Đang tải... (xem toàn văn)
ISSN 1859 1531 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(96) 2015, QUYỂN 2 21 MÔ HÌNH VẬT LÝ NGHIÊN CỨU PHÂN BỐ ẨM TRONG CẤP PHỐI THIÊN NHIÊN CHỊU ẢNH HƯỞNG CỦA ÁP LỰC NƯỚC NGẦM PHYSICAL MO[.]
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(96).2015, QUYỂN 21 MÔ HÌNH VẬT LÝ NGHIÊN CỨU PHÂN BỐ ẨM TRONG CẤP PHỐI THIÊN NHIÊN CHỊU ẢNH HƯỞNG CỦA ÁP LỰC NƯỚC NGẦM PHYSICAL MODELLING FOR STUDYING MOISTURE DISTRIBUTION IN GRADED NATURAL AGGREGATE INFLUENCED BY PRESSURE OF GROUNDWATER Vương Hữu Cườm1, Nguyễn Hồng Hải2 Trường Đại học Kiến trúc Đà Nẵng; cuomvh@dau.edu.vn Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng; nhhai@dut.udn.vn Tóm tắt - Bài báo giới thiệu mơ hình thí nghiệm phịng cho phép nghiên cứu q trình tăng độ ẩm vật liệu cấp phối theo thời gian vật liệu cấp phối chịu ảnh hưởng áp lực nước ngầm, thông qua việc sử dụng cảm biến bố trí độ sâu khác mẫu thí nghiệm Một ví dụ thực để nghiên cứu thay đổi độ ẩm theo thời gian mẫu thí nghiệm có đường cong cấp phối loại B theo TCVN 88572011 Mẫu thí nghiệm chế bị từ vật liệu cấp phối lấy mỏ đất đèo Đại La, Thành phố Đà Nẵng Kết cho thấy, phân bố độ ẩm theo thời gian độ sâu mẫu khác nhau, phụ thuộc vào vị trí tương đối so với mực nước ngầm Tốc độ gia tăng độ ẩm để đạt đến trạng thái bão hoà khác nhau, phụ thuộc khoảng cách từ lớp đất xét đến vị trí mực nước ngầm Abstract - The paper presents an experimental model in the laboratory for studying moisture increase within graded natural aggregate influenced by pressure of groundwater, with the help of sensors distributed at different depths of the experimental sample An experiment is performed to study the moisture variation over time on well-graded natural soil which is specifically graded for type B according TCVN 8857-2011 The sample is mixed from natural aggregate which is taken from Daila pass, Danang city The result of the study shows that moisture distribution at sample depths is different depending on the relative position to groundwater level The rate of moisture increase to reach a degree of saturation is also different depending on the distance from considered soil layer to the level of groundwater Từ khóa - phân bố ẩm; cấp phối thiên nhiên; mơ hình thí nghiệm; nước ngầm; độ bão hồ Key words - moisture distribution; graded natural aggregate; experimental modelling; groundwater; degree of saturation Đặt vấn đề Trong xây dựng đường ô tô, cấp phối thiên nhiên (CPTN) vật liệu sử dụng phổ biến để làm đường lớp kết cấu áo đường giá thành rẻ, biện pháp thi cơng đơn giản, khơng địi hỏi cơng nghệ máy móc phức tạp Tuy nhiên, việc lựa chọn loại cấp phối phù hợp để sử dụng làm lớp móng cho tuyến đường chịu ảnh hưởng nước ngầm chưa đơn vị tư vấn thiết kế trọng, dẫn đến việc thiết kế lựa chọn vật liệu không hợp lý, chưa phát huy tối đa hiệu kinh tế Ngay tiêu chuẩn thi