standard operating procedures atterberg.pdf · 3 | atterberg sop scope and application this...

13
Code: METH04V01 Date: July 27, 2014 Author: Emily Barasa        STANDARD OPERATING PROCEDURES      METHOD FOR DETERMINATION OF ATTERBERG LIMITS AND LINEAR SHRINKAGE IN SOILS        Contact Details:  Telephone: +254 (20) 7224000/4235/4279/4163     Email: icraf[email protected]           : Laboratory Manager, [email protected] Website: www. http://worldagroforestry.org/research/landhealth      Address Details:  World Agroforestry Centre, Mailing: P.O Box 3067700100 Nairobi, Kenya Physical address: United Nations Avenue    Off Limuru Road, Gigiri, Nairobi, Kenya 

Upload: others

Post on 22-Jan-2020

8 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Code:METH04V01

Date:July27,2014Author:EmilyBarasa

      

 

STANDARDOPERATINGPROCEDURES

     

METHODFORDETERMINATIONOFATTERBERGLIMITSANDLINEARSHRINKAGEINSOILS

       Contact Details:  Telephone: +254 (20) 7224000/4235/4279/4163     Email: icraf‐[email protected]           : Laboratory Manager, [email protected] Website: www. http://worldagroforestry.org/research/land‐health      

Address Details:  World Agroforestry Centre, Mailing: P.O Box 30677‐00100 Nairobi, Kenya Physical address: United Nations Avenue    Off Limuru Road, Gigiri, Nairobi, Kenya 

STANDARDOPERATINGPROCEDURE Date:July27,2014Code:METH04V01Title: Method for Determination of Atterberg limits and            linear shrinkage in soils  

Author:EmilyBarasa

   

2 | A t t e r b e r g   S O P   

METHODDOCUMENTCONTROLLOG

Nameandposition

Author(s)

EmilyMwakeBarasa_SeniorLaboratoryTechnician

Verifiers JosephineMuteti_LaboratoryTechnician

Authorizer MercyNyambura_LaboratoryManager

ElvisWeullow_DeputyLaboratoryManager.

Distributionofvalidcopiesofthisdocument:

D102B

Archiving

Revisebefore:

Historicaldata None

Dateretrieval:

Changesinthisversioncomparedtopreviousversion:

STANDARDOPERATINGPROCEDURE Date:July27,2014Code:METH04V01Title: Method for Determination of Atterberg limits and            linear shrinkage in soils  

Author:EmilyBarasa

   

3 | A t t e r b e r g   S O P   

SCOPEANDAPPLICATIONThis procedure describes the determination of the bulk density, Atterberg limits (liquid and plastic 

limits) using cone penetrometer and linear shrinkage. The Atterberg limits are a basic measure of the 

nature of a fine‐grained soil such as its shrinkage limit, plastic limit, and liquid limit. Depending on the 

water content, soil‐ may appear in four states; solid, semi‐solid, plastic and liquid. In each state the 

consistency and behavior of the soil is different and thus so are its engineering properties. Therefore, 

the boundary in 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 it can distinguish between different types of silts 

and clay. 

PRINCIPLEBulk density is a measure of the weight of the soil per unit volume (g/cc), usually given on an oven‐dry 

(110° C) basis. Variation  in bulk density  is attributable to the relative proportion and specific gravity of 

solid  organic  and  inorganic  particles  and  to  the  porosity  of  the  soil.  Bulk  density  is  important  in 

quantitative soil studies and is generally used in calculating soil moisture movement within a profile and 

to compare soils qualitatively by converting percent to weight per unit volume. The determination usually 

consists of drying and weighing a soil sample, the volume of which is known. Liquid or plastic limit of soils 

is  a measure  of  their  consistency  (compressibility,  permeability,  to  compact,  shrink‐swell  and  shear 

strength). The method is based on the relationship between the moisture content and the penetration of 

a cone into the moist soil. The liquid limit (LL) is the moisture content at which the soil passes from the 

plastic, ductile behavior to the  liquid, flowing behavior as determined by the  liquid  limit test.  It  is also 

defined as  the water content at which  the cone penetrates  the moist  soil  to a depth of 20mm when 

dropped from a standardized height. The plastic limit (PL) is the soil water content as the soil passes from 

the plastic, ductile behavior to the brittle, cracking behavior. Plasticity index (PI) is the range of the water 

content over which  a  soil behaves plastically.  Soil  shrinkage  (LS)  is  the  limit  to which  a  soil material 

contracts as it loses water on drying. 

