зависимости содержания воды от журнала ударов при определении предела жидкости, лежит практически на прямой линии и известна как кривая потока.

Уравнение кривой потока: W = - I _f Log N + C

Где 'I _f - это наклон кривой потока, который называется «индексом потока». ^[9]

Индекс прочности

Прочность глины на сдвиг на пределе пластичности является мерой ее прочности. Это отношение показателя пластичности к показателю текучести. Это дает нам представление о прочности почвы на сдвиг. ^[9]

Активность

Активность почвы – это отношение показателя пластичности к крупности глины . Если активность меньше 0,75, почва неактивна. Если активность превышает 1,4, то почву называют активной. Если активность находится в пределах указанных выше значений, то почва умеренно активная. ^[10]

Данные о текстуре и пластичности почвы
НЕТ	Описание	Песок	Ил	Глина	LL	ПИ
1	Хорошо сортированный суглинистый песок	88	10	2	16	НАПРИМЕР
2	Хорошо сортированная супесь	72	15	13	16	НАПРИМЕР
3	Супесь средней категории	73	9	18	22	4
4	Тощая песчано-пылистая глина	32	33	35	28	9
5	Тощая пылеватая глина	5	64	31	36	15
6	Лёссовый ил	5	85	10	26	2
7	Тяжелая глина	6	22	72	67	40
8	Плохо сортированный песок	94	6	6	НАПРИМЕР	НАПРИМЕР

Предельные значения Аттерберга для глинистых минералов
Минерал	ЛЛ, %	ПЛ, %	СЛ, %
Монтмориллонит	100-900	50-100	8.5-15
Нонтронит	37-72	19-27
Иллит	60-120	35-60	15-17
Каолинит	30-110	25-40	25-29
Гидратированный галлуазит	50-70	47-60
Обезвоженный галлуазит	35-55	30-45
Аттапульгит	160-230	100-120
Хлорит	44-47	36-40
Аллопфан (невысушенный)	200-250	130-140

Примечания

^ «Краткая история шведской механики грунтов» . Архивировано из оригинала 25 марта 2007 г. Проверено 15 января 2007 г.
^ «Испытание на предел усадки» (PDF) . Инженерный корпус армии США . Архивировано из оригинала (PDF) 2 января 2007 г. Проверено 21 декабря 2006 г.
^ Джамал, Хасиб. «Пределы Аттерберга» . О сайте Civil.Org . Проверено 22 сентября 2019 г.
^ «ASTM D4318 — 10 стандартных методов испытаний предела текучести, предела пластичности и индекса пластичности грунтов» . АСТМ. 2010 . Проверено 18 февраля 2011 г.
^ Сид Х.Б., ВУДВОРД Р.Дж., Лундгрен Р. (1967). «Фундаментальные аспекты пределов Аттерберга» . Журнал отдела механики грунтов и фундаментов . 92 (СМ4): 63–64. doi : 10.1061/JSFEAQ.0000685 .
^ BS 1377, часть 2
^ Ллано-Серна, Марсело А.; Контрерас, Луис Ф. (15 марта 2019 г.). «Влияние шероховатости поверхности и скорости сдвига при калибровке падающего конуса» . Геотехника . 70 (4): 332–342. дои : 10.1680/jgeot.18.P.222 . ISSN 0016-8505 . S2CID 134061032 .
^ Сеятели, 1979.
^ Jump up to: ^а ^б Джамал, Хасиб. «Классификация почв по пределам Аттерберга - предел жидкости, предел пластичности, усадка» . www.aboutcivil.org . Проверено 01 июля 2020 г.
^ Скемптон, AW (1953). «Коллоидная «активность» глин» (PDF) . Международное общество механики грунтов и геотехнической инженерии. Архивировано (PDF) из оригинала 02 октября 2021 г. Проверено 18 июня 2022 г.

Ссылки

Физические свойства почвы. Механика
Семена, HB (1967). «Фундаментальные аспекты пределов Аттерберга». Журнал механики грунтов и фундаментов, 92 (SM4), получено из ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ АСПЕКТОВ ПРЕДЕЛА АТТЕРБЕРГА.
Дас, Б.М. (2006). Принципы геотехнической инженерии. Стэмфорд, Коннектикут: Учебный колледж Томсона.
Соуерс, 1979. Введение в механику грунтов и фундаменты: геотехническая инженерия, 4-е изд., Макмиллан, Нью-Йорк. (см. Coduto, 1999. Геотехническая инженерия: принципы и практика. Прентис Холл. Нью-Джерси.)

[history-1] «Краткая история шведской механики грунтов» . Архивировано из оригинала 25 марта 2007 г. Проверено 15 января 2007 г.

[2] «Испытание на предел усадки» (PDF) . Инженерный корпус армии США . Архивировано из оригинала (PDF) 2 января 2007 г. Проверено 21 декабря 2006 г.

[Atterberg's_Limits-3] Джамал, Хасиб. «Пределы Аттерберга» . О сайте Civil.Org . Проверено 22 сентября 2019 г.

[ASTM-4] «ASTM D4318 — 10 стандартных методов испытаний предела текучести, предела пластичности и индекса пластичности грунтов» . АСТМ. 2010 . Проверено 18 февраля 2011 г.

[5] Сид Х.Б., ВУДВОРД Р.Дж., Лундгрен Р. (1967). «Фундаментальные аспекты пределов Аттерберга» . Журнал отдела механики грунтов и фундаментов . 92 (СМ4): 63–64. doi : 10.1061/JSFEAQ.0000685 .

[6] BS 1377, часть 2

[7] Ллано-Серна, Марсело А.; Контрерас, Луис Ф. (15 марта 2019 г.). «Влияние шероховатости поверхности и скорости сдвига при калибровке падающего конуса» . Геотехника . 70 (4): 332–342. дои : 10.1680/jgeot.18.P.222 . ISSN 0016-8505 . S2CID 134061032 .

[8] Сеятели, 1979.

[auto-9] Jump up to: ^а ^б Джамал, Хасиб. «Классификация почв по пределам Аттерберга - предел жидкости, предел пластичности, усадка» . www.aboutcivil.org . Проверено 01 июля 2020 г.

[10] Скемптон, AW (1953). «Коллоидная «активность» глин» (PDF) . Международное общество механики грунтов и геотехнической инженерии. Архивировано (PDF) из оригинала 02 октября 2021 г. Проверено 18 июня 2022 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]