Bài giảng thực hành thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý đất nền trong phòng thí nghiệm

các phương pháp thực hành thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý đất nền trong phòng thí nghiệm: xác định khối lượng riêng, xác định độ ẩm và độ hút ẩm, xác định giới hạn dẻo - chảy.

Các bài giảng thực hành thí nghiệm các chỉ tiêu cơ, lý đất nền trong phòng thí nghiệm

Mở đầu:

Đất là hệ phân tán rời, vụn, xốp, lỗ rỗng trong đất chứa đầy nớc và khí Trong

đất thờng tồn tại 3 pha: Rắn, lỏng và khí

- Pha rắn gồm các hạt khoáng chất, chất hữu cơ và đóng vai trò quyết định khả năng chịu lực của đất

- Pha lỏng tồn tại trong đất chủ yếu là nớc, dới dạng nớc hút ẩm, nớc liên kết,

n-ớc tự do Pha lỏng có ảnh hởng lớn đến khả năng chịu lực của đất, làm cho tính chất của đất thay đổi

- Pha khí tồn tại trong đất chủ yếu là không khí hoặc các hợp chất khí hữu cơ Nếu thông với bên ngoài, khí trong đất dễ thoát ra và ảnh hởng rất ít đến tính chất của

đất Nếu bị giam kín trong đất thì nó ảnh hởng đến tính thấm nớc và khả năng chịu lực của đất

Trong đất pha rắn ít thay đổi theo thời gian Khi nớc bay hơi hết đất chỉ còn lại

2 pha rắn và khí Khi đất hoàn toàn bão hoà, phần rỗng chứa đầy nớc, đất chỉ còn 2 pha rắn và lỏng

Tỷ lệ giữa 3 pha thay đổi làm thay đổi các tính chất vật lý và cơ học của đất

Đây là cơ sở để nghiên cứu các tính chất vật lý và cơ học của đất và sự thay đổi của chúng trong không gian nền cũng nh thời gian

Vậy, mục đích của công tác thí nghiệm mẫu đất nhằm tìm ra sự biến đổi các đặc trng cơ lý của đất trong không gian nền và thời gian nhằm cung cấp cho ngời thiết kế

sử dụng tính toán nền móng, lựa chọn giải pháp móng thích hợp cho từng loại công trình

Phạm vi của giáo trình là trình bày các phơng pháp và trình tự thực hiện các thí nghiệm xác định các chỉ tiêu vật lý và cơ học thông thờng nhất của đất nền

Các phơng pháp thí nghiệm :

Bài 1: Phơng pháp xác định khối lợng riêng

trong phòng thí nghiệm (TCVN4195:1995)

a Định nghĩa: Khối lợng riêng của đất (ρ) là khối lợng một đơn vị thể tích phần hạt cứng, khô tuyệt đối, xếp chặt xít không lỗ rỗng

Về mặt trị số, khối lợng riêngbằng tỷ số giữa khối lợng phần hạt cứng của mẫu đất sấy khô đến khối lợng không đổi ỏ nhiệt độ từ 1000C đến 1050C với thể tích của cính phần hạt cứng đó

h

h V

m

= ρ Trong đó : mh - khối lợng phần hạt cứng của mất đất, tính bằng gam,

Vh - thể tích phần hạt cứng của mẫu đất, tính bằng cm3

b Quy định chung:

- Phép cân để xác định khối lợng riêng phải đợc tiến hành trên cân kỹ thuật với

độ chính xác đến 0.01g

- Đối với mỗi mẫu đất cần tiến hành 2 lần thử song song Chênh lệch giữa 2 lần không đợc lớn hơn 0.02g/cm3 Lấy trị trung bình của 2 lần thí nghiệm song song làm khối lợng riêng của mẫu đất

- Để xác định khối lợng riêng của đất không chứa muối, cần dùng nớc cất Đối với đất chứa muối phải dùng dầu hoả

c Chuẩn bị thí nghiệm: (chuẩn bị cho thí nghiệm xác định khối lợng riêng của đất

không chứa muối)

- Nớc cất;

- Cân kỹ thuật có độ chính xác đến 0.01g;

- Bình tỷ trọng có dung tích không nhỏ hơn 100 cm3;