 

ABBREVIATIONSANDDEFINITIONS LL  Liquid Limit  

PL  Plastic Limit  

P10  Plasticity index  

LS  Soil shrinkage  

L    Length of the mound (mm) 

Ls    Longitudinal length of the oven dry soil bar (mm) 

 

  

STANDARDOPERATINGPROCEDURE Date:July27,2014Code:METH04V01Title: Method for Determination of Atterberg limits and            linear shrinkage in soils  

Author:EmilyBarasa

   

4 | A t t e r b e r g   S O P   

RELATEDDOCUMENT Method for operating penetrometer 

 

RELATEDFORMS Logging form  Recording form 

 

SAFETYANDENVIRONMENT  Personal protection: 

Heavy‐dutyglovesshouldalwaysbeusedwhenremovingsamplesfromtheoventoavoidburns.Careshouldbetakenwhenhandlingthepenetrometertoavoidinjury.

  Electrical hazards:  

ElectricalsystemsmustconformtotheICRAFstandards.Shockhazardsexistinsidetheinstruments.Onlyanauthorizedservicerepresentativeoranindividualwithtraininginelectronicrepairshouldremovepanelsorcircuitboardswherevoltagesaregreaterthan20V.Theinstrumentsrequireathird‐wireprotectivegroundingconductor.Three‐to‐twowireadaptersareunsafefortheseinstruments.

 

REQUIREMENTS Equipment 

a. Standard cone penetrometer  

b. Penetration cone assembly, a stainless steel cone with a cone angle of 30±1O and 

total moving mass of 80±0.1g, automatic zeroing device, displacement device  

c. Penetration container (cups) approximately 55mm in diameter and 40mm deep 

with a rim parallel to the flat base  

d. Balance of 2kg capacity and 0.001g accuracy  

e. Automatic controller with a built in 5±1 seconds timer: provides automatic 

control of the penetration period and also used as a timing device  

f. Oven capable of maintaining a temperatures of 1050C  

g. Vernier caliper graduated in millimeters  

h. Brass steel molds in the form of semi‐cylindrical troughs; 140mm long and 21mm 

internal diameter  

i. Mixing bowl approximately 150mm diameter, with an air‐tight lid  

STANDARDOPERATINGPROCEDURE Date:July27,2014Code:METH04V01Title: Method for Determination of Atterberg limits and            linear shrinkage in soils  

Author:EmilyBarasa

   

5 | A t t e r b e r g   S O P   

j. Two spatula or palette knives with blade approximately 100mm long and 20mm 

wide  

k. Test gauge: for checking the excessive wear to the point of the cone  

l. A flat glass plate  

m. Moisture boxes  

n. A metal straight edge  

o. Flat rubber mat  

p. Mortar and pestle  

q. Standard 425µm test sieve  

Materials & Supplies 

a. Petroleum jelly 

b. De‐ionized water  

c.  A damp cloth  

d. String 250mm long 

e. A scoop of 50 ml volume 

f. Wash bottle  

 

 

PROCEDURE  

Sample processing and preparation  

a. Air‐dried Approximately 200g of soil grind and sieve through a 425µm sieve. NB: all 

portions of the sample must be ground with a pestle and motor to pass through the 

425µm sieve. The history of the sample should also be noted. 

b. Place 80% of the testing portion of the soil in a mixing bowl, wet the soil with an 

increment of de‐ionized water and mix thoroughly with a palette knife. Continue 

adding increments of water until the test portion becomes a thick homogeneous 

paste. Add water such that the range of penetration values between approximately 

15mm to 25mm are obtained. 

c. After mixing the soil and before performing the test, the test portion should settle 

for an adequate period (As a preferred option the test portion can be cured at room 

temperature in an air tight container for at least 12 hours, and up to 24 hours for 

moist soils but the test can be done immediately after mixing for soils with low 

clay content.) to allow the water to permeate through the soil mass 

STANDARDOPERATINGPROCEDURE Date:July27,2014Code:METH04V01Title: Method for Determination of Atterberg limits and            linear shrinkage in soils  

Author:EmilyBarasa

   

6 | A t t e r b e r g   S O P   

d. Weigh 45mg of Soil sample into a 5ml centrifuge tube and add 2.5ml of an aqueous 

Triton X100 solution Add 40 µl of 1000 mg/l Se internal standard solution d into the 

suspension using a calibrated pipette. Mix the Suspension thoroughly and sonicate it. 

Transfer 10µl of the suspension into siliconized quartz disc and dry. 

e. In  the case of Plants,  the sample  is dried and milled  through a 1‐mm sieve.   Plant 

sample (45mg) is weighed into a 5ml centrifuge tube and 2.5ml of an aqueous Triton 

X100 solution is added. 40 µl of 1000 mg/l Sc internal standard solution and 10 µl of 

1000 mg/l Y are added  into the suspension using calibrated pipettes. Suspension  is 

mixed thoroughly and sonicated. 10µl of suspension is transferred onto a siliconized 

quartz disc and dried. 

f. Liquid samples are a diluted appropriately and the different dilutions are tested to 

find an optimal peak to scattering background ratio. The Liquid specimen (1000 µl) is 

then sampled into a labeled vial. For accurate determination of light elements only, 

add 40 µl of 100 mg/l  Sc  single element  standard  into  the  liquid  sample and. For 

determination  of  heavier  elements,  transfer  50  µl  of  100 mg/l  Y  single  element 

internal standard using a calibrated pipette into the liquid sample. Note the 10 times 

dilution of the liquid standards as compared with the soil and plant methods. 

 

Liquid limit test a. After overnight curing, place the test portion on a flat glass plate and mix it with the 

palette knives for 10 to 40 minutes depending on the soil type. If necessary water or 

soil can be added so that the first cone penetration reading is approximately 16mm. 

b. Remove approximately 20g of the mixed soil with a palette knife and put aside for 

plastic limit determinations 

c. Place the mixed soil into the penetration cup palette knife and level it to a smooth 

top with the straight edge, taking care not to trap air. Tap the test cup on the rubber 

mat to remove air voids and refill it. Repeat this procedure until air voids are 

completely displaced and the cup is level filled.   

d. Assemble the drop cone apparatus and place the cone in the cone holder and raise 

the cone assembly to the highest position possible and level the penetrometer. 

Raise the penetration head as required. 

e. Place the cup on the base of the drop cone apparatus approximately central under 

the point of the penetration cone 

f. By adjusting, lower the penetration head until the tip of the cone makes contact 

with the surface of the soil such that a slight movement of the cup will just mark the 

surface of the soil.  

STANDARDOPERATINGPROCEDURE Date:July27,2014Code:METH04V01Title: Method for Determination of Atterberg limits and            linear shrinkage in soils  

Author:EmilyBarasa

   

7 | A t t e r b e r g   S O P   

g. Depress the indicator rod of the dial gauge until it lightly touches the top of the 

shaft. Note and record the reading taken on the dial gauge to the nearest 0.1mm 

h. Set the automatic controllers and release the penetrometer shaft and allow the 

cone to penetrate the soil for 5 seconds and then cramp or restrain the 

penetrometer shaft. 

