تجربة ايجاد حد السيولة وحد اللدونة للتربة أو حدود أتربرج (Atterberg Limits)

يعتبر حد السيولة وحد اللدونة اثنين من مجمـوع خمسـة حـدود افترضهـا العـالم السويـدي أ. أتـربـرج (Atterberg) وتسمى حدود أتربرج وأهـم هذه الحدود هي:

1. حد الانكماش (Shrinkage Limit (SL: وهو أقل نسبة مئوية للمحتوى المائي والذي لا يحدث بعده أي نقص في حجم التربة نتيجة لفقدان الرطوبة منها.
2. حد اللدونة (Plastic Limit (PL: وهو المحتوى المائي للتربة والذي إذا قل عنه تصبح التربة غير لدنة.
3. حد السيولة (Liquid limit (LL: وهو أقل نسبة للمحتوى المائي للتربة والذي إذا قل عنه أصبحت التربة لدنة، وعند هذا المحتوى توشك التربة أن تصبح سائلاً لزجاً.

ويتغير قوام وطبيعة التربة ناعمة الحبيبات مع تغيير نسبة الرطوبة فيها. وتنتقل التربة من الحالة الصلبة إلى الحالة شبه الصلبة ومن شبه الصلبة إلى الحالة اللدنة، ومن الحالة اللدنة إلى الحالة السائلة مع زيادة نسبة الرطوبة وان هذا التغيير يكون تدريجياً ويكون مصحوب بزيادة في حجم نموذج التربة، وان نقاط التحول من حالة إلى حالة تسمى بالحدود.

ويستعمل حد السيولة و اللدونة بشكل كبير في تصنيف التربة وتعريفها، ويستعمل حد الانكماش في المناطق التي يتغير فيها حجم التربة نتيجة تعاقب الرطوبة والجفاف. ويمكن استعمال حدي السيولة و اللدونة في تحديد التغيرات الحجمية في التربة. ويستعمل حد السيولة في حسابات اندماجية التربة.

كيفية حساب مؤشر اللدونة (Plasticity Index)، ومؤشر السيولة (Liquidity Index)، ومؤشر الاتساق (Consistency Index)، ورقم النشاط (Activity Number).

تقارن مؤشرات التربة في Atterberg قيم الاختبار رياضيًا للتعبير عن خصائص اللدونة والاتساق المختلفة.

• مؤشر اللدونة (PI) هو حد اللدونة منقوصاً من حد السيولة (PL-LL) ويشير إلى حجم النطاق بين الحدين. التربة التي تحتوي على نسبة عالية من PI تحتوي على محتوى طيني أعلى.
• يتم تحديد مؤشر السيولة (LI) بطرح حد البلاستيك من محتوى الماء الطبيعي للعينة، ثم القسمة على مؤشر اللدونة. ستكون التربة ذات LI=1 أو أكثر أقرب إلى الحالة السائلة. يشير LI بقيمة 0 أو أقل إلى أن التربة أكثر صلابة وهشاشة. يسمح LI بالتنبؤ بخصائص التربة عند رطوبة مختلفة.
• مؤشر الاتساق (CI) أو الاتساق النسبي ، هو حد السيولة للتربة، مطروحًا منه محتوى الرطوبة الطبيعي، مقسومًا على PI. وهو مرتبط بـ LI وهو مؤشر على قوة القص النسبية. مع زيادة CI، تزداد أيضًا صلابة أو قوة القص في التربة.
• رقم نشاط عينة التربة هو نسبة مؤشر اللدونة إلى جزء حجم الطين (الجزيئات أدق من 2 ميكرومتر). تعتبر التربة التي يزيد عدد نشاطها عن 1.25 نشطة وسوف يكون لها تغير متزايد في الحجم استجابة لظروف الرطوبة. سوف تتوسع في الظروف الرطبة وتتقلص في الظروف الجافة.

اجراء إختبار حدود أتربرج (Atterberg Limits)

1. حـد السيولة (Liquid limit (LL

اقترح أتربرج تعريف حد السيولة بأنه المحتوى المائي للتربة التي عندها يلتحم ولمسافة نصف انج جانبي شق في العينة من تأثير 25 ضربة في جهاز تعيين السيولة بحيث تسقط كل ضربة مسافة 1سم. وهناك عدة عوامل في هذا الاختبار تؤثر على المحتوى المائي هـي:

1. سرعة الضربات
2. الوقت اللازم لتحضير العينة في جهاز السيولة
3. الرطوبـة النسبيـة
4. نوع جهاز السيولة
5. مسافة السقوط والمحددة هنا بواحد سنتيمتر.

هذا بالإضافة إلى نوع التربة وكفاءة الشخص الذي يقوم بالتجربة!

وصف جهاز حد السيولة (كازا غراندي)

يتكون الجهاز من قاعدة ذات أربع أرجل مطاطية ويوجد كأس من النحاس فوق القاعدة مرتبط بذراع يعمل على تحريكه من الأعلى و الأسفل ليرتطم بالقاعدة. توجد لوالب في أعلى الجهاز تعمل على رفع وخفض الكأس النحاسي بحسب المسافة المطلوبة كما مبين في الشكل أدناه.