công nghiệm thu lớp kết cấu áo đường ô tô cấp phối thiên nhiên TCVN 8857-2011 [1], việc phân loại cấp phối dựa theo thành phần hạt cấp phối hạt nhiều điểm chưa phân biệt rõ ràng Bài báo giới thiệu mơ hình vật lý phát triển nhóm nghiên cứu, cho phép nghiên cứu diễn biến thay đổi độ ẩm CPTN chịu ảnh hưởng áp lực nước mao dẫn, làm sở cho việc mở rộng nghiên cứu phân bố ẩm vật liệu chịu ảnh hưởng áp lực nước mao dẫn, từ kiến nghị lựa chọn cấp phối có khả ổn định nước sử dụng làm móng đường chịu ảnh hưởng nước ngầm đáy thùng chứa mẫu đất thí nghiệm Để ngăn khơng cho hạt đất chui lọt vào lỗ rỗng viên sỏi, nhóm nghiên cứu sử dụng vải địa kỹ thuật làm lớp ngăn cách, bố trí lớp đá sỏi mẫu đất thí nghiệm Sự thay độ ẩm theo thời gian vị trí khác mẫu đất chịu tác dụng áp lực nước mao dẫn xác định thông qua hệ thống gồm cảm biến đặt vị trí độ sâu khác nhau, cảm biến cách 10cm Cảm biến đặt độ sâu cách đáy mẫu 10cm, cảm biến cảm biến cách cảm biến 10cm 20cm, hay nói cách khác cách đáy mẫu 20cm 30cm (Hình 1) Bộ đo 100 30 Cảm biến 70 100 100 Cảm biến Cảm biến Vải địa kỹ thuật Lớp sỏi 350 Mơ hình thí nghiệm hệ thống thu/xuất liệu 2.1 Mô tả thiết bị Thiết bị thí nghiệm bao gồm thùng chế bị mẫu nhựa compositecó đường kính 35cm, chiều cao 40cm; thùng chứa nước thượng lưu điều chỉnh độ cao nhằm tạo áp lực nước mao dẫn từ đáy mẫu thí nghiệm; hệ thống ống dẫn nước kết nối từ thùng chứa nước thượng lưu đến đáy mẫu thí nghiệm; để đảm bảo dịng thấm mao dẫn có áp lực phân bố diện tích đáy mẫu, lớp sỏi có đường kính cỡ hạt 2mm bố trí Hình Sơ đồ mơ hình thí nghiệm 2.2 Hệ thống thu xuất liệu Hệ thống bao gồm 03 cảm biến đặt mẫu đất thí nghiệm để thu nhận tín hiệu điện trở đất (Hình 1) đo để thu xuất liệu (Hình 2), gồm phận chính: - Vi điều khiển AT89S52 dung lượng RAM 128 byte, dung lượng ROM Kbyte chế độ nạp nối tiếp, địa nhỏ 0000H, địa lớn 1FFFH Bộ vi xử lý lập trình hai ngôn ngữ: Assembly 22 Vương Hữu Cườm, Nguyễn Hồng Hải Visual Basic [3], [4] Ngôn ngữ Assembly lập trình cho phần thu liệu đo từ cảm biến đặt đất hiệu chuẩn cảm biến với thời gian ghi lưu liệu thiết lập tự động 5giờ/lần, số liệu cập nhật liên tục sau khoảng thời gian phút Ngôn ngữ Visual Basic lập trình cho nội dung hiển thị hình máy tính để truy xuất liệu qua cổng "com"; - Vi điều khiển ADC: dùng để chuyển tín hiệu từ dạng analog sang tín hiệu số (digital); - Kết nối RS232 qua cổng com; - Mạch nạp code ẩm mẫu đất so sánh giá trị với giá trị thu từ đo, kết cho thấy độ ẩm thực tế xác định cảm biến cho kết gần với kết xác định theo phương pháp sấy khơ mẫu (Hình 4) Hình So sánh độ ẩm thực tế phương pháp sấy độ ẩm đo cảm biến Hình Mơ hình kết nối thiết bị (bộ đo cảm biến) Hiệu chuẩn cảm biến đo độ ẩm Để thu số liệu liên tục thay đổi độ ẩm độ sâu khác mẫu đất thí nghiệm, nhóm nghiên cứu sử dụng hệ thống gồm cảm biến điện trở, số hiệu MH001848 Độ ẩm thực tế mẫu đất xác