i. Depress the indicator rod of the dial gauge until it lightly touches the top of the 

shaft. Note and record the reading taken on the dial gauge to the nearest 0.1mm 

j. Calculate the difference between the two dial gauge readings and record as the 

penetration value(depth) 

k. Raise the penetration head to remove the cone from the soil and clean the cone 

thoroughly with a damp cloth 

l. Remove approximately 10g, of the test soil portion with a palette knife, from near 

the area penetrated by the cone and determine the water content of the test 

sample by oven drying at 1050C.This is best facilitated by placing the penetration cup 

at a slight angle on the work bench and then drawing the palette knife in a 

downward and outward movement against the inside lip of the cup 

m. Remove the remaining soil from the cup and put it on the flat glass plate, remix it 

and if necessary (incase the first reading is not satisfactory) add water or soil and 

perform the next cone penetration.  

n. Repeat Procedures 3 to 12 is until three more determinations (18, 20 and 22) of soil 

water content and the penetration depth are obtained.  

Note: The test should always proceed from the drier to the wetter condition of the soil. 

Clean the cup and the cone thoroughly each time you remove the soil from th cup to 

add water.  

o. Reporting results 

Plot the moisture contents against the corresponding penetration depths for the 

four determinations on a linear graph with the percent moisture on the 

horizontal axis and the penetration depth on the vertical axis. Draw a straight 

line of best fit through the plotted points. 

Determine the moisture content corresponding to the intersection of the line of 

best fit and the 20mm penetration ordinate (interpolation). This moisture 

content is the liquid limit(LL)of the soil 

 

Linear Shrinkage test 

a. Clean and lightly grease the inner walls of the shrinkage mold to prevent the soil 

from adhering to the mold. Remove the wet soil from the cup after the 

STANDARDOPERATINGPROCEDURE Date:July27,2014Code:METH04V01Title: Method for Determination of Atterberg limits and            linear shrinkage in soils  

Author:EmilyBarasa

   

8 | A t t e r b e r g   S O P   

determination of penetration 20mm, and put in the greased mold with the 

palette knife. Remove Air bubbles or voids by lightly tapping the base of the 

mold on a flat rubber mat. Slightly overfill the mold and then level off the excess 

soil with a palette knife. Remove all soil adhering to the rim and edge of the 

mold by wiping with a damp cloth to stop friction between the soil in the mold 

and any adhering to the edges of the mold.   

b. Air dry The soil water mixture in the mold slowly at room temperature for 12 to 

24 hours and then transfer it to an oven and dry to constant weight at 105oC. 

c. Allow the mold and the dry soil to cool and measure the mean length of the soil 

bar to the nearest millimeter. If the soil bar has cracked into pieces during 

drying, carefully reposition the cracked edges together, then firmly hold the 

separate parts together and measure the bar’s length. If the soil bar curls or is 

curved, remove it carefully and measure the length of the top and bottom 

surfaces with a piece of string. The mean of the two lengths is the length of the 

soil bar.  

Note: Curling and curving can be prevented by slow drying of the mound and soil‐ water 

mixture. This can be done by air drying for periods of 48‐72 hours the oven drying of 

60oC – 65oC until shrinkage has largely ceased, and then at 105oC to 110oC to complete 

the drying. 

d. Reporting results ‐ The linear shrinkage of the soil is calculated as a percentage 

of the original length of the soil bar in the mound from the equation: 

Percentage of the linear shrinkage LS = (L‐Ls/L) * 100 to the nearest 0.5% 

 

Plastic limit test 

a. Mold the 20g of cured soil put aside for plastic limits test into a ball and roll between 

the palms until the heat of the hands has dried the soil sufficiently for slight cracks 

to appear on its surface.  Then divide sample into two subsamples for separate 

determination of each sub sample.  

b. Divide each subsample into four approximately equal parts and  form each part into 

a thread of about 6 mm in diameter, between the first finger and thump of each 

hand. Roll the thread between the tips of the fingers of one hand and the surface of 

the glass plate. Apply sufficient pressure to reduce the diameter of the thread to 

about 3mm. Note: 5 to 15 complete forward and back movement of the hand is 

sufficient to reduce the thread to 3mm. Uniform rolling pressure should be 

maintained throughout the test.  

STANDARDOPERATINGPROCEDURE Date:July27,2014Code:METH04V01Title: Method for Determination of Atterberg limits and            linear shrinkage in soils  

Author:EmilyBarasa

   

9 | A t t e r b e r g   S O P   

c. Pick and mold the 3mm thread between the fingers to further dry the soil and  then 

formed into a thread and rolled out again. This procedure is repeated until the 

thread shears both longitudinally and transversely. This first crumbling point is the 

plastic limit. The portions of the crumbled soil thread are gathered together and 

transferred to a moisture container. The other three parts of the subsample is 

treated similarly and placed in the same moisture container. The moisture content 

of the soil is determined by oven‐drying at 1050C. This soil water content is the 

plastic limit. 

d. Reporting results; the average of the water contents obtained from the two plastic 

limit tests. The plastic limit (PL) is the average of the two water contents. If no 

shrinkage is observed on the sample the sample has no plastic limit and is reported 

as non‐plastic. Note: If the two results of the moisture content differ by more than 

0.5% the test shall be repeated.  

 

Plasticity Index (PI) 

Plasticity index is calculated as follows: 

PI = LL – PL 

 

Soil water (moisture) Content determination 

a. Weigh and label a 50‐mL beaker.is weighed and Record the weight. 

b. Collect subsamples of the wet soil and add to the beaker. Approximately 10g of wet 

should be sufficient  

c. Immediately weigh the beaker with wet soil and record the weight 

d. Dry soil in oven at 105C for at least 24 hours. e. Weigh beaker with dry soil and record the weight 

f. Report 

Sample identification and water content data information as follows: 

Water content data     

Sample No.  

Mass of cup (g0 

Mass of cup and wet soil (g) 

Mass of cup and dry soil 

mass of wet soil (g) 

mass of dry soil (g) 

% water content 

                    

                    

                    

   

STANDARDOPERATINGPROCEDURE Date:July27,2014Code:METH04V01Title: Method for Determination of Atterberg limits and            linear shrinkage in soils  

Author:EmilyBarasa

   

10 | A t t e r b e r g   S O P   

Hence %Water content (W) = Mwet ‐ Mdry /Mdry 

Report the liquid limit, plastic limit, and plasticity index to the nearest 0.1 percent or 

whole number 

Note: All forms of liquid and plastic test limits are subject to errors due to either 

operator error or variations in the equipment used. For the liquid limits the consistency 

of the test portion should be such that when tested, a penetration in the range of 9 to 

12 mm is obtained. The plastic limit in particular requires practice and cross‐checking to 

identify the correct point, as it is easy to make the rolled thread crack and crumble 

prematurely 

 

 

 

 

 

 

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

STANDARDOPERATINGPROCEDURE Date:July27,2014Code:METH04V01Title: Method for Determination of Atterberg limits and            linear shrinkage in soils  

Author:EmilyBarasa

   

11 | A t t e r b e r g   S O P   

REFERENCESASTM D4318 ‐ 10 Standard Test Methods for Liquid Limit, Plastic Limit, and Plasticity Index of 

Soils. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

STANDARDOPERATINGPROCEDURE Date:July27,2014Code:METH04V01Title: Method for Determination of Atterberg limits and            linear shrinkage in soils  

Author:EmilyBarasa

   

12 | A t t e r b e r g   S O P   

ANNEX1:Workflow 

  

STANDARDOPERATINGPROCEDURE Date:July27,2014Code:METH04V01Title: Method for Determination of Atterberg limits and            linear shrinkage in soils  

Author:EmilyBarasa

   

13 | A t t e r b e r g   S O P   

 Annex 2. QUALITY CONTROL 

Process  Procedure 

Penetration  Penetration range should be between 9‐12 mm 

Identification  Ensure you get the correct points 

Consistency  Ensure consistency to avoid errors 

Report should include  Results of the determination of the limits 

Possible deviations observed during analysis 

Other operations that have affected the results