الغرض من اجراء التجربة

تهدف التجربة الى إيجاد حد السيولة للتربة المجففة في الهواء او في حالتها الطبيعية.

نظرية التجربة والقوانين

• حساب الوزن الرطب والذي يساوي: W₂ – W₃
• حساب وزن التربة الجافة والذي يساوي: W₃ – W₁
• ثم حساب نسبة المحتوى المائي في التربة من خلال القانون التالي:

W.C (%) = (W₂ – W₃)/(W₃ – W₁) *100

حيث:

• W₁: وزن العلبة وهي فارغة
• W₂: وزن العلبة مع التربة الرطبة
• W₃: وزن العلبة مع التربة بعد تجفيفها.

الاجهزة و الادوات المستخدمة

1. إناء لخلط نموذج التربة.
2. سكينة مزج.
3. جهاز فحص حد السيولة “جهاز كاساغراندي”.
4. آلة استحداث الشق.
5. أوعية قياس المحتوى المائي.
6. ميزان حساس يقرأ لغاية 0.01 غم.
7. غربال قياسي رقم (40).
8. فرن كهربائي.

تحضير النموذج

يتم عمل تجربة حدود أتربرغ على التربة التي تمر من المنخل رقم (40)، إلا أن التربة التي تجلب من الحقل تكون مبلولة ويصعب مرورها من هذا المنخل، لهذا فإنه من المسموح به تجفيف التربة هوائياً (Air-dry) للمساعدة على مرور الحبيبات خلال ذلك المنخل ولا يسمح بتجفيف التربة بالفرن لأن هذه العملية تقلل في العادة من قيم حدي السيولة واللدونة على عكس التجفيف بالهواء حيث دلت البحوث على أن التربة المجففة هوائياً يمكن أن تستعيد القيم الحقيقية للحدود بعد خلطها بالماء ومعالجتها من 24 إلى 48 ساعة.

كما أن تجفيف التربة هوائياً يقلل حد السيولة بمقدار 2-6%. ولتجنب هذه المشكلة يمكن اختيار التربة من الحقل عن طريق النظر بحيث تستطيع حبيباتها المرور خلال المنخل رقم (40) ثم تفتت باليد أو بواسطة مطرقة في حالة وجود كتل من التربة المتصلبة ثم تنخل.

طريقة العمل

1. نأخذ (250 gm) من العينة الجافة العابرة من غربال رقم (40) ونضعها في إناء الخلط ونخلطها بواسطة سكينة الخلط مع كمية من الماء ولتكن (50 cc) إلى أن يصبح النموذج متجانس القوام.
2. نأخذ كمية من النموذج ونضعها في كفة جهاز كاساغراندي ونسويها بواسطة سكينة المزج بحيث يكون سطح التربة في الكفة أفقي ويكون سمك التربة في الكفة عند أعمق نقطة بحدود (1 سم). بحيث يملئ نموذج التربة ثلثي الكفة علما بأنه يجب أن تتم معايرة الجهاز قبل استخدامه وذلك بان تضبط مسافة سقوط الكفة على مسافة (1 سم) ويتم ذلك بإدخال آلة استحداث الشق والتي يكون سمكها (1 سم) تحت كفة الجهاز وتضبط لوالب تثبيت الكفة بحيث إن مسافة السقوط تكون مساوية (1 cm).
3. نعمل شق طولي في وسط العينة في كفة الجهاز بواسطة آلة استحداث الشق.
4. ندير عتلة الجهاز وبسرعة دورتين في الثانية ونسجل عدد الضربات التي تغلق الشق المستحدث لمسافة (1.3 cm) تقريباً.
5. نأخذ بحدود (20 gm) من التربة من منطقة انغلاق الشق بواسطة سكينة المزج ونضعها في علبة فحص المحتوى المائي ويحسب المحتوى المائي لها.
6. تعاد العملية أعلاه عدة مرات وفي كل مرة نغير نسبة الرطوبة في النموذج لنحصل على الأقل على ثلاث محاولات يتراوح عدد الضربات فيها بين (15 و 35) ضربة.

الحسابات والنتائج

يتم خساب المحتوى الرطوبي من القانون الآتي:

W.C (%) = (W₂ – W₃)/(W₃ – W₁) *100

المخطط البياني

لتحـديد قيمة حد السيولة بصورة دقيقة ترسم العلاقة بين عدد الضربات باستعمال المقياس اللوغاريتمي وبين المحتوى المائي باستعمال المقياس الطبيعي.

2. حـد اللدونة Plastic limit (LL)

الأدوات والأجهزة

1. إناء مزج
2. سكينة مزج
3. لوح زجاجي بأبعاد لا تقل عن (30×30 سم)
4. علب فحص المحتوى المائي
5. ميزان حساس يقرأ لغاية (0.01 gm)
6. فرن كهربائي
7. غربال رقم (40).

