Кіріспе
Топырақтың су құрамына байланысты геотехникалық сипаттамалары. Аттерберг шектері – ұсақ түйірлі топырақтың су мөлшерінің негізгі өлшемдері: оның ықшамдалу шегі, пластикалық шегі және сұйық шегі. Топырақтың суға толылу деңгейіне қарай, ол төрт күйде болуы мүмкін: қатты, жартылай қатты, пластикалық және сұйық. Әр күйде топырақтың консистенциясы мен мінез-құлқы әртүрлі, демек, оның инженерлік қасиеттері де әртүрлі болады. Сондықтан, әр күй арасындағы шекара топырақтың мінез-құлқындағы өзгерістерге сүйене отырып анықталады. Аттерберг шектері балшық пен күлді топырақты, сондай-ақ балшық пен күлді топырақтың түрлерін ажырату үшін қолданылады. Топырақтың бір күйден екінші күйге өту кезіндегі су мөлшері консистенция шегі немесе Аттерберг шегі деп аталады. Бұл шектерді 1911 жылы швед химигі және агрономы Альберт Аттерберг жасаған. Кейіннен оларды австриялық тегі американдық геотехникалық инженер және Карл Терзагидің (топырақ механикасының негізін қалаушылардың бірі) жақын серігі Артур Касагранде жетілдірді. Топырақтың құрылыс салуға жарамдылығын бағалау үшін топырақтарды ажырату қолданылады. Топырақ сулы болғанда суды ұстап тұрады, ал кейбіреулері көлемі бойынша ұлғаяды (смектит балшығы). Ұлғаю мөлшері топырақтың суды сіңіру қабілетімен және оның құрылымдық құрамымен (минералдардың түрі: балшық, күлді топырақ немесе құм) байланысты. Бұл сынақтар көбінесе балшықты немесе күлді топырақтарда қолданылады, себебі олар ылғал мөлшері өзгерген кезде ұлғаяды және қысқарады. Балшық пен күлді топырақтар сумен өзара әрекеттеседі, осыдан олардың көлемі өзгереді және қиылыс күші әртүрлі болады. Сондықтан, бұл сынақтар кез келген құрылысты жобалаудың бастапқы кезеңдерінде топырақтың жеткілікті қиылыс күшіне ие екенін және ылғал мөлшері өзгерген кезде көлемі тым көп өзгеретінін қамтамасыз ету үшін кеңінен қолданылады.
The Atterberg limits are a basic measure of the critical water contents of a fine grained soil: its shrinkage limit, plastic limit, and liquid limit. Depending on its water content, soil may appear in one of four states: solid, semi solid, plastic and liquid. In each state, the consistency and behavior of soil are different, and consequently so are its engineering properties. Thus, the boundary between each state can be defined based on a change in the soil's behavior. The Atterberg limits can be used to distinguish between silt and clay and to distinguish between different types of silts and clays. The water content at which soil changes from one state to the other is known as consistency limits, or Atterberg's limit. These limits were created by Albert Atterberg, a Swedish chemist and agronomist, in 1911. They were later refined by Arthur Casagrande, an Austrian born American geotechnical engineer and a close collaborator of Karl Terzaghi (both pioneers of soil mechanics). Distinctions in soils are used in assessing soil which is to have a structure built on them. Soils when wet retain water, and some expand in volume (smectite clay). The amount of expansion is related to the ability of the soil to take in water and its structural make up (the type of minerals present: clay, silt, or sand). These tests are mainly used on clayey or silty soils since these are the soils which expand and shrink when the moisture content varies. Clays and silts interact with water and thus change sizes and have varying shear strengths. Thus these tests are used widely in the preliminary stages of designing any structure to ensure that the soil will have the correct amount of shear strength and not too much change in volume as it expands and shrinks with different moisture contents.
Қысылу шегі
Қысылу шегі (SL) – ылғалдың одан әрі жоғалуы көлемнің одан әрі азаюына себеп болмайтын су мөлшері. Қысылу шегін анықтауға арналған тест – ASTM International D4943. Қысылу шегі сұйық және пластикалық шектерге қарағанда әлдеқайда сирек қолданылады.
Пластикалық шек
Пластикалық шек (PL) топырақтың ұсақ фракциясынан жіп жасап, оны тегіс, кеуекті емес бетте жайлату арқылы анықталады. Бұл процедура ASTM D 4318 стандартында сипатталған. Егер топырақ пластикалық қасиеттерге ие болса, онда жіп өте кішкентай диаметрге дейін пішінін сақтайды. Үлгіні қайта қалыпқа келтіріп, сынақты қайталауға болады. Ылғалдың булануына байланысты мөлшері азайғанда, жіп үлкен диаметрде сындыра бастайды. Пластикалық шек – жіп 3,2 мм (шамамен 1/8 дюйм) диаметрінде сынғандағы гравиметриялық ылғал мөлшері ретінде анықталады. Егер жіпті қандай да бір ылғалдылықта 3,2 мм-ге дейін жайлату мүмкін болмаса, топырақ пластикалық емес деп есептеледі.
Сұйықтық шегі
Сұйық лимит (LL) – балшықты топырақтың пластикалық күйден сұйық күйге өтетін су мөлшері ретінде түсіндіріледі. Дегенмен, пластикалық күйден сұйық күйге өту судың белгілі бір диапазонында біртіндеп жүзеге асады және топырақтың қию беріктігі сұйық лимитте толығымен жоғалмайды. Сұйық лимиттің нақты анықтамасы төменде сипатталған стандартты сынақ әдістеріне сүйенеді.
Касагранде әдісі
Атербергтің бастапқы сұйық шек сынағы 10–12 см диаметріндегі дөңгелек түбі бар фарфор ыдысқа балшықтан жасалған бір бөлік араластыруды қамтиды. Ыдыстағы балшыққа шпательмен ойық жасалып, содан кейін ыдыс бір қолдың алақанына көп рет соғылады. Кейіннен Касагранде құралды стандарттады (түсіру әрекетін стандарттау үшін бұрандамен айналатын тетік механизмін қосу арқылы) және өлшеуді қайталанатын ету үшін процедураларды жетілдірді. Топырақ құрылғының металл стақан (Casagrande стаканы) бөлігіне салынады және ортасынан белгілі бір ені бар стандартталған құралмен ойық жасалады. Стақан қатты резеңке бетке минутына 120 соққыдан 10 мм биіктіктен қайталап түсіріледі, осы кезде соққының әсерінен ойық біртіндеп жабылады. Ойық жабылуы үшін қажетті соққылар саны тіркеледі. Ойықтың жабылуына 25 соққы қажет болатын ылғалдылық мөлшері сұйық шек деп анықталады. Сынақ әдетте бірнеше ылғалдылық деңгейінде жүргізіледі, ал ойықты жабу үшін 25 соққы қажетті ылғалдылық деңгейі сынақ нәтижелерінен интерполяцияланады. Сұйық шек сынағы ASTM D 4318 стандартты сынақ әдісімен анықталады. Сынақ әдісі сондай-ақ сынақты бір ылғалдылық деңгейінде жүргізуге мүмкіндік береді, онда ойықты жабу үшін 20-30 соққы қажет; содан кейін ылғалдылық деңгейінен сұйық шекті алу үшін түзету коэффициенті қолданылады.
Алынған лимиттер
Бұл шекті мәндер түрлі мақсаттарда қолданылады. Топырақтың сығымдалуы, су өткізгіштігі және беріктігі сияқты қасиеттері мен шектері арасында да тығыз байланыс бар. Шекті анықтау салыстырмалы түрде оңай болғандықтан, осы басқа қасиеттерді анықтау қиынырақ болғандықтан, мұның өте пайдалы екені есептеледі. Осылайша, Аттерберг лимиттері топырақтың классын анықтау үшін ғана емес, сонымен қатар кейбір басқа инженерлік қасиеттерге қатысты эмпирикалық байланыстарды қолдануға да мүмкіндік береді.
Өтімділік индексі
Сұйықтық индексі (LI) топырақ үлгісінің табиғи су құрамын шектерге келтіру үшін қолданылады. Ол табиғи судың мөлшері мен пластикалық шек және сұйық шек арасындағы айырманың қатынасы ретінде есептелуі мүмкін: LI=(W-PL)/(LL-PL), мұндағы W – табиғи судың мөлшері.
Тұтастығы индексі
Тұрақтылық индексі (Ic) топырақтың тұтқырлығын (беріктігін) көрсетеді. Ол CI = (LL - W)/(LL - PL) формуласымен есептеледі, мұнда W – қазіргі су мөлшері. Сұйық шектегі топырақтың тұрақтылық индексі 0-ге тең, ал пластикалық шектегі топырақтың тұрақтылық индексі 1-ге тең. Егер W > LL болса, Ic теріс болады. Бұл топырақтың сұйық күйде екенін көрсетеді. Сонымен қатар, Сұйықтық индексі мен Тұрақтылық индексінің қосындысы 1-ге (бірге) тең.