định thông qua kết điện thu từ cảm biến, nhờ quan hệ điện độ ẩm thực tế mẫu đất hiệu chuẩn Hình Trình tự thiết lập thang đo độ ẩm cho cảm biến thực theo bước: (1) thiết lập quan hệ điện trở độ ẩm thực tế đất; (2) tìm hàm quan hệ độ ẩm giá trị điện trở với hệ số tương quan lớn nhất; (3) dùng hàm tìm bước áp dụng vào chương trình đo Thí nghiệm xác định phân bố ẩm cấp phối chịu ảnh hưởng áp lực nước mao dẫn 4.1 Các đặc trưng lý cấp phối Cấp phối nghiên cứu phối trộn từ cấp phối thiên nhiên lấy mỏ đất đèo Đại La, đảm bảo đường cong thành phần hạt nằm giới hạn đường cong cấp phối loại B theo TCVN 8857-2011, thể Hình Hình Đường cong thành phần hạt (mẫu chế bị từ cấp phối thiên nhiên đèo Đại La) Kết thí nghiệm đầm nén tiêu chuẩn cho kết Hình 6, khối lượng thể tích khơ lớn kmax=1,75g/cm3, độ ẩm tốt w0=9% Hình Quan hệ điện thế-độ ẩm cảm biến Kết hiệu chuẩn cho thấy ứng với trị số độ ẩm, cảm biến cho giá trị đo hồn tồn giống Phương trình tương quan giá trị điện độ ẩm có dạng bậc với hệ số tương quan R2=0,98 (số mẫu N=7) có dạng: -5 y 1´10 x - 0,0034.x + 0,3523.x + 2,152 (1) Trong đó: y - độ ẩm (%); x - tín hiệu điện đo từ cảm biến (V) Để kiểm tra độ xác cảm biến, nhóm nghiên cứu sử dụng phương pháp sấy để xác định độ Hình Thí nghiệm đầm nén tiêu chuẩn 4.2 Chuẩn bị mẫu thí nghiệm Mẫu đất thí nghiệm phối với thành phần hạt nêu trên, khối lượng phối cho mẫu 50 kg gia ẩm ứng với độ ẩm tối ưu (w0=9%) Quá trình chuẩn bị mẫu sau: Đầu tiên bố trí lớp sỏi đáy thùng với chiều dày 7cm, đặt lớp vải địa kỹ thuật lớp sỏi để ngăn cát hạt đất lọt xuống lớp sỏi ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(96).2015, QUYỂN trình đầm nén Sau tiến hành đầm nén đất theo phương pháp đầm nén cải tiến với khối lượng chày đầm 4,54kg, chiều dày lớp đầm 2,5cm, số chày đầm 56 chày/lớp Khi chiều dày lớp đất đạt 10cm tiến hành đặt cảm biến số 1, cảm biến đặt theo phương nằm ngang, phần đầu cảm biến có bơi lớp keo “Dog X66” để chống bị hở mạch chịu tác dụng lực đầm Tiếp tục đầm nén tương tự bố trí cảm biến số vị trí cách đáy mẫu 20cm, cảm biến số cách đáy mẫu 30cm Trong q trình đầm ln theo dõi kiểm tra tín hiệu cảm biến để kịp thời thay cảm biến bị hỏng Sau hồn thành cơng tác chế bị mẫu, tiến hành đấu nối cảm biến với đo, cho nước vào thùng chứa thượng lưu để tạo cột nước ngầm có áp với trị số gradient thuỷ lực i=0,5 kết nối với đáy thùng chứa mẫu thí nghiệm Hình 23 Sự thay đổi độ bão hoà mẫu đất xác định theo công thức: 0.01W G e (2) Trong đó: e –hệ số rỗng; - tỉ trọng đất; W - độ ẩm Kết tính tốn độ bão hồ theo thời gian vị trí khác mẫu đất thí nghiệm thể Hình Thời gian cần thiết để đạt độ bão hồ G=0,8 vị trí cách đáy mẫu 0,1m, 0,2m 0,3m t=50 giờ, 75 85 thí nghiệm Hình Biến thiên độ bão hịa mẫu Hình Hình ảnh bố trí thí nghiệm mẫu sau chế bị Kết bàn luận Hình thể kết diễn biến thay đổi độ ẩm mẫu sau 105 thí nghiệm: Sau khoảng thời gian 85 kể từ bắt đầu thí nghiệm, vị trí cách đáy mẫu 0,1m (gần vị trí tiếp xúc với mực nước ngầm nhất) độ ẩm đạt trị số w=22%, tương ứng với độ bão hoà G=0,94, giá trị lớn cảm biến thu nhận Tại vị trí cách đáy mẫu 0,2m 0,3m, để đạt đến trị số độ ẩm thời gian cần thiết 100 105 Kết luận Cường độ độ ổn định vật liệu cấp phối thay đổi theo độ bão hoà, giảm độ bão hoà tăng Bài báo giới thiệu mơ hình thực nghiệm phịng cho phép nghiên cứu thay đổi độ ẩm vật liệu cấp phối chịu tác dụng áp lực nước ngầm Kết phân tích cho phép dự báo thay đổi cường độ vật liệu cấp phối, làm sở cho việc lựa chọn cấp phối hợp lý, đề xuất trạng thái tính tốn lựa chọn thơng số cường độ thiết kế trường hợp sử dụng làm móng đường khu vực chịu ảnh hưởng áp lực nước ngầm Hình Thay đổi độ ẩm độ sâu khác TÀI LIỆU THAM KHẢO Kết thí nghiệm cho thấy, tốc độ tăng độ ẩm theo thời gian độ sâu mẫu khác khác nhau, điều kiện dịng thấm có áp lực khơng đổi Tốc độ tăng độ ẩm theo thời gian xảy nhanh vị trí gần với mực nước ngầm, nơi tiếp xúc đáy mẫu với nguồn thấm Tốc độ tăng độ ẩm xảy nhanh giai đoạn đầu, sau khoảng 25 đến 30 kể từ bắt đầu thí nghiệm, sau tốc độ tăng giảm dần đạt trị số bão hoà Độ ẩm tăng nhanh vị trí lớp đất gần mực nước ngầm (vị trí cảm biến số 1), giai đoạn tăng nhanh ngày đầu ngâm mẫu, độ ẩm tăng từ 8,6% đến 18,8%; độ ẩm lớp đất phía (cách đáy mẫu 0,3m) đạt 13,4%, điều cho thấy lớp đất vị trí xa mực nước ngầm có thay đổi độ ẩm tương đối nhỏ [1] Bộ GTVT, TCVN 8857-2011, Lớp kết cấu áo đường ô tô cấp phối thiên nhiên - Vật liệu, thi công nghiệm thu [2] Tống Văn Ơn, “Họ vi điều khiển 8051”, nhà xuất Lao Động – Xã Hội [3] Nguyễn Mạnh Giang, “Lập trình ngơn ngữ Assembly cho máy tính”,nhà xuất giáo dục 2005 [4] Nguyễn Đình Nam, “Giáo trình tự học lập trình visual basic 2008”, nhà xuất Hồng Đức [5] Liu Jie, Hailin Yao, Pan Chen, Zheng Lu and Xingwen Luo “Theoretical analysis and experimental study of Subgrade moisture variation and underground antidrainage technique under groundwater fuctations”, valume 2013, Article ID 703252 [6] Sabry A Shihata Zaky A Baghdadi and Ahmed M Khan, “Influence of groundwater table fluctuation on performance of bases and Subgrades”, vol.2, pp 81 – 93 (1410 A H /1990 A D) (BBT nhận bài: 09/09/2015, phản biện xong: 16/10/2015) ... bước áp dụng vào chương trình đo Thí nghiệm xác định phân bố ẩm cấp phối chịu ảnh hưởng áp lực nước mao dẫn 4.1 Các đặc trưng lý cấp phối Cấp phối nghiên cứu phối trộn từ cấp phối thiên nhiên. .. định vật liệu cấp phối thay đổi theo độ bão hoà, giảm độ bão hoà tăng Bài báo giới thiệu mơ hình thực nghiệm phòng cho phép nghiên cứu thay đổi độ ẩm vật liệu cấp phối chịu tác dụng áp lực nước ngầm. .. hợp sử dụng làm móng đường khu vực chịu ảnh hưởng áp lực nước ngầm Hình Thay đổi độ ẩm độ sâu khác TÀI LIỆU THAM KHẢO Kết thí nghiệm cho thấy, tốc độ tăng độ ẩm theo thời gian độ sâu mẫu khác