- Cối sứ, chày sứ hoặc cối đồng, chày đồng;

- Bếp cát;

- Tủ sấy điều chỉnh đợc nhiệt độ;

- Rây có lới N02 (Kích thớc lỗ rây 2 mm);

- Tỷ trọng kế;

- Phễu nhỏ;

- Thiết bị ổn nhiệt;

- Cốc nhỏ hoặc hộp nhôm có nắp

d Chuẩn bị mẫu:

- Đất để thí nghiệm đợc hong khô gió rồi đem nghiền sơ bộ cho tơi vụn Bằng phơng pháp chia t, lấy khoảng 100 đến 200g đất cho vào bộ cối, chày sứ hoặc đồng nghiền nhỏ Tiếp đó đất nghiền đợc cho qua rây đờng kính 2 mm

- Lấy khoảng 15g đất đã qua rây, dùng phễu cho vào 2 bình tỷ trọng có dung tích 100 cm3, đã biết trớc khối lợng và đã đợc sấy khô

- Đồng thời, cũng lấy đất dới rây cho vào 2 cốc nhỏ để xác định độ hút ẩm của

đất

e Tiến hành thí nghiệm:

- Cân để xác định khối lợng của bỉnh tỷ trọng đang đựng đất, đem trừ đi khối l-ợng của bình, đợc khối ll-ợng của đất ở trạng thái khô gió (m1)

Khối lợng của đất khô tuyệt đối trong bình (mo) đợc tính theo công thức:

h o

w

m m

01 0 1

1 +

= Trong đó: wh là lợng hút ẩm của đất, tính bằng (%)

- Để không khí thoát ra khỏi đất, phải đổ nớc cất vào khoảng một nửa thể tích bình, lắc đều, đun sôi bằng bếp cát Thời gian đun sôi (kể từ lúc bắt đầu sôi) là 30 phút

đối với đất cát và cát pha, 1 giờ đối với đất sét và sét pha Trong quá trình đun không

đ-ợc để sôi trào nớc ra khỏi bình

- Sau khi đun xong, tiếp tục đổ nớc cất (đã đợc đun sôi kỹ) vào bình tỷ trọng đến vạnh nhất định và làm nguội huyền phù đến nhiệt độ trong phòng Dùng khăn bông khô hoặc giấy thấm lau thật khô bình và mép trên của bình rồi cân để xác định khối l-ợng bình chứa đầy huyền phù (m2) bằng cân kỹ thuật có độ chính xác đến 0.01g

- Đổ huyền phù ra, rửa sạch bình, đổ nớc cất đã đun sôi vào bình đến vạch cũ, lau sạch bằng khăn rồi cân để xác định khối lợng của bình chứa đầy nớc (m3)

f) Tính toán kết quả:

Khối lợng riêng của đất (ρ) đợc tính theo công thức:

n o

o m m m

m

ρ ρ

2

3 − +

ρn là khối lợng riêng của nớc ở nhiệt độ thí nghiệm g/cm3

Kết quả đợc tính toán đến độ chính xác 0.01 g/cm3

Bài 2: Phơng pháp xác định Độ ẩm và độ hút ẩm

trong phòng thí nghiệm (TCVN4196:1995)

a Định nghĩa:

Độ ẩm của đất (W) là lợng nớc chứa trong đất ở trạng thái tự nhiên, đợc tính bằng (%) Độ hút ẩm (Wh) là lợng nớc chứa trong đất ở trạng thái khô gió đợc tính bằng (%)

b Quy định chung:

Độ ẩm và độ hút ẩm đợc xác định bằng sự tổn thất khối lợng của mẫu đất trong quá trình sấy khô đến khối lợng không đổi (chênh lệch giữa 2 lần sấy và cân liên tiếp không lớn hơn 0.02g)

Sấy khô đợc tiến hành trong tủ sấy, ở nhiệt độ 105oC ± 2oC đối với đất loại sét

và loại cát, 80oC ± 2oC đối với đất chứa thạch cao và lợng hữu cơ > 5%

Mỗi mẫu cần đợc tiến hành không ít hơn 2 lần thí nghiệm song song

c Chuẩn bị thí nghiệm:

Để xác định độ ẩm và độ hút ẩm cảu đất cần chuẩn bị các thiết bị và dụng cụ sau:

- Tủ sấy điều chỉnh đợc nhiệt độ đến 300oC;

- Cân kỹ thuật có độ chính xác đến 0.01g;

- Bình hút ẩm có CaCl2;

- Hộp nhôm có nắp, thể tích ≥ 30cm3;

- Rây có đờng kính lỗ 1mm;

- Cối sứ và chày sứ có đầu bọc cao su;

- Khay để đựng và phơi đất

d Tiến hành thí nghiệm xác định độ ẩm:

Để xác định độ ẩm của đất phải lấy mẫu đất tự nhiên đa về phòng thí nghiệm, lấy mẫu sao cho đồng đều, khoảng 15g Cho đất vào hộp nhôm có nắp, đã đợc đánh số, biết khối lợng trớc và đã đợc sấy khô (m), tính bằng gam Nhanh chóng đậy nắp và

đem cân trên cân kỹ thuật để xác định khối lợng của hộp nhôm và mẫu đất (m1), tính bằng gam

Mở nắp hộp và đem sấy khô ở nhiệt độ đã quy định, cho đến khi khối lợng không đổi Thời gian quy định sấy khô các hộp chứa mẫu đất ít nhất 2 lần nh sau:

Lần sấy đầu trong thời gian:

5 giờ - đối với đất sét và sét pha;

3 giờ - đối với đất cát và cát pha;

8 giờ - đối với đất chứa thạch cao và chứa hàm lợng hữu cơ > 5%

Lần sấy lại thời gian:

1 giờ - đối với đất cát và cát pha;

2 giờ - đối với các loại đất còn lại đã nêu trên

Sau khi kết thúc mỗi lần sấy lấy hộp khỏi tủ sấy, đậy ngay nắp lại, đặt vào bình hút ẩm để làm nguội mẫu khoảng 45’ đến 1 giờ và đem cân trên cân kỹ thuật

Lấy khối lợng nhỏ nhất của hộp đựng mẫu trong các lần sấy khô đến khối lợng không

đổi làm kết quả (mo)

e Tính toán kết quả xác định độ ẩm:

Độ ẩm của đất (W) đợc tính bằng % theo công thức:

100

−

−

=

m m

m m W

o o

Kết quả tính toán độ ẩm đợc biểu diễn với độ chính xác đến 0.1%

Lấy giá trị trung bình cộng kết quả tính toán các lần xác định song song làm độ

ẩm của mẫu đất Nếu 2 lần xác định song song lệch nhau > 10% so với độ ẩm trung bình tính đợc, thì phải tăng số lần xác định đến 3 lần hoặc hơn nữa

Để xác định độ hút ẩm của đất ngời ta lấy 15 gam mẫu đất ở trạng thái khô gió, nghiền nhỏ và cho qua rây 1mm, cho vào hộp nhôm và đợc tiến hành tơng tự nh xác

định độ ẩm của đất

Kết quả tính toán độ hút ẩm đựơc biểu diễn với độ chính xác tới 0.01% Độ chênh lệch của các lần xác định song song không đợc > 0.1%

Bài 3: Phơng pháp xác định giới hạn dẻo và giới hạn chảy

trong phòng thí nghiệm (TCVN4197:1995)

Phơng pháp này áp dụng cho các loại đất dính, chứa phần lớn các hạt có kích

th-ớc < 1mm và có giới hạn dẻo Không áp dụng cho các loại đất rời và đất hữu cơ

a Định nghĩa:

Giới hạn dẻo của đất tơng ứng với độ ẩm mà đất loại sét có kết cấu bị phá hoại chuyể từ trạng thái cứng sang trạng thái dẻo Giới hạn dẻo (WP) đợc đặc trng bằng độ

ẩm (%) của đất sau khi đã nhào trộn đều với nớcvà lăn thành que có đờng kính 3mm, thì que đất bắt đầu bị rạn nứt và đứt thành những đoạn ngắn có chiều dài khoảng 3mm

đến 10mm

Giới hạn chảy của đất tơng ứng với độ ẩm mà đất loại sét có kết cấu bị phá hoại chuyển từ trạng thái dẻo sang trạng thái chảy Giới hạn chảy (WL) đợc đặc trng bằng