تحضير النموذج

نفس النموذج المستخدم في فحص حد السيولة. حيث نأخذ بحدود ثلاثة كيلوغرامات من تربة الحقل وتجفف بتركها في الهواء داخل المختبر لمدة لا تقل عن أسبوع، ثم تفتت باليد أو بواسطة مطرقة في حالة وجود كتل من التربة المتصلبة ثم تنخل على غربال رقم (40).

طريقة العمل

1. يمزج حوالي (250 gm) من التربة العابرة من غربال رقم (40) مع كمية من الماء ولتكن (50 cc) إلى أن يتجانس المزيج.
2. نأخذ قطعة صغيرة من التربة الممزوجة وندعكها بالأصابع على اللوح الزجاجي لعمل خيط منها وذلك بضغط الأصابع على الطين ضغطاً خفيفاً ثم دفعها إلى الأمام وسحبها إلى الخلف حتى يصبح خيط الطين تحت الأصابع منتظماً ويصبح قطره بحدود (3.25 mm).
3. إذا لم يتشقق الخيط بهذا القطر فهذا يعني إن محتوى الرطوبة به اكبر من حد اللدونة ويقطع الخيط ويعاد تشكيله لكي يفقد جزء من الماء بالتبخر وتعاد الخطوة (2) إلى أن يبدأ الخيط بالتشقق عند قطر (3.25 mm).
4. إذا تشقق الخيط بقطر اكبر من (3.25 mm) فهذا يعني أن محتوى الرطوبة فيه اقل من حد اللدونة ويقطع الخيط ويضاف إليه قليل من الماء ويعاد تشكيله ثم تعاد الخطوة (2) حتى يبدأ الخيط بالتشقق عند قطر (3.25 mm).
5. يؤخذ نموذج من التربة في الفقرة (3) أو (4) أعلاه لإيجاد المحتوى المائي.
6. تعاد الخطوات أعلاه للحصول على ثلاث محاولات على الأقل.

الحسابات والنتائج

W.C (%) = (W₂ – W₃)/(W₃ – W₁) *100

PI = LL – PL

المناقشة

ان أهمية معرفة حدود التربة بشكل عام تكمن في:

أ- حساب الانضغاطية للتربة.
ب- سرعة الجريان للماء وكذالك كمية الماء المتجمع لتصميم العبارات.
ج- وصف حالة التربة عن طريق دليل حد السيولة من صلبة او شبه صلبة او ناعمة او سائلة.

تكمن أهمية معرفة معامل اللدونة للتربة وهو كمية الماء اللازم اضافتها للتربة حتى تتحول من الحالة اللدنة الى الحالة السائلة بما يلي:

أ- تصنيف التربة.
ب- تحديد مدى صلاحية المواد للاستخدام الهندسي.

ان التربة المستخدمة في التجربة كانت طينية قوية صعبة العجن والعمل بها، وفي هذا النوع من التربة يمكن الاستعانة أولاً بالسكـين (Spatula) للمساعدة في تحديد مكان القطع ثم يليها استخدام أداة القطع. ولغرض السيطرة على سرعة الضربات يجب إدارة مقبض الضربات بمعدل 120 دورة في الدقيقة أي بمعدل 2 ضربة في الثانية الواحـدة.

• كان حد السيولة في تجربتنا = % مما يدل على ان هذا التربة متواسطة الانضغاطية.
• كلما كانت المسافة كبيرة بين PL و LL تعتبر تربة جيدة وذالك لانها تحتاج الى كمية كبيرة من الماء لتنتقل من حالة الى الأخرى.
• كلما كان PI ذو قيمة كبيرة كلما زادت النعومة وزاد انتفاخ التربة.
• ان معرفة PL و LL غاية في الأهمية في تصنيف التربة حيث انه تم وضع نظام تصنيف التربة بالاعتماد عليهما.

ولتحـديد قيمة حد السيولة بصورة دقيقة ترسم العلاقة بين عدد الضربات باستعمال المقياس اللوغاريتمي وبين المحتوى المائي باستعمال المقياس الطبيعي. وعادة ما تكون العلاقة خطاً مستقيماً، وبذلك يصبح من السهل إيجاد المحتوى المائي بهذه الطريقة.

وعليه فالمطلوب هو إيجاد ثلاث إلى ست نقاط تمثل العلاقة بين عدد الضربات والمحتوى المائي، (بالطبع يجب أن يشمل مدى الضربات 25 ضربة). يتم بعد ذلك رسم هذه النقاط على ورق نصف لوغاريتمي وتوصيلها بخط مستقيم ثم قراءة مقدار المحتوى المائي الذي يقابل 25 ضربة من الرسم البياني. ويجب ملاحظة أنه كلما كانت النقاط المرسومة قريبة من الـ 25 ضربة كانت النتائج أفضل.