soil mechanics practical final

33
KATHMANDU ENGINEERING COLLEGE KALIMATI, KATHMANDU (Affiliated to T.U.) A PRACTICAL REPORT ON SOIL MECHANICS SUBMITTED BY : SUBMITTED TO: RABINDRA SUBEDI THE DEPERTMENT OF CIVIL BCE ‘C’ ENGINEERING 62109 Er. Renu Biswas 24 TH , June, 2008

Upload: lofeagai

Post on 29-Mar-2015

605 views

Category:

Documents


4 download

TRANSCRIPT

Page 1: soil mechanics practical final

 

KATHMANDU ENGINEERING COLLEGE KALIMATI, KATHMANDU 

(Affiliated to T.U.)  

 

 

PRACTICAL  REPORT  ON 

 

SOIL MECHANICS 

 SUBMITTED BY:                   SUBMITTED TO: RABINDRA SUBEDI                 THE DEPERTMENT OF CIVIL BCE ‘C’                                ENGINEERING 62109                      Er. Renu Biswas 

24TH, June, 2008 

Page 2: soil mechanics practical final

 

Submitted by: Rabindra Subedi  Soil Mechanics  Submitted to: Er. Renu Biswas                     BCE 62109 ‘C’    Department of Civil  

                          EXPERIMENT NO: 1           25th April,2008 

OBJECT: TO DETERMINE THE WATER CONTENT OF THE SOIL SAMPLE BY USING OVEN               DRYING METHOD 

 1. APPARATUS REQUIRED: 

• Thermostatically controlled oven at 110  C 

• Weighing Balance 

• Desiccator 

• Container  

2. THEORY:    The water content of a soil is an important parameter that controls its behavior. It is a quantitative     measure of  the wetness of  a  soil mass. The water  content of a  soil  can be determined  to a high degree  of  precision,  as  it  involves  only  a mass  which  can  be  determined more  accurately  than volumes. The water content of a soil is determined as a routine matter in most of the other tests.       The water content of a soil sample can be determined by any one of the following methods: 

a) Oven drying method b) Torsion balance method c) Pycnometer method d) Sand bath method e) Alcohol method f) Calcium carbide method g) Radiation method 

     Oven drying method: The oven drying method  is a  standard,  laboratory method. This is a very accurate method. The soil sample is taken in a small, non‐corridible, airtight container. The mass of the sample and that of the container are obtained using an accurate weighing balance. According  to  IS: 2720(part  I)‐1973,  the mass of  the sample should be  taken  to an accuracy of 0.04 percent. The quantity of  the sample  to be  taken  for  the  test depends upon  the gradation and  the maximum size of the particles and the degree of wetness of the soil. The drier the soil, the more shall be the quantity of the specimen. The drying period of 24 hours has been recommended for normal soils, as it has been found that this period is sufficient to cause complete evaporation of water. The sample  is dried till  it attains a constant mass. The soils containing gypsum and organic matter may require drying for a period longer than 24 hours. Theoretically the water content of a soil is defined as the ratio of the mass of water to the mass of solids. 

 It is denoted by (w).  Mathematically; 

 Water content (w) =  

The water content is also known as the moisture content (m). 

                            w=  100 

Page 3: soil mechanics practical final

 

Submitted by: Rabindra Subedi  Soil Mechanics  Submitted to: Er. Renu Biswas                     BCE 62109 ‘C’    Department of Civil  

               Where M1 = Mass of empty container with lid 

M2 = Mass of container with wet soil & lid M3 = Mass of container with dry soil & lid The water content of the fine‐grained soils, such as silts and clays, is generally more than that of the coarse grained soils, such as gravels and sands. The water content of some of the fine‐grained soils may be even more than 100%, which indicates that more than 50% of the total mass is that of water. The water content of a soil  is an  important property. The characteristics of a soil, especially a  fine‐ grained soil, change to a marked degree with a variation of its water content. 

  

3. PROCEDURE:     The following procedure was adopted for the determination of water content of a soil by using oven drying method. 

i. The container was cleaned and dried and then weighed (M1). ii. The required quantity  (full of container) of the wet specimen was taken with container and weighed (M2). 

iii. Then the container was placed  in the oven about 24 hours at 110°±5°C. Then the weight was taken (M3). 

 4. OBSERVATION: 

 

S.N. Observation Container No.

22 37 16 

1  Mass of empty container (M1) 11 7 8 

2  Mass of container + Soil (M2) 38 37 44 

3  Mass of container +dry soil (M3) 33 31 37 

4 Mass of water (Mw) =M2­M3 

5 6 7 

5 Mass of solid (Ms) =M3­M1 

22 24 29 

6  Water Content =  100 100%  22.73% 25.00%  24.14%

  Water Content Mean =.=23.957%  Total=71.87% 

       

5. RESULT:     From the experiment the water content of the soil sample is found to be 23.96%.  

Page 4: soil mechanics practical final

 

Submitted by: Rabindra Subedi  Soil Mechanics  Submitted to: Er. Renu Biswas                     BCE 62109 ‘C’    Department of Civil  

 6. SUGGESTIONS AND CONCLUSION: 

     The  water  content  of  a  soil  is  an  important  property  of  the  soil  for  the determination  of  other  property  of  soil  like  liquid  limit,  plastic  limit,  dry  density  etc. water content of the soil sample is found 23.96% which is in normal range, if the water content of the soil is more than 100% we conform that the soil contains more than 50% of the total mass is that of water.      This soil has great significance in engineering field. Various methods of water content determination are available but we use oven dry method which is more precise and reliable and is standard laboratory method.      For  the most accurate  result  the weight of container with  lid and soil must me measured more accurately and the sample should be dried 24 hours more precisely and the temperature of the oven must be 110 5°C.     It  is conclude  that  the water content of a given sample of soil can be determined accurately by oven drying method.    

      

 

 

Page 5: soil mechanics practical final

SUBMITTED BY :Rabindra Subedi Soil Mechanics SUBMITTED TO: Er. Renu Biswas

62109 BCE ‘C’ Department of Civil

EXPERIMENT NO: 2 25th April, 2008 OBJECT: TO DETERMINE THE FIELD DENSIYY OF THE SOIL

(INSITU-DENSITY) BY USING THE SAND REPLACEMENT METHOD.

1) EQUIPMENT a) Sand pouring cylinder. b) Calibrating container. c) Soil digging tools. d) Glass plate. e) Metal tray. f) Weighing machine. g) Container. h) Oven.

2) THEORY

The dry mass density (ρd) is defined as the mass of solids per unit total volume. i.e. Ρd = As the soil may shrink during drying, the mass density may not be equal to the bulk mass density of the soil in the dried condition. The total volume is measured before drying. The dry mass density is also known as the dry density. The dry mass density is used to express the denseness of the soil. A high value of dry mass density indicates that the soil is in a compact condition. A hole of specified dimensions is excavated in ground. The mass of the excavated soil is determined. The volume of the hole is determined by filling it with clean, uniform sand whose dry density is determined separately by calibration. The volume of the hole is equal to the sand filled in the hole divided by its dry density. The dry density of the excavated soil is determined as, Ρd = (M/V)/ (1+w) Where M= mass of the excavated soil: V =Volume of the hole: w = Water content. The sand pouring cylinder has a pouring cone at its base. The cylinder is placed with its base at the ground. There is a shutter between the cylinder and the cone. The cylinder is first calibrated to determine the mass density of sand. For good results, the sand used should be uniform, dry and clean, passing a 600 micron sieve and retained on a 300 micron sieve.

3) PROCEDURE

a) The volume of calibrating container was determined by measuring its diameter and height. b) The pouring container was filled with sand and its weight was taken. c) Then the container was then placed above the calibrating container and shutter was opened till the

calibrating container and cone was filled. d) Then the pouring container was weighted. e) Again the pouring container was filled with sand and was placed in clean glass plate and shutter

was opened till the cone was filled. f) The sand left behind in the glass plate was weighted.

Page 6: soil mechanics practical final

SUBMITTED BY :Rabindra Subedi Soil Mechanics SUBMITTED TO: Er. Renu Biswas

62109 BCE ‘C’ Department of Civil

g) Then the dry density of sand was calculated. h) Then a plane ground surface was selected and a metal tray was placed, then a hole was digged

such that the volume of the hole was equal to the volume of the calibrating container. i) All excavated soil was collected and the weight of the soil was taken. j) The sand filled pouring container was then placed above the hole and sand was allowed to pour in

the hole till the cone was filled.

4) OBSERVATION & CALCULATION:

Mass of mould (a) =1635 gm Mass of mould + Sand (b) =3405gm Mass of sand= b-a = (3405-1635) =1770 gm Dia. Of mould (d) =10 cm Height of mould (h) = 15 cm Volume of mould (V) = 2 1.1781 10-3 m3

Density of sand (ρsand) = = 1502419.149 gm/m3 = 1502.419 kg/m3 Mass of cone jar + sand (m1) =6500 gm Mass of cone jar + sand after removing sand from cone is equals to mass of sand in a jar (m2) = 6142 gm Mass of sand in a cone (m3) = m1-m2 =358 gm Mass of jar + sand after filling hole (m4) = 5500 gm Mass of sand in a hole = (m2-m4-m3) = m5 = 284 gm Volume of the hole (V) =

=

. = 0.1890284 10-3 m3

Mass of soil taken from hole digging (m) = (1200-904) = 296 gm Density of soil (in-situ) i.e. (ρsoil) = =

. ^ = 1565.9023 kg/m3

= 1.566 gm/cc

5) RESULT: Hence form the laboratory experiment the field density of the soil (insitu –density) is found to be 1565.9023 kg/m3 or 1.566 gm/cc.

6) SUGGESTION AND CONCLUSION: Hence from the experiment the field density of the soil is found to be 1.566 gm/cc, this value of density is moist density of field soil but for practical cases we should measure the dry density of the soil i.e. ρd which is given by the formula ρs/(1+w), where w is the water content of the field soil. For the WBM road construction dry density of the soil i.e. ρd has vast application. This method is used for soils of various particle sizes, from fine-grained to coarse- grained. For accurate result the height of sand column in the cylinder is kept approximately the same as that in the calibration test. The depth of the hole should also be equal to the depth of the calibrating container. The observed density of the soil is bulk density of the soil. For the dry density of the soil we should measure the water content of the field soil and we can calculate the dry density of the soil by applying the above mention formula.

Page 7: soil mechanics practical final

SUBMITTED BY :Rabindra Subedi Soil Mechanics SUBMITTED TO: Er. Renu Biswas

62109 BCE ‘C’ Department of Civil

Page 8: soil mechanics practical final

Submitted by: Rabindra Subedi   Soil Mechanics            Submitted to: Department of civil                            BCE 62109 ‘C’                                                                                                            Engineering    

EXPERIMENT NO:3 9th May,2008

OBJECT: TO DETERMINE PARTICLE SIZE DISTRIBUTION OF A SOIL BY SIEVING.

1. APPARATUS REQUIRED: Set of fine sieves 4.75mm,2mm,1mm,600µ,425µ,212µ,150µ, and 75µ ,pan  Weighing balance with accuracy of 0.1% of mass of sample  Oven  Mechanical shaker  Trays  

2. THEORY:              Particle  size  analysis  is  a method  of  separation  of  soils  into  different  fractions  based  on  the particle size. It expresses quantitatively the proportions, by mass, of various sizes of particles present  in a soil. The sieve analysis  is meant  for coarse‐grained  soils  (particle size greater  than 75 micron) which can easily pass through a set of sieves. The sieve analysis is also known as dry analysis. For the particle size less than 75 micron  sedimentation analysis  is used which  is also  known as wet analysis. As a  soil mass may contain  the  particles  of  both  types  of  soils,  a  combined  analysis  comprising  both  sieve  analysis  and sedimentation analysis may be required for such soils.                  In sieve analysis the soil is sieve through a set of sieves. According to IS: 1498‐1970, the sieves are designated by the size of square openings, in mm or microns. Sieves of various sizes ranging from 80 mm to 75 microns are available. The diameter of  the sieve  is generally between 15  to 20 cm. The soil  is sieved through a set of sieves. The material retained on different sieves is determined. The percentage of material retained on any sieve is given by; 

  Pn = 100   Where, Mn = mass of soil retained on sieve ‘n’,   And M = total mass of the sample. The cumulative percentage of the material retained,   Cn = P1+P2+……….+Pn Where P1,P2, etc, are  the percentage retained on sieve  ‘1’,  ‘2’, etc. which are coarser  than sieve  ‘n’.   The percentage finer than the sieve ‘n’,   Nn=100‐Cn     

3. PROCEDURE: The following procedure was done for the particle size analysis of fine grained soil: 

First the soil mass was sieve through the IS sieve of 4.75 mm and passing soil of  1 kg  mass was taken by accurately measuring  from the weighing machine. 

Then  the  sieves was prepared by  stacking 4.75mm  sieve at  top and 75 micron  sieve at bottom and others as decreasing size order from the top & finally pan at the bottom. 

Then the soil sample was placed at the top sieve i.e. 4.75 mm sieve and it was covered by the top cover. 

Then the sample was sieved by using mechanical shaker for 10 minutes.  Then the soil fraction retained on each sieve was collect in a separate container. The mass retained in each sieve was weighted accurately. 

Then the percentage retained, cumulative percentage retained, and the percentage finer was calculated. 

Page 9: soil mechanics practical final

Submitted by: Rabindra Subedi   Soil Mechanics            Submitted to: Department of civil                            BCE 62109 ‘C’                                                                                                            Engineering    

4. OBSERVATION & CALCULATION:  Total mass of dry soil = 1000 gm 

  

5. RESULT:  From the experiment and observation from the graph following result is found for fine aggregate:   D60 =0.845 mm   D30 =0.22mm   D10 =0.072mm 

  Cu = = ..

 =11.736 

 

  Cc = 

   = .

. . =0.796 

        Where, D60 = particle size such that 60% of the soil is finer than this size,              and  D30 = particle size such that 30% of the soil is finer than this size.   

  

6.  SUGGESTION AND CONCLUSION:                                                 The  larger the numerical value of Cu, the more  is the range of particles. Soils with a value of Cu less than 2 are uniform soils. Sands with a value of Cu of 6 or more are well graded. Gravels with a value of Cu of 4 or more are well graded. In another conditions the value of the coefficient of curvature lies between 1 and 3 for a well graded soil.   From  the  graph we  found  that  for  the  fine  grained  soil Cc= 11.736     & Cu= 0.796, which  shows  that on considering coefficient of uniformity only the soil is well graded but on considering coefficient of curvature the soil in not well graded.    For  the  accurate  result  the  soil  should  be  oven‐dry.  It  should  not  contain  any  lump.  If  the  soil  contains organic matter,  it  can  be  taken  air‐dry  instead  of  oven  dry.  During  the  vibration  the  specified  time  should  be maintained. There should not be any loss of mass during the mass measurement. The cap should be perfectly fitted on the top of the set of sieves. Pan should be put at the bottom. Dry sieve analysis is suitable for cohesionless soils, with little or no fines. If the sand is sieved in wet conditions, the surface tension may cause a slight increase in the size of the particles and the particles smaller than the aperture size may be retained on the sieve and the results would be erroneous. 

S.No.  Observations    calculations   IS Sieve  Size of 

openings(m)  

Mass of soil retained (gm) 

Adjusted wt. Retained (gm) 

Percentage Wt. retained

Cumulative %  wt. retained (a) 

% finer= (100‐a) 

1  4.75 mm  4.750  0  1  0.1  0.1  99.9 2  2.00 mm  2.000  175  176  17.6  17.7  82.3 3  1.00 mm  1.000  172  173  17.3  35  65 4  425 µ  0.425  237  238  23.8  58.8  41.2 5  300µ  0.300  68  69  6.9  65.7  34.3 6  150µ  0.150  138  139  13.9  79.6  20.4 7  75µ  0.075  132  133  13.3  92.9  7.10 8  Pan  ‐  70  71  7.1  100  0 Sum =  992 gm  1000 gm       

Page 10: soil mechanics practical final

Submitted by: Rabindra Subedi   Soil Mechanics            Submitted to: Department of civil                            BCE 62109 ‘C’                                                                                                            Engineering    

 

Page 11: soil mechanics practical final

Submitted By: Rabindra Subedi  Soil Mechanics  Submitted to: Department of                                BCE 62109 ‘C’                   Civil   Engineering 

                 

EXPERIMENT NO: 4           16th, May, 2008        

OBJECT: TO DETERMINE THE LIQUID LIMIT OF A GIVEN SOIL SAMPLE  

1) APPARATUS REQUIRED: a) Casagrandes liquid limit device b) Grooving tools of both standard and ASTM types c) Oven  d) Evaporating dish or glass sheet e) 425 µ IS sieve f)    Weighing balance  

2) THEORY:                                   The liquid limit of a soil is the water content at which the soil behaves practically like a liquid, but has small shear strength. It flows to close the groove in just 25 blows in Casagrandes liquid limit device.    Liquid  limit  is the minimum water content at which the soil  is still  in  liquid state but has a small shearing strength against  flowing.  In  the standard  liquid  limit  test,  it  is the minimum water content at which part of soil cut by a groove of standard dimensions, will  flow  together  for a distance of 12 mm under an impact of 25 blows falling from a height of 10 mm.             As  it  is difficult  to get exactly 25 blows  in a  test 3  to 4  tests are conducted and  the number of blows (N) required  in each test  is determined. A semi‐log graph  is plotted between  logN and the water content (w). The liquid limit is the water content corresponding to N=25 as obtained from the plot.  

3) PROCEDURE i.  Adjusted  the drop of the cup of the liquid limit device by releasing the two screws at  

     the top and by using the handle of the grooving tool or a gauge .The drop should be     exactly 1cm at the point of contact on the base .Tighten the screw after adjustment. 

ii.           About 120gm of the air dried soil sample passing 425 µ IS sieve was taken. iii. The sample was thoroughly mixed with distilled water in an evaporating dish or a glass plate 

to  form  a  uniform  paste. Mixing  should  be  continued  for  about  15  to  30 minutes,  till  a uniform mix is obtained. 

iv.  The mix was  kept under humid  conditions  for obtaining uniform moisture distribution  for sufficient period. For some fat clay this moisturing time may be up to 24 hrs. 

v. A portion of the matured paste was taken and remixes it thoroughly. Place it in the cup of the device by a spatula and  level  it by a spatula or a straight edge to have a maximum depth of the  soil as 1  cm at  the point of  the maximum  thickness. The excess  soil,  if any,  should be transferred to the evaporating dish. 

vi. A groove was cut in the sample in the cup using the appropriate tool. Draw the grooving tool through  the paste  in  the  cup  along  the  symmetrical  axis,  along  the  diameter  through  the center line of the cam. Hold the tool perpendicular to the cup. 

vii. The handle of the device was turned at a rate of 2 revolutions per second. Count the number of  blows  until  the  two  halves  of  the  soil  specimen  come  in  contact  at  the  bottom  of  the groove along a distance of 12 mm due to flow and not by sliding. 

viii. A representative specimen of the soil was collected by moving spatula width‐wise from one edge to the other edge of the soil cake, at right angles to the groove. This should include the portion of the groove in which the soil flowed to close the groove. Place the specimen in an air‐tight container for the water content determination. Determine the water content. 

ix. Remove the remaining soil from the cup. Mix it with the soil left in the evaporating dish. x. Change the water content of the mix in the evaporating dish either by adding more water if 

the water content  is  to be  increased or by kneading  the  soil,  if  the water content  is  to be decreased. In no case the dry soil should be added to reduce the water content. 

Page 12: soil mechanics practical final

Submitted By: Rabindra Subedi  Soil Mechanics  Submitted to: Department of                                BCE 62109 ‘C’                   Civil   Engineering 

xi. Repeated steps to x and determine the number of blows (N) and the water content  in each case. 

xii. The  flow curve between  logN and w was drawn and the  liquid  limit corresponding to N=25 was determined.  

4) OBSERVATION AND CALCULATIONS:  

 S.No  Observations  Determination No.

1  2  3  4 

1  No of blows(N)  30 13 18 23 

2  Container No  39  43C  B1  D 

3  Mass of  wet  soil (M1)  25  17  24  19 

4  Mass of container (M)  5  5  6  5 

5  Mass of  container with dry soil (M2) 

21  14  20  16 

6  Mass of dry soil (M3)= (M2‐M) 

16  9  14  11 

7  Mass of water (Mw)=M1‐M3 

4 3 4 3 

7  Water 

content(w)= 100 25% 33.33% 28.57% 27.27% 

 

5) RESULT                                      The flow curve between LogN and water content ‘w’ is plotted. Now from the graph of liquid         

         limit (corresponding to N=25), liquid limit (WL) =27%. 6) SUGGESTION AND CONCLUSION:  

                                 Hence from the experiment of liquid limit we found that the liquid limit of the  soil  sample  is 27%.  It  shows  that  the  sample  soil  changes  from  the  liquid  state  to  the plastic state only when the water content in the soil sample is 27%. At this stage the shearing strength  to  the  soil  is  smallest  value.  The  value  of  liquid  limit  is  directly  used  for  the classification  of  the  fine  grained  cohesive  soils  according  to  Indian  Standard  on  soil classification. Once the soil  is classified,  it helps a  lot  in understanding the behavior of soils and selecting the suitable methods of design, construction and maintenance of the structures made up or resting on soils. The liquid limit of a soil is an indicator of the compressibility of a soil. The compressibility of a soil generally increases with an increase in liquid limit.                                    Following precautions are necessary for the exact value of liquid limit: 1. Distilled  water  should  be  used  in  order  to  minimize  the  possibility  of  ion  exchange 

between the soil and any impurities in the water. 2. Soil used for liquid limit should not be oven dried prior to testing. 

 

Page 13: soil mechanics practical final

Submitted By: Rabindra Subedi  Soil Mechanics  Submitted to: Department of                                BCE 62109 ‘C’                   Civil   Engineering 

3.  In  liquid  limit test the groove should be closed by a flow of the soil and not by slippage between the soil and the cup. 

4. After  mixing  distilled  water  to  the  soil  sample,  sufficient  time  should  be  given  to permeate the water throughout the soil mass. 

5. Wet  soil  taken  in  the  container  for moisture  content determination  should not be  left open in the air even for some time; the containers with the soil samples should either be placed in desiccators or immediately by weighted. 

6. For each test the cup and grooving tool should be clean.  

     

 

Page 14: soil mechanics practical final

Submitted by: Rabindra Subedi  Soil Mechanics  Submitted to: Department of                           BCE 62109 ‘C’           Civil   Engineering   

                                           

                    EXPERIMENT NO: 5                               16th, May, 2008  

       OBJECT:   TO DETERMINE THE PLASTIC LIMIT OF THE SOIL SAMPLE.  

1) EQUIPMENT: a) Weighing machine b) Two containers c) Oven d) Glass plate 

2) THEORY:                        The plastic limit of a soil is the water content of the soil below which it ceases to be plastic. It begins to crumble when rolled into threads of 3mm diameter. Or in other words, it is the water content at which soil changes from plastic to semi solid state. Or the moisture content at which soil has the smallest plasticity  is called the plastic  limit. Just after plastic  limit the soil displays the properties of a semi‐solid. Change in state at these limits is shown in fig. below: 

 

Page 15: soil mechanics practical final

Submitted by: Rabindra Subedi  Soil Mechanics  Submitted to: Department of                           BCE 62109 ‘C’           Civil   Engineering   

For the determination purpose, the plastic limit of the soil is defined as the water content at which a soil will just begin to crumble when rolled into a thread of 3 mm in diameter.   The difference  in moisture contents or  interval between the  liquid and plastic  limits  is termed as the plasticity  index. Knowing the  liquid  limit and plasticity  index, soil may be classified with the help of plasticity chart according to Indian standard on the soil classification (Is 1498‐1970).  

3) PROCEDURE: a) About 30 gm of air dried soil passing from 425µ sieve was taken. b) The soil was mixed with water and was made plastic enough to shape into a small ball. c) Then  the plastic  soil was  rolled with hand  in  a  glass plate  into  a  thin  thread. When  the 

crumbling occurred when the thread was  just above 3mm diameter the sample was then taken for the calculation of plastic limit. 

d) The  sample  so made was  then  kept  in  two  containers of  known weights, and  combined weights of sample and container was taken. 

e) Then the sample was left in oven for 24 hours for complete drying. f) After 24 hours the weights of each containers containing samples were weighted g) And then the plastic limit was calculated. 

4) OBSERVATION:  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S.No.  Observations and calculations. Sample

 

Water Content 

(%) (added in lab test) 

Result

1  Weight of empty container (M) 7 gm 15% No thread formation

2  Weight of wet soil (M1)  6 gm 20% No thread formation

3  Weight of container + dry soil (M2) 

12 gm 21.5% Thread formation 3mm diameter i.e. 

Plastic limit 

4  Weight of dry soil (Ms)=(M2‐M) 

5gm

4   Weight of water (Mw)=M1‐Ms 1 gm

5  Water content (w) = 100 % 

20%

6  Plastic limit  20% 20% Which is the correct plastic limit of the soil 

Page 16: soil mechanics practical final

Submitted by: Rabindra Subedi  Soil Mechanics  Submitted to: Department of                           BCE 62109 ‘C’           Civil   Engineering   

 

5) CALCULATIONS &RESULT: Plastic limit (Wp) =20%     Liquid limit (Wl) =27%    (from experiment no 5 where the sample was same)     Plasticity index (Ip) = (Wl‐Wp) = (27‐20) % =7%     Plasticity index by the formula (p.I.) =0.73(w.l.‐20) = 0.73*(27‐20) =5.11% adopt the      higher of two value i.e. plasticity index =7%.           Hence from the experiment we found that the plastic limit of the soil sample is 20%.       

6) SUGGESTION AND CONCLUSION: Hence from the experiment we found that the plastic  limit of the soil  is 20%. From this observed value of plasticity  index we conclude that the soil  is silts of low plasticity (observed from the plasticity chart) which lies in the range of ML and is partly cohesive soil.  The liquid limit of the soil sample is 27% which  is  less than 50% and the plasticity  index  is 7% which  lies  in the range of ML from the chart. The shear strength of the soil at the plastic limit is about 100 times that at the liquid limit. For the exact value of plastic limit following precautions are necessary: 1. Distilled water should be used in order to minimize the possibility of iron exchange between the soil and any impurities in the water. 

2. Soil used for plastic limit should not be oven dried prior to testing. 3. After mixing distilled water  to  the soil sample, sufficient  time should be given  to permeate  the water throughout the soil mass. 

4. Wet soil  taken  in  the container  for moisture content determination should not be  left open  in  the air even  for  some  time;  the  containers with  the  soil  samples  should  either  be  placed  in  desiccators  or immediately by weighted. 

   

Page 17: soil mechanics practical final

Submitted by: Rabindra Subedi                                                 Soil Mechanics                        Submitted to: Department of Civil                                             BCE 62109 ‘C’                                                                                                                                       Engineering           

 

                                                        EXPERIMENT NO: 6                                          13Th May             COMPACTION TEST  OBJECT:   TO DETERMINE THE OPTIMUM MOISTURE CONTENT AND MAXIMUM DRY DENSITY OF A SOIL BY 

PROCTOR TEST & TO PLOT THE CURVE OF ZERO AIR VOID.  

1. APPARATUS  REQUIRED:  a. Compaction mould of 1000 ml capacity internal dia. 100 mm effective ht. 127.3 mm b. Rammer of 2.6 kg free drop 310 mm c. Detachable base plate d. Collar, 60 mm height e. IS sieve of 4.75 mm f. Oven g. Desiccator h. Weighing balance of 1 gm accuracy i. Large mixing pan j. Straight edge k. Spatula l. Graduated jar m. Mixing tools, spoons, trowels, etc. 

 2. THEORY:  

     Compaction  is  the  process  of  densification  of  soil mass  by  reducing  air  voids.  The  dry  density  is maximum  at  the  optimum water  content.    This  process  should  not  be  confused with  consolidation which is also a process of densification of soil mass but by the expulsion of water under the action of continuously acting static load over a long period.   The  degree  of  compaction  of  a  soil  is measured  in  terms  of  its  dry  density.  The  degree  of compaction mainly depends upon its moisture content, compaction energy and type of soil. For a given compaction energy every soil attains the maximum dry density at a particular water content which  is known as optimum moisture content.  

     

Page 18: soil mechanics practical final

Submitted by: Rabindra Subedi                                                 Soil Mechanics                        Submitted to: Department of Civil                                             BCE 62109 ‘C’                                                                                                                                       Engineering           

   In the dry side, water acts as a lubricant and helps in the closer packing of soil grains. In the wet side, water starts to occupy the space of soil grains and binders in the closer packing of grains.    At water content lower than the optimum, the soil is rather stiff and has lot of void spaces and, therefore, the dry density is low. As the water content is increased, the soil particles get lubricated and slip  over  each  other,  and  move  into  densely  packed  positions  and  the  dry  density  is  increased. However, at water content more than the optimum, the additional water reduces the dry density, as it occupies the space that might have been occupied by solid particles.    For given water content, theoretical maximum density, (ρd) theomax, is obtained corresponding to the condition when there are no air voids (i.e. degree of saturation is equal to 100%). The theoretical maximum dry density is also known as saturated dry density (ρd) sat. . In this condition, the soil becomes saturated by  reduction  in air voids  to zero but with no change  in water content. The soil could also become saturated by increasing the water content such that all air voids are filled.  

  Dry density i.e. (ρd) = /   where, M= total mass of soil, V = volume of soil & w = water content 

    The condition of zero air void line is a condition where all air is expelled from the voids such that the soil  is  fully  saturated.   This  condition  is  idealistic, which  cannot be achieved  through  compaction  in actual practice.  In practice never brings the soil to zero air void condition. Thus all compaction curves fall at the left hand side of the zero air void line.  

    I.e. Гd =  Г

 

   3. PROCEDURE:  

         The following procedure was done: a. About 20 kg soil sample was taken for the mould of 1000 c.c. b. The soil was sieve through 20 mm and 4.75 mm sieves. c. The percentage retained on 20 mm and 4.75 mm sieves and passing from 4.75 mm sieves was 

calculated. The soil retained on 20 mm sieve was not used. d. Mould of 100 mm dia. was used so that the percentage retained on 4.75 mm sieve was  less 

than 20. e. The soil was mixed according to retained on 4.75 mm sieve and passing from 4.75 mm sieve 

thoroughly in the proportion obtained in step c. f. 2.5 kg of the prepared soil sample was taken for 1000 cc mould for light compaction. g. Water was added to it to bring its moisture content to about 4% in coarse grained soils and 8% 

in fine grained soils. h. The mould & base plate was cleaned, dried and grease lightly. The mould with base plate was 

weighted. i. The collar was fitted and placed the mould on a solid base. j. The wet soil was compacted in three equal layers by the rammer of mass 2.6 kg and free fall of 

31 cm with 25 evenly distributed blows in each layer. k. The collar was removed and trimmed off the soil flush with the top of the mould. In removing 

the  collar  it was  rotated  to break  the bond between  it and  the  soil before  lifting  it off  the mould. 

l. The outside of the mould and the base plate was cleaned and weighted the mould with soil and the base plate. 

m. The  soil  from  the mould was  removed  and  a  representative  soil  sample  from  the  bottom, middle and top was taken for the water content determination of the compacted soil. 

n. The weight of the sample for water content with the container was taken and the sample with the container was placed to the oven at temperature 105˚C to 110˚C for 24 hours.  

Page 19: soil mechanics practical final

Submitted by: Rabindra Subedi                                                 Soil Mechanics                        Submitted to: Department of Civil                                             BCE 62109 ‘C’                                                                                                                                       Engineering           

  

o. The above procedure was repeated by  increasing the water content 7, 10,13,16,19 and 22% until the weight of the soil decreases.  

p. The weight of the container with dry soil sample and the weight of container were taken in the nest day.   

4. OBSERVATIONS AND CALCULATIONS:   The following observation was taken from the experiment:   Diameter of mould = 100 mm     height of mould = 127.3 mm   Volume of mould, V =π/4   (10.0)2   12.73 = 999.81 ≈1000 ml             Specific gravity of solids, G = 2.67 (taken) S.No  Observations and calculation  Determination No. 

1  2  3  4  5 1  Mass  of  empty  mould  +  base 

plate  3895  gm 

3895 gm 

3895 gm  

3895 gm 

 

2  Mass  of  mould  +  base  plate +compacted soil 

5825  gm 

5950  gm 

5995 gm 

5875 gm  

 

3  Mass of compacted soil, M =(2)‐(1) 

1930 gm 

2055 gm 

2100 gm 

1980 gm 

 

4  Bulk density, ρ=   1.93 g/cc 

2.055 g/cc 

2.100 g/cc 

1.980 g/cc 

 

5  Container no  G  43 B  F3  39   6  Mass of container + wet soil (a)  23 gm  22 gm  38 gm  32 gm   7  Mass of container + dry soil (b)  21 gm  20 gm  33 gm  27 gm   8  Mass of water (Mw) =(a)‐(b)  2 gm  2 gm   5 gm  5 gm   9  Mass of container (c )  5 gm  6 gm  5 gm  6 gm   10  Mass of dry soil (Ms)= (b)‐(c)  16 gm  14 gm  28 gm  21 gm   11  Moisture content (w) =   12.5 %  14.285% 17.857% 23.809%   

12  Dry density (ρd) =     1.716 g/cc 

1.798 g/cc 

1.782 g/cc 

1.599 g/cc 

 

 

Sample calculation: ρd =   =..

 =1.716 gm/cc 

Water content at optimum water content = 16% and maximum dry density  ρd max. = 1.80 gm/cc      The dry density at 100% saturation is,   ρd = 

 =  

. . .  =1.87 gm/cc.   I.e. S =1 and for ρd=1.80 gm/cc, S   

  =0.884 i.e. degree of saturation is = 88.4%.                     

    Gs = specific gravity of soil grains     W = water content at o.m.c.      ρw = unit mass of water (1g/cc)     S= degree of saturation (one for fully saturated soils).  

5. RESULT:    Hence from the experiment we found that the maximum dry density of the soil is 1.80 gm/cc.                 And the Optimum water content is 16 %.   The degree of saturation at optimum water content is 0.884 i.e. 88.4 %. 

Page 20: soil mechanics practical final

Submitted by: Rabindra Subedi                                                 Soil Mechanics                        Submitted to: Department of Civil                                             BCE 62109 ‘C’                                                                                                                                       Engineering           

    

6. SUGGESTIONS & CONCLUSION:   Following precautions are necessary for the exact determination of O.M.C. and maximum dry density of the soil: 

a. Adequate period is allowed for mixing the water with soil before compaction. b. The blows should be uniformly distributed over the surface of each layer. c. Each layer of compacted soil is scored with a spatula before placing the soil for the succeeding layer. d. The amount of soil used should be just sufficient to fill the mould i.e. at the end of compacting the 

last layer surface of the soil should be slightly (5 mm) above the top rim of the mould. e. Mould should be placed on a solid foundation during compaction. 

   Compaction  of  soils  increases  soil  density,  shear  strength,  bearing  capacity  but  reduces  their  void  ratio, porosity, permeability and settlements. The  results of  this  test are useful  in  the stability of  field problems  like earthen dams, embankments, roads and airfields.   In such constructions, the soils are compacted. The moisture content at which  the  soils are compacted  in  the  field  is controlled by  the value of optimum moisture content determined  by  the  laboratory  proctor  compaction  test.  The  compaction  energy  to  be  given  by  the  field compaction unit is also controlled by the maximum dry density determined in the laboratory. In other words, the laboratory compaction tests results are used to write the compaction specification for field compaction of soils. From the experimental value of the test soil the optimum moisture content of the soil is found to be 16% which is the maximum value of water that can be added to the soil so that we can achieve the maximum dry density from the soil.  

  

   

Page 21: soil mechanics practical final

Submitted by: Rabindra Subedi  Soil Mechanics  Submitted to: Department of BCE 62109 ‘C’                                                                                                 Civil Engineering

 EXPERIMENT NO: 7                                              30th May, 2008 

GRAIN SIZE ANALYSIS BY HYDROMETER METHOD  

 OBJECT: TO DETERMINE THE PERCENTAGES OF VARIOUS SOIL GRAINS (FINER THAN 75 MICRON) BY HYDROMETER METHOD. 

 1.    APPARATUS REQUIRED: 1. Hydrometer (calibrated at 27 ° C, range 0.995 to 1.030 g/cc). 2. Cylinder or Jars (two, volume of 1000 cc, graduated, dia.. about 7 cm, height 30 cm ) 3. Dispersing agent solution (containing 33 gm of sodium hexameta‐ phosphates and 7 gm of sodium carbonate in 

distilled water to make one liter of solution) 4. Mechanical stirrer (high speed greater than 5000 rpm) 5. Balance (accuracy 0.01 gm) 6. Thermometer (accuracy 0.5 ° C) 7. Stop watch 8. Sieve 75 micron 9. Centimeter scale 10. Distilled water 11. Soil weighing dish.  

2.  THEORY:   The hydrometer analysis  is based on strokes  law, which defines the rate of free fall of a sphere through a liquid it is given as:     V= (2γs‐γ1) r2/9η     ……………………………………………………… (1) Where, V = velocity of sphere (also known as terminal velocity, (cm/sec)) γs = density (unit mass of sphere), gm/cm3 γ1 =density of liquid, gm/cc r = radius of sphere, cm η = Viscosity of liquid, gm/sec cm2   If  the  above  equation  is  used  for hydrometer  analysis,  γs  is  taken  equal  to  average  specific  gravity of  soil  grain assuming unit mass of water equal to 1 and if viscosity is taken in dyne sec/cm2, it becomes: 

   V =   D2 …………………………………………………………………… (2) 

 Where Gs = average specific gravity of grains (solids) D = equivalent diameter of grains (mm) 

Hence D =   

 If particles of diameter D travel through a distance h (cm) in time t minutes 

  Then, D = 

         …………………………………………………… (3) 

   In the above equation h is determined by the equation, h = h1+ (h0 ‐

 ) …………………………………….. (4) 

  Where, h1= distance from the  lowest graduation to the graduation mark (R) of the stem at the top surface of soil water mixture,  h0 = distance from the lowest graduation to the centre of volume of the bulb. Vh = volume of hydrometer   A1= cross‐sectional area of the jar.  A calibration table is prepared between h and the hydrometer reading on the stem.  

Page 22: soil mechanics practical final

Submitted by: Rabindra Subedi  Soil Mechanics  Submitted to: Department of BCE 62109 ‘C’                                                                                                 Civil Engineering

  At this time’s’ all particles greater than diameter ‘D’ would have settled below the depth h. But the concentration of the  particles  of  sizes  smaller  than  ‘D’  remains  the  same  at  this  depth.  This  concentration  is measured  by  the hydrometer  in terms of specific gravity of the suspension.  If Wd  is the mass of soil particles finer than  ‘D’ per unit volume of suspension at time’s’, it can be calculated by the equation: 

  Wd =   …………………………………………………………… (5) 

 Where Rc2 = correct hydrometer reading           = Rh+Cm  C1 –Cd = Rh±C ……………………………………………. (6) Where, Rh =hydrometer reading   Cm = correction due to meniscus   C1 = correction due to temperature   Cd = correction due to dispersing agent   C = composite correction  If Wd is the total mass of soil taken in the original 1000 cc of suspension, the percentage finer than ‘D’ is obtained from equation: 

  Percentage finer, N =    100 ………………………………….. (7)  Hence  at  any  time  t,  the  size  of  particles  is  calculated  from  above  equation  (3)  and  (4)  and  the  corresponding percentage finer from equation (7).       Hydrometer method  is used to determine the particle size distribution of fine‐grained soils passing 75 µ sieves. The hydrometer measures  the specific gravity of  the soil suspension at  the centre of  its bulb. The specific gravity depends upon the mass of solids present, which in turn depends on the particle size.      In a given soil the percentage of different soil particles up to 75 micron is determined by sieve analysis, but the  percentage  of  various  soil  particles  finer  than  75 micron  is  determined  by  hydrometer  analysis.  Hence  the hydrometer analysis  is useful  in knowing the percentage of silt and clay. Activity of clays may also be estimated  if clay fraction is known.  

    Activity = 

 

  Activity helps in classifying the soils as follows:   Activity     Classification   <0.75      Inactive   0.75‐1.25    Normal   >1.25      Active 

 In short form D =M /    where M = .

         

3. PROCEDURE:             The following procedure was done for the hydrometer analysis: a. First 50 gm of pretreated dry soil passing from 75 micron sieve was taken. b. Then the soils was placed in an evaporating dish and cover it up with 100 cc of dispersing solution and warmed 

gently for about 10 minutes. c. The sample was transferred to the cup of mechanical stirrer using distilled water until the cup is three fourth 

full and operated the mixer for about four minutes. d. Then the clean hydrometer was kept  in a 1000 cc.  jar filled with distilled water and 100 cc dispersing agent 

solutions. e. After stirring, the specimen was washed into a 1000 cc jar and enough water was added to bring the level to 

1000 cc mark. f. Then mixed thoroughly the specimen  in the jar by placing the palm of the hand  in the open end and turning 

the jar up side down and back. g. Then  the  jar  was  placed  on  the  table  and  inserted  the  hydrometer.    The  stop  watch  was  started 

simultaneously. h. Then the reading at the top of the meniscus at 0.5, 1, 2 and 4 minutes was observed. i.  The temperature of the suspension was recorded. 

 

Page 23: soil mechanics practical final

Submitted by: Rabindra Subedi  Soil Mechanics  Submitted to: Department of BCE 62109 ‘C’                                                                                                 Civil Engineering

    

j. Then the further reading at 8, 15, 30 minutes and 1, 2, 4, 8 and 24 hours after the start of the test was taken. For each of these readings, the hydrometer was inserted just before the reading. 

k. For determining the hydrometer corrections the readings on the top and bottom of the meniscus formed on the stem of the hydrometer was taken when it was floating in the second jar containing the distilled water and dispersing agent only.  For calibration of hydrometer the following procedure was done: 

l. The cross‐sectional area of the jar was measured for which measure the distance between two graduations on the jar by the scale and recorded the volume between the two. 

m. For determining  the volume of  the hydrometer, 1000 cc graduated  jar was  taken and  filled about 700 cc of distilled  water  in  it,  and  recorded  the  exact  reading.    Inserted  the  hydrometer  and  the  reading  on  the graduation  jar was taken. The difference of readings before and after  insertion of the hydrometer gives the volume of hydrometer. 

n. The centre of the volume of the hydrometer from the lowest graduation mark on the stem was measured. o. The  distances  from  the  lowest  graduation mark  to  the  other marks  on  the  stem  of  the  hydrometer was 

measured.  

4. OBSERVATIONS AND CALCULATIONS:     The observation and calculation are given in the table below:   Hydrometer – Calibration:   i. Hydrometer no. =1 ii. Sedimentation Jar No. = C2 iii. Volume of hydrometer, VH, = 880‐800 =80 cm

3 iv. Volume between any two graduations =850‐320 =530 cc v. Length between two graduation =14.9 cm vi. Cross‐sectional area of jar, Aj =530/14.9 =35.57 cm

2 vii. Distance between lowest graduation and neck = 1 cm viii. Distance between neck and center of volume of bulb = 8 cm ix. Distance between lowest graduation and centre of the bulb (h0) = 1+8 = 9 cm 

x. Constant, K =(h0 ‐  ) = (9 ‐ .

 = 7.8754 

      Table no: 1  

Time  Hydrometer reading Rh 

(Rc1) (1) Distance from lowest graduation to Rh i.e. h1 

(cm) (2) 

Effective depth h(cm)  (3) 

h =h1+(h0 ‐  ) 

Temperature  (4) 

0.5 minute  1.022  3.6  11.4754  24˚C 1 minute  1.022  3.6  11.4754  ‘’ 2 minute  1.017  3.9  11.7754  ‘’ 4 minute  1.014  4.8  12.6754  ‘’ 8 minute  1.0105  5.9  13.7754  ‘’ 16 minute  1.0065  7.05  14.9254  ‘’ 30 minute  1.005  7.80  15.6754  ‘’ 1 hour  1.0045  7.70  15.5754  ‘’ 2 hour  1.004  7.80  15.6754  ‘’ 4 hour  1.003  8.10  15.9754  24.5˚C 24 hour  1.003  8.10  15.9754  24.5˚C 

Page 24: soil mechanics practical final

Submitted by: Rabindra Subedi  Soil Mechanics  Submitted to: Department of BCE 62109 ‘C’                                                                                                 Civil Engineering

    Table No.2:  Mass of dry soil (passing from 75 µ sieve) taken=50 gm Specific gravity of the soil grains (Gs) = 2.67 Top meniscus reading on hydrometer stem =1.0265 Bottom meniscus reading on hydrometer stem =1.0270 Meniscus correction, Cm = (1.0270‐1.0265) =0.0005 (+ve)  Hydrometer reading (Rh) = (reading‐1)*1000 = (1.022‐1)*1000 =22 and so on. At 24˚C viscosity = 9.16 milli poise from table = 9.3374*10‐6gm‐sec/cm2 

At 24.5 ˚C viscosity = 9.055 milli poise = 9.055 10‐3N‐S/M2 /10=9.055*10‐4*1/9.81kg‐S/104 cm2 = 9.2304*10‐6gm‐                              sec/cm2 

Factor M =

 

Diameter of particle D = D = 

 =    M /   

 Composite  correction C =  top meniscus  reading   on hydrometer  stem when  floating  in  jar  containing distilled water and dispersing agent only ‐1.000 =1.0265‐1.000= +0.0265 correction is –ve i.e. ‐0.0265.  

Date  Time (minute) 

Elapsed 

Time(t) 

minute 

Hydrometer 

Reading (Rh) 

Temp‐ 

erature 

T(˚C) 

Composite 

Correction ±C 

Rc1= Rh+Cm 

Effec‐ tive depth h(cm) 

/   Viscosity η 

(gm/sec /cm2) 

 

Factor M 

Particle “C’ 

(mm) (9)  

 

Rc2= Rh±C (4)+(6) 

Factor N 

% finer w.r.to wt. Wd (13)  (14) 

(1)  (2)  (3)  (4)  (5)  (6)  (7)  (8)  (9)  (10)  (11)  (12)  (13)  (14)  (15) 30thmay 

0.5  0.5  22  24˚C  ‐0.0265  22.0005  11.4754  4.7906  9.3374 *10‐6 

12.9514*10‐3 

0.06204  21.9735 

3.1976  70.2625 

‘’  1  1  22  ‘’  ‐0.0265  22.0005  11.4754  3.3875  9.3374*10‐6 

12.9514*10‐3 

0.04387  21.9735 

3.1976  70.2625 

‘’  2  2  17  ‘’  ‐0.0265  17.0005  11.7754  2.4265  9.3374*10‐6 

12.9514*10‐3 

0.03143  16.9735 

3.1976  54.2745 

‘’  4  4  14  ‘’  ‐0.0265  14.0005  12.6754  1.7801  9.3374*10‐6 

12.9514*10‐3 

0.02305  13.9735 

3.1976  44.6817 

‘’  8  8  10.5  ‘’  ‐0.0265  10.5005  13.7754  1.3122  9.3374*10‐6 

12.9514*10‐3 

0.01699  10.4735 

3.1976  33.4901 

‘’  16  16  6.5  ‘’  ‐0.0265  6.5005  14.9254  0.9658  9.3374*10‐6 

12.9514*10‐3 

0.01251  6.4735  3.1976  20.6997 

‘’  30  30  5.0  ‘’  ‐0.0265  5.0005  15.6754  0.7229  9.3374110‐6 

12.9514*10‐3 

0.00936  4.9735  3.1976  15.9032 

‘’  1 hr  60  4.5  ‘’  ‐0.0265  4.5005  15.5754  0.5095  9.3374*10‐6 

12.9514*10‐3 

0.00659  4.4735  3.1976  14.3044 

‘’  2 hr  120  4.0  ‘’  ‐0.0265  4.0005  15.6754  0.3614  9.3374*10‐6 

12.9514*10‐3 

0.00468  3.9735  3.1976  12.7057 

‘’  4 hr  240  3.0  24.5˚C 

‐0.0265  3.0005  15.9754  0.2580  9.2304*10‐6 

12.8769*10‐3 

0.00332  2.9735  3.1976  9.5081 

31th May 

24 hr  1440  3.0  24.5˚C 

‐0.0265  3.0005  15.9754  0.1053  9.2304*10‐6 

12.8769*10‐3 

0.00135  2.9735  3.1976  9.5081 

 5. RESULT: 

   From the hydrometer analysis the particle size less than 0.075 mm and percentage finer is calculated in the above table. And the particle size distribution curve is plotted in the graph.   

6. SUGGESTION AND CONCLUSION: The hydrometer analysis is based on the strokes law of viscosity. The particle size less than 75   micron can not be determined by simple sieve analysis so it needs hydrometer analysis for the particle size determination. The  

Page 25: soil mechanics practical final

Submitted by: Rabindra Subedi  Soil Mechanics  Submitted to: Department of BCE 62109 ‘C’                                                                                                 Civil Engineering

  particle  size  distribution  curve  shows  that  the  shape  of  the  curve  is  approximately  well  graded  nature.  The behavior of fine –grained soils depends upon the plasticity characteristic and not on the particle size.   For the exact analysis by the hydrometer following precautions are necessary: a. The insertion of the hydrometer should be done carefully without bumping. b. The hydrometer should float at the center of the jar and should not touch the sides. c. The stem of the hydrometer should be dry and clean. d. There must be no vibrations in the vicinity. e. The temperature variations should be minimized by keeping both the jars away from any course of heat and 

direct sunlight.   The hydrometer analysis is useful in knowing the percentage of silt and clay present in the soil. Activity of clays may also be estimated if clay fraction is known.  

    Activity = 

 

  Activity helps in classifying the soils as follows:   Activity     Classification   <0.75      Inactive   0.75‐1.25    Normal   >1.25      Active 

 The S  type curve  is  the characteristic of well graded  soils. From  the graph we  found nearly S curve  so  it  is classified as well graded for clay, silt and sand. 

 

  

Page 26: soil mechanics practical final

Submitted by: Rabindra Subedi  Soil Mechanics  Submitted To: Department of BCE 62109 ‘C’      Civil Engineering 

 

EXPERIMENT NO: 8                                                6th June, 2008             PERMEABILITY TEST OF SOIL 

OBJECT:  TO DETERMINE COEFFICIENT OF PERMEABILITY OF GIVEN SOIL SAMPLE BY VARIABLE HEAD METHOD. 

 1. APPARATUS REQUIRED:  

a. Permeater mould , internal diameter = 100 mm , effective height =127.3 mm, capacity=1000cc b. Detachable collar, 100 mm diameter, 60 mm height c. Dummy plate, 108 mm diameter, 12 mm thick d. Drainage base, having a porous disc e. Drainage cap, having a porous disc with a spring attached to the top f. Water supply reservoir g. Vacuum pump h. Stop watch i. Thermometer j. Graduated glass stand pipe, 5 to 20 mm diameter k. Supporting frame for the stand pipe, and the clamp 

 2. THEORY: 

        The property of  the  soils which permits water  (fluids)  to percolate  though  its  continuously  connected voids is called its permeability.             Depending  upon  the  value  of  Reynolds’s  number  the  flow  of water  through  soils may  be  ‘laminar’  or ‘turbulent’.    In  laminar  flow,  a particle of water  starting  from  a  given  position  follows  a definite path without crisscrossing the path of other particles. In turbulent flows the particles do not follow any definite path but have random, twisting and crisscrossing path.          For laminar steady flow, according to Darcy’s law the rate of water is proportional to the hydraulic gradient in uniform and homogeneous soils.       i.e.              V α i   ………………………………………………………………………………………………..(i) Where v = discharge velocity of water               V = k *i  If           q = discharge of water per unite time                q = k*i*A                                       (7‐2) If            i= 1                K = v                                           (7‐3) Where, i = hydraulic gradient               K = coefficient of permeability               A = cross sectional area of the soil for discharge q.             In  soil mechanics,  the  coefficient of permeability,  k expresses  the degree of permeability.  It has  the  velocity dimensions.           Factors affecting the coefficient of permeability can be studied by the equation             

          K= c ds2  Г

    

Where k = coefficient of permeability                         C= constant                ds = average diameter of soil grains                Гw = unit weighted water                η = viscosity of the water                e = void ratio of the soil  Viscosity and unit weight of water depend upon temperature; hence the coefficient of permeability is effected by the climatic conditions also. Constant ‘C’ depends upon arrangement and shape of grains and voids. Thus the soil in‐situ  often  as  smaller  permeability  in  vertical  direction  as  compared  to  the  horizontal  due  to  horizontally stratified structure.    

Page 27: soil mechanics practical final

Submitted by: Rabindra Subedi  Soil Mechanics  Submitted To: Department of BCE 62109 ‘C’      Civil Engineering 

            The coefficient of permeability may be determined both  in  the  laboratory and  field by direct  tests.  In  the laboratory,  constant head method  is more  suited  to  coarse grained  soils as  the quantity of  seepage  in  case of relatively impervious soils is less. Variable head method is suited to fine grained soil as the fall of head is very fast in coarse grained soils.   Permeability  is  the property of  soils, which permits water  (fluids)  to percolate  through  its  continuously connected voids. A soil is called highly pervious if it allows the flow of water through it easily where as impervious soils do not allow the flow of water through it.   In constant head test, a steady vertical  flow under constant head difference H  is maintained throughout the soil sample of  length  'L' and x‐sectional area  'A' and the volume of water per unit time passing  through  the sample  is measured. Whereas,  in  variable  head or  falling  head  test,  a  steady  vertical  flow under  varying head difference dH  i.e.( H1 – H2) maintained  throughout  the soil sample of  length  'L' and x‐sectional area  'A' and  the volume  of water  per  unit  time  passing  through  the  sample  is measured.  As  the  soil  sample  taken  during  the experiment was fine grained, variable head method was adopted. 

In the variable or falling head test, the coefficient of permeability (k) is given by   

2H1H

10log AtaL 2.3k =  

Where, a = cross sectional area of stand pipe 

 A = cross sectional area of soil 

  l = length of soil sample 

  t = time taken for water to flow from head h1 to h2 

 H1 = initial water level on stand pipe measured from the lower opening 

 H2 = final water level on stand pipe measured from the lower opening 

Applications: 

Water flowing through soil exerts considerable seepage forces which have direct effect on the safety of hydraulic structures. The rate of settlement of compressible clay layer under load depends on its permeability. The quantity of stored water escaping through and beneath an earthen dam depends on the permeability of the embankment and the foundation respectively. The permeability of the soil is the factor for the rate of drainage of water through wells and excavated  foundation pits. Shear strength of  the soil also depend  indirectly on  its permeability as  the dissipation  of  the  pore  pressure  is  controlled  by  its  permeability.  Different  soils  have  different  values  of permeability. The values of permeability  for different  types of  soils determine  the use of  the  soils  for different purposes.  

Approximate values of coefficient of permeability for different types of soils are: 

 

 

 

 

 

  

Type of soil  Value of K (cm/sec)  Nature  Drainage properties Sand  1.0 – 10‐3 Pervious good Silt  10‐3 – 10‐6 Semi‐pervious  fair Clay  less than 10‐6  Impervious  poor 

Page 28: soil mechanics practical final

Submitted by: Rabindra Subedi  Soil Mechanics  Submitted To: Department of BCE 62109 ‘C’      Civil Engineering 

 

3. PROCEDURE:       Following procedure was done for the determination of permeability coefficient of the soil: 

a) At  first  the  cover  of  the mould was  removed  and  little  grease  on  the  sides  of  the mould was applied. 

b) The weight of the mould with dummy plate was weighted. 

c) The  internal diameter and effective height of the mould was measured and then the collar and the base plate were attached. 

d) Soil  sample was  compacted at given dry density and moisture content into the mould. The mould was  then  set up with  its  cover, base,  collar  and plate. 

e) The reservoir or the stand pipe was connected to the  bottom  inlet  of  the mould  and  water  was allowed to flow  in. This process  is done to check whether  the  soil  in  the  mould  is  completed saturated or not. The soil is considered to be fully saturated when water  is seen  to come out  from the top opening. 

f) Then  the  reservoir  or  standpipe was  connected to  the  top  inlet  and water was  allowed  to  flow down  through  the  soil  and  out  of  the  bottom opening  continuously. This was done  to  check  if the flow is steady and laminar. 

g) The  bottom  opening  was  then  closed  and  the standpipe  was  filled  with  water  up  to  certain level h1. This level was marked and the bottom opening was then opened. The time of flow from h1 to another marked  level h2 was recorded. The difference  in height between h1 and h2 was taken about 30–40 cm. 

h) Step 4 was repeated several times to obtain 10 readings. i) The temperature of water was measured by a thermometer.  

 

4. OBSERVATION AND CALCULATION: 

            Diameter of stand pipe (d)   = 20.4 mm = 2.04 cm 

            Cross sectional area of stand pipe (a) = π/4  20.42 = 326.851 mm2 = 3.2685 cm2 

            Diameter of soil sample (D)  = 10 cm 

        ∴ Cross sectional area of soil (A)  = π/4  102 =78.5398 cm2 

             Length of soil sample (L)  = 127.3 mm =12.73 cm 

                 Temperature of water = 24˚C 

                    Ht. of the base of standpipe to the bottom opening (H) = 48.5cm    

Page 29: soil mechanics practical final

Submitted by: Rabindra Subedi  Soil Mechanics  Submitted To: Department of BCE 62109 ‘C’      Civil Engineering 

 Observation Table:   

S.NO. INITIAL HEAD 

H1 (CM) FINAL HEAD H2 (CM) 

TIME T (SEC) 

K (CM/S) 

MEAN K (CM/S) 

1  148.5  138.5 19.1 1.9315 10‐3   2  138.5  128.5 22.2 1.7864 10‐3   3  128.5  118.5  22.5  1.9054 10‐3   4  118.5  108.5  24.4  1.9120 10‐3   5  108.5  98.5 24.4 2.0970 10‐3  1.9576 10‐3

6  98.5  88.5  29.0  1.9535 10‐3   7  88.5  78.5  31.8  1.9953 10‐3   8  78.5  68.5  35.6  2.0255 10‐3   9  68.5  58.5 41.5 2.0122 10‐3   

  Sample Calculation  For 1st observation:  We have,  

2H1H

10log AtaL 2.3k =  

H1 = 100cm 

H2 = 90 cm 

t   = 19.1 sec  

cm/sec3-10 x 1.9315 138.5148.5

10log 19.1 x 78.539

12.73 x 3.2685 2.3k ==  

 

∴ Mean k24oC = 1.9576 10‐3 cm/sec 

Now, 

η27 oC = 8.55 x 10‐3 poise 

η 24˚C= 9.16 x 10‐3 poise 

k27oC = k24

oC x η24

oC / η27

oC = 1.9576 x 10

‐3 x 9.16 x 10‐3 / (8.55 x 10‐3) = 2.0973 x 10‐3 cm/sec 

5. RESULT:  From the above experiment, the coefficient of permeability of the soil sample at 24˚C  is found to be 1.9576x10‐3 cm/s & the coefficient of permeability at standard temperature 27o C (as IS: 2720) is found to be 2.0973x10‐3 cm/s. The coefficient of permeability of the soil lies between 10‐3 to 10‐6 hence, we classify that the soil is silty and which is semi‐pervious. 

    

Page 30: soil mechanics practical final

Submitted by: Rabindra Subedi  Soil Mechanics  Submitted To: Department of BCE 62109 ‘C’      Civil Engineering 

 

6. SUGGESTIONS &CONCLUSION:                           The permeability of the soil is an important factor regarding the engineering properties of the  soil.  The  stability  and  safety  of  the  structure  standing  depends  on  the  permeability  of  the  soil. Excessive  seepage can cause  the  failure of  structure. Similarly,  the  settlement of  soil, quantity of water drained, shear strength of the soil etc are governed by the permeability of the soil. All these  factors are very  significant  in  civil  engineering  point  of  view.  For  this  reason,  the  permeability  of  soil  is  to  be determined  prior  to  construction  of  any  structure.  For  the  correct  value  of  permeability  coefficient determination of the soil following precautions are necessary: 

a) All the possibilities of  leakage at the  joints must be eliminated. All the  joints and washer must be thoroughly cleaned so that there are no soil particles between them. 

b) Grease should be applied liberally between mould, base plate and collar. c) Rubber washers must be moisture with water before placing. d) Porous stones must be saturated just before placing. e) De‐aired and distilled water must be used to avoid the choking of flow water. f) Soil samples must be fully saturated before taking the observations. g) In  order  to  ensure  laminar  flow  condition,  cohesionless  soils must  be  tested  under  low 

hydraulic gradient. h) Steady flow must be established before taking the observations. 

     Hence  the variable method  is  suitable  for very  fine  sand and  silt with K =10‐2  to 10‐5 mm/sec. permeability has vast application  in the seepage analysis of the soil and the drainage property of the soil. Knowledge of permeability is essential in a number of soil engineering problems, such as settlement of buildings, yield of wells, seepage through and below the earth structures. It controls the hydraulic  stability of  soil masses. The permeability of  soils  is  also  required  in  the design of filters used to prevent piping in hydraulic structures.    The coefficient of permeability of the soil in lab is determined generally by two methods: a. Constant head method and b. variable head method. 

 In field the coefficient of permeability of a soil deposit in‐situ conditions can be determined by the following methods: 1. Pumping‐out tests. 2. Pumping‐in tests.  

Page 31: soil mechanics practical final

Rabindra Subedi  Soil Mechanics   

 

 

Casagrandes Liquid Limit Apparatus

 

     

Page 32: soil mechanics practical final
Page 33: soil mechanics practical final