độ ẩm (%) bột đất nhào với nớc mà ở đó quả dọi thăng bằng hình nón, dới tác dụng của trọng lợng bản thân sau 10 giây sẽ lún sâu đợc 10mm

Chỉ số dẻo của đất (IP) đợc tính theo công thức:

IP = WL - WP

Độ sệt của đất (B) đợc tính theo công thức:

P L

P W W

W W B

−

−

= Trong đó: W là độ ẩm tự nhiên của đất (%).

b Quy định chung:

Mẫu đất để làm thí nghiệm giới hạn dẻo và giới hạn chảy có thể dùng đất thiên nhiên, đất hong gió, nhng không dùng đất sấy khô ở nhiệt độ > 60oC Các mẫu đất này phải mang tính chất đại diện cho toàn mẫu và tiêu biểu cho mẫu đất cần thí nghiệm

c Chuẩn bị dụng cụ:

Để xác định giới hạn chảy cần dùng các dụng cụ chủ yếu sau:

- Quả dọi thăng bằng có khối lợng 76 ± 0.2g, gồm khối hình nón nhẵn bằng thép không rỉ, có góc đỉnh 30o, cao 25mm, cách đỉnh 10mm có khắc một ngấn tròn và

bộ phận thăng bằng có hai quả cầu kim loại đợc gắn ở 2 đầu của cung nửa vòng tròn thép không rỉ, đờng kính 85mm

- Khuôn trụ kim loại không rỉ có đờng kính 40mm, chiều cao >20mm để đựng mẫu đất thử;

- Đế gỗ đặt khuôn mẫu thí nghiệm

Để xác định giới hạn dẻo, cần dùng tấm kính nhám có kích thớc 40 x 60cm

Ngoài ra còn cần đến các dụng cụ khác nh:

- Rây có đờng kính lỗ 1mm;

- Bình thuỷ tinh;

- Cân kỹ thuật có độ chính xác đến 0.01g;

- Hộp nhôm có nắp, thể tích ≥ 30cm3;

- Tủ sấy điều chỉnh đợc nhiệt độ đến 300oC;

- Cối sứ và chày sứ có đầu bọc cao su;

- Bát sứ hoặc bát tráng men;

- Dao nhào trộn.

d Chuẩn bị mẫu thí nghiệm:

Nếu mẫu đất đợc dùng thí nghiệm là đất hong gió thì lấy 300g sau khi dùng

ph-ơng pháp chia t, loại bỏ các di tích thực vật > 1mm, nghiền nhỏ bằng cối sứ và chày sứ

có đầu bọc cao su, sàng qua rây 1mm, lấy đất lọt qua rây vào bát, rót nớc cất vào bát

đựng đất, dùng dao nhào đất đều cho đến trạng thái nh hồ đặc Sau đó đặt mẫu vào bình thuỷ tinh, đậy kín trong khoảng >2 giờ trớc khi đem thí nghiệm (nhằm mục đích cho các phần tử nớc đủ thời gian khuếch tán làm toàn bộ mẫu đất thí nghiệm có độ ẩm

đồng đều)

Nếu mẫu đất đợc dùng thí nghiệm là đất có độ ẩm tự nhiên thì lấy khoảng 150cm3 cho vào bát, nhào kỹ (có thể cho thêm ít nớc cất nều cần) Sau đặt mẫu vào bình thuỷ tinh đậy kín > 2giờ trớc khi đem thí nghiệm

e Tiến hành thí nghiệm xác định giới hạn dẻo của đất:

Lấy bát đất đã chuẩn bị và ủ ẩm trong bình thuỷ tinh ra, nếu đất ớt quá không thích hợp để lăn thì phải dùng vải sạch thấm khô bớt nớc Sau đó lấy một ít đất và dùng mặt phẳng lòng bàn tay hoặc các đầu ngón tay lăn nhẹ trên kính nhám cho đến khi thành que tròn có đờng kính bằng 3mm

Nếu với đờng kính đó, que đất vẫn giữ đựoc liên kết và tính dẻo, thì đem vê nó thành hòn và tiếp tục lăn chừng nào que đất đạt đờng kính 3mm, nhng bắt đầu bị rạn nứt ngang và tự nó gãy ra thành những đoạn nhỏ dài khoảng 3 đến 10mm

Nhặt các đoạn que đất vừa đứt, bỏ vào hộp nhôm có nắp, đã biết trớc khối lợng,

đậy nắp và giữ ẩm cho mẫu

Khi khối lợng mẫu đất trong hộp nhôm đạt không ít hơn 10g, tiến hành xác định

độ ẩm của mẫu đất, ký hiệu Wd, %, với độ chính xác đến 0.1%

Giới hạn dẻo đợc tính theo công thức sau:

100

2

2

−

−

=

m m

m m

W d

Trong đó:

Wd - là giới hạn dẻo của đất, (%);

m1 - là khối lợng đất ẩm và hộp nhôm có đậy nắp, (g);

m2 - là khối lợng đất khô và hộp nhôm có đậy nắp, (g);

m - là khối lợng hộp nhôm có đậy nắp, (g)

Kết quả đợc tính chính xác đến 0.1%

Đối với mỗi mẫu đất tiến hành không ít hơn 2 lần thí nghiệm song song, sai số giữa 2 lần song song không đợc > 2% Lấy trị trung bình cộng kết quả các lần xác định

đó làm giới hạn chảy của mẫu đất

f Tiến hành thí nghiệm xác định giới hạn chảy của đất:

Lấy bát đất đã chuẩn bị và ủ ẩm trong bình thuỷ tinh ra, dùng dao nhào kỹ lại và lấy đất cho vào khuôn hình trụ, gõ nhẹ trên mặt đàn hồi để tránh phát sinh các ổ chứa khí trong đất Sau khi cho đất vào đầy khuôn dùng dao gạt bằng mép khuôn

Đặt khuôn đựng mẫu đất len giá gỗ và đa quả dọi thăng bằng hình nón (đã đợc lau sạch và bôi một lớp vadơlin mỏng) lên mặt đất đựng trong khuôn, sao cho mũi nhọn hình nón vừa chạm bề mặt mẫu đất, thả dụng cụ hình nón để nó tự lún vào trong

đất dớu tác dụng của trọng lợng bản thân

Nếu sau 10 giây mà hình nón lún vào mẫu đất đúng 10mm (đúng vạch khắc trên quả dọi) thì đất đã đạt đúng giới hạn chảy Nếu quả dọi lún hơn 10mm thì độ ẩm của mẫu đất cao hơn giới hạn chảy cần lấy mẫu đất ra nhào trộn lại để độ ẩm của mấu đất giảm bớt và thực hiện lại thí nghiệm, hoặc quả dọi lún cha đợc 10mm thì độ ẩm của mẫu đất thấp hơn giới hạn chảy cần lấy mẫu đất ra cho thêm ít nớc, chộn kỹ và thực hiện lại thí nghiệm

Dùng dao lấy không ít hơn 10g mẫu đất có độ ẩm tơng đơng giới hạn chảy cho vào hộp nhôm để xác định độ ẩm

Giới hạn chảy đợc tính theo công thức sau:

100

2

2

−

−

=

m m

m m

W L

Trong đó:

WL - là giới hạn chảy của đất, (%);

m1 - là khối lợng đất ẩm và hộp nhôm có đậy nắp, (g);

m2 - là khối lợng đất khô và hộp nhôm có đậy nắp, (g);

m - là khối lợng hộp nhôm có đậy nắp, (g)

Kết quả đợc tính chính xác đến 0.1%

Đối với mỗi mẫu đất tiến hành không ít hơn 2 lần thí nghiệm song song, sai số giữa 2 lần song song không đợc > 2% Lấy trị trung bình cộng kết quả các lần xác định

đó làm giới hạn chảy của mẫu đất

Bài 4: Phơng pháp xác định khối lợng thể tích

trong phòng thí nghiệm (TCVN4202:1995)

Phơng pháp này chỉ áp dụng cho các đất loại cát và đất loại sét, không áp dụng cho các đất có chứa dăm sạn lớn

a Định nghĩa:

Khối lợng thể tích (γw) là khối lợng một đơn vị thể tích đất có kết cấu và độ ẩm

tự nhiên, tính bằng g/cm3

Về trị số, khối lợng thể tích tính bằng tỉ số giữa khối lợng của mẫu đất và thể tích của nó và tính theo công thức:

V

m

w = γ Trong đó: m - khối lợng của mẫu đất thí nghiệm, g;

V - thể tích của mẫu đất thí nghiệm, cm3 Khối lợng thể tích khô (γc ) (của cốt đất) là khối lợng của một đơn vị thể đất khô

có kết cấu tự nhiên, tính bằng g/cm3

Có thể xác định chỉ tiêu này theo công thức:

W

w c

01 0

1+

= γ γ

Trong đó: W - Độ ẩm của đất tính bằng (%)

Căn cứ vào thành phần và trạng thái của đất, có các phơng pháp thí nghiệm sau

đây đợc dùng xác định khối lợng thể tích của đất:

đất mà hình dạng và thể tích chỉ có thể giữ nguyên bằng hộp cứng, dùng dao vòng bằng kim loại không rỉ có thể tích xác định trớc

không lớn hơn 5mm, khi cắt dễ bị vỡ vụn, nhng có thể tự giữ nguyên đuệoc hình dạng

mà không cần nhờ hộp cứng

có khối lợng đã biết trong môi trờng chất lỏng (dầu hoả), áp dụng cho các loại đất dính, đất than bùn, hoặc khó lấy mẫu theo 2 phơng pháp trên

b Quy định chung: đối với phơng pháp xác định khối lợng thể tích của đất trong

phòng thí nghiệm là:

- Phép cân để xác định khối lợng đựoc tiến hành với độ chính xác đến 0.1% khối lợng mẫu đất thí nghiệm ở trạng thái ẩm

- Số lần thí nghiệm xác định song song cho mỗi mẫu đất không ít hơn 2 lần

- Sai lệch giữ 2 lần xác định song song đối với đất đồng nhất không đợc > 0.03g/cm3

- Trị số trung bình cộng của kết quả các lần xác định song song đợc lấy làm khối lợng thể tích của mẫu đất và biểu diễn với độ chính xác đến 0.01g/cm3

Dới đây sẽ giới thiệu cách xác định khối lợng thể tích của mẫu đất bằng phơng pháp dao vòng và phơng pháp bọc sáp

c Phơng pháp dao vòng:

c.1 Dụng cụ thí nghiệm bao gồm:

- Dao vòng đã biết thể tích và khối lợng, bằng kim loại không rỉ, có mép cắt sắc, thể tích không nhỏ hơn 50cm3;

- Dao cắt có lỡi thẳng, chiều dài lớn hơn đờng kính dao vòng và cong dây thép cóp tiết diện ngang nhỏ hơn 0.2mm;

- Cân kỹ thuật có độ chính xác 0.01g và 0.1g;

- Các tấm kính phẳng để đậy mẫu trong dao vòng;

- Dụng cụ để xác định độ ẩm

c.2 Tiến hành thí nghiệm:

Dùng dao thẳng gọt bằng mặt mẫu đất và đặt mép sắc của dao vòng lên chỗ lấy mẫu Giữ dao vòng bằng tay trái, tay phải gọt xén mẫu đất dới dao vòng sao cho đờng kính mẫu đất lớn hơn đờng kính ngoài của dao vòng khoảng 1mm, sau đó ấn nhẹ dao vòng vào trụ đất theo chiều thẳng đứng, lặp lại công việc trên cho đến khi dao vòng hoàn toàn đầy đất

Dùng dao thẳng cắt gọt phần đất thừa ở 2 đầu dao vòng và đậy 2 đầu dao vòng bằng các tấm kính đã biết trớc khối lợng

Lau sạch đất bám ở thành dao vòng và các tấm kính đậy

Cân toàn bộ với độ chính xác đến 0.1% khối lợng

Sau khi cân xong, lấy một phần đất trong dao vòng đi xác định độ ẩm của đất Khối lợng thể tích của đất ẩm γW (g/cm3) đợc tính theo công thức:

V

m m m

−

−

= γ Trong đó: m1 – khối lợng dao vòng có đất và các tấm kính đậy, (g);

m2 – khối lợng dao vòng, (g);

m3 – khối lợng tấm đậy, (g);

V – thể tích của mẫu đất trong dao vòng, (cm3) Khối lợng thể tích khô γc (g/cm3) đợc tính theo công thức đã nêu trên

d Phơng pháp bọc sáp:

d.1 Dụng cụ thí nghiệm bao gồm:

- Cân thuỷ tĩnh, hoặc cân kỹ thuật có giá đỡ, độ chính xác đến 0.01g;

- Cốc thuỷ tinh đựng nớc có dung tích 500cm3;

- Sáp parafin và dụng cụ để nấu sáp;

- Kim, chỉ, giấy thấm và dao gọt đất;

- Dụng cụ xác định độ ẩm

d.2 Tiến hành thí nghiệm:

Dùng dao cắt lấy mẫu đất có tính chất điển hình cho toàn khối, cắt gọt sao cho mẫu đất có hình bầu dục với cấu trúc và độ ẩm tự nhiên, với thể tích không nhỏ hơn 30cm3

Cân để xác định khối lợng của mẫu đất trong không khí, với độ chính xác đến 0.1% khối lợng

Dùng chỉ buộc ngang mẫu đất và nhúng vào sáp nóng chảy ở nhiệt độ 57 đến

60oC trong khoảng thời gian 1 đến 2 giây Sau khi để nguội, dùng kim nung nóng châm

thủng và làm phẳng lại Nhúng lại mẫu đất vào sáp nóng chảy để mẫu đất đợc bọc kín bằng vỏ sáp có bề dày khoảng 0.5 đến 1mm

Cân mẫu đất đã bọc sáp trên cân kỹ thuật với độ chính xác đến 0.01% khối l-ợng Sau đó, xác định khối lợng mẫu đất bọc sáp ở trong nớc trên cân thuỷ tĩnh

Lấy mẫu đất bọc sáp ra khỏi nớc và lau khô bằng giấy thấm Cân lại mẫu trong không khí để kiểm tra nớc có bị thấm vào trong mẫu đất không Nếu chênh lệch giữa 2 lần cân lớn hơn 0.2% khối lợng ban đầu thì mẫu thí nghiệm bị loại bỏ và làm lại

Tháo bỏ vỏ sáp, đem mẫu đất đi xác định độ ẩm

Khối lợng thể tích của mẫu đất đợc tính bằng cm3 theo công thức:

) (

) (

1 2

m

m n p

p n

w = ρ − −ρ −

ρ ρ γ

Trong đó: m – khối lợng mẫu đất trớc khi bọc sáp, g;

m1 – khối lợng mẫu đất đã bọc sáp, g;

m2 - khối lợng mẫu đất bọc sáp cân trong nớc, g;

ρn - khối lợng riêng của nớc, lấy bằng 1.0g/cm3;

ρn - khối lợng riêng của sáp, lấy bằng 0.9g/cm3; Khối lợng thể tích khô γc (g/cm3) đợc tính theo công thức đã nêu trên

Bài 5: Phơng pháp xác định sức chống cắt

trong phòng thí nghiệm (TCVN4199:1995)

Phơng pháp này xác định sức chống cắt ở máy cắt phẳng theo một mắt định trớc của đất loại sét và đất loại cát có kết cấu nguyên dạng hoặc đợc chế bị trong phòng thí nghiệm

Phơng pháp này không áp dụng cho đất cát thô và đất sỏi sạn, đất loại sét ở trạng thái chảy và biến dạng chảy dới tác dụng của áp lực thẳng đứng σ ≤ 1 KG/cm2 trong điều kiện nở hông

a Định nghĩa:

Sức chống cắt τ của đất là phản lực của nó đối với ngoại lực ứng với lúc bắt đầu

bị phá hoại và trợt lên nhau theo một mặt nhất định

Sức chống cắt τ của mẫu đất thí nghiệm là ứng suất tiếp nhỏ nhất, đợc tính theo công thức:

F

Q

= τ Với ứng suất này, mẫu đất bị cắt theo mội mặt phẳng định trớc dới áp lực thẳng

đứng σ tính theo công thức:

F

P

= σ Trong đó:

P và Q là lực pháp tuyến và lực tiếp tuyến với mặt cắt, Niutơn (N)

F là tiết diện mặt cắt, cm2 Quan hệ giữa sức chống cắt τ và áp lực thẳng đứng σ trên mặt phẳng cắt đợc biểu diễn bằng phơng trình:

C

tg +

=σ ϕ

τ Trong đó:

tgϕ là góc ma sát trong của đất;

C là lực dính đơn vị của đất loại sét, hoặc thông số tuyến tính của đất loại cát, tính bằng KG/cm2

b Quy định chung:

Để xác định giá trị tgϕ và C của đất, cần phải tiến hành xác định τ ứng với ít nhất 3 trị số khác nhau của σ đối với cùng một phơng pháp thí nghiệm

Tuỳ thuộc vào tơng quan giữa tốc độ truyền lực nén và lực cắt, điều kiện thoát nớc của mẫu đất khi thí nghiệm, có thể phân biệt các sơ đồ thí nghiệm chính sau đây

để xác định sức chống cắt:

- Cắt nhanh không cố kết - là cắt nhanh, không đợc nén trớc (không thoát nớc, không cố kết);

- Cắt chậm cố kết - là thí nghiệm cắt tiến hành với mẫu đợc nén trớc đến ổn

định (thoát nớc, cố kết), rồi cắt chậm;

- Cắt nhanh cố kết - là thí nghiệm cắt tiến hành với mẫu đợc nén trớc đến ổn

định (thoát nớc, cố kết), rồi cắt nhanh

Các sơ đồ trên đợc lựa chọn thực hiện phải phù hợp với từng trờng hợp cụ thể, phụ thuộc vào:

- Giai đoạn thiết kế và loại công trình;

- Điều kiện làm việc của đất trong quan hệ với công trình;

- Thành phần, đặc điểm cấu trúc, trạng thái và tính chất của đất

Việc làm bão hoà mẫu đất thí nghiệm bằng nớc và nén mẫu trớc phải đợc tiến hành phù hợp với điều kiện làm việc của đất dới công trình hoặc trong thân công trình Nớc dùng để bão hoà là loại nớc uống đợc Đối với các mẫu đất có chứa muối dễ hoà tan (Na, Mg, K) thì nớc dùng bão hoà là nớc dới đất ở chỗ lấy mẫu hoặc nớc có thành phần hoá học giống với nớc dới đất

Thời gian làm bão hoà mẫu không ít hơn:

- 10 phút đối với đất cát;

- 6 giờ đối với cát pha và sét pha có chỉ số dẻo Ip ≤ 12;

- 12 giờ đối với sét pha có chỉ số dẻo Ip >12 và sét có Ip ≤ 22;

- 24giờ đối với sét có Ip từ 23 đến 35;

- 48 giờ đối với sét có Ip ≥ 35

Khi nén trớc mẫu, tăng lực nén theo từng cấp tơng ứng với áp lực thẳng đứng σ

có giá trị mỗi cấp phụ thuộc vào trạng thái của đất:

Đối với đất loại sét có độ sệt B > 1, giá trị mỗi cấp nh sau: 0.1, 0.3, 0.5, 0.75 và 1.0 KG/cm2, sau đó mỗi cấp là 0.5 KG/cm2 cho đến giá trị áp lực cuối cùng

Đối với đất loại sét có B < 0.5 và đất cát thì tăng theo cấp 0.5 KG/cm2 cho đến khi đạt 3.0 KG/cm2, sau đó tiếp tục tăng mỗi cấp 1.0 KG/cm2 cho đến giá trị áp lực cuối cùng

Thời gian mỗi cấp áp lực trung gian đợc giữ không ít hơn:

- 5 phút đối với cát;

- 30 phút đối với đất loại sét

Cấp cuối cùng đợc giữ đến khi đạt tới ổn định quy ớc về biến dạng (tức là độ biến dạng ≤ 0.01 mm sau thời gian không ít hơn 30 phút với đất cát, 3 giờ với cát pha

và 12 giờ với sét pha và sét

Giá trị áp lực nén nhỏ nhất phải bằng áp lực thiên nhiên; áp lực nén lớn nhất phải lớn hơn tổng áp lực thiên nhiên và áp lực do công trình truyền xuống

Lực cắt có thể tác dụng lên mẫu đất thành từng cấp hoặc liên tục Khi cắt chậm lực cắt đợc tăng liên tục hoặc từng cấp đảm bảo tốc độ cắt không vợt quá 0.01 mm/phút Khi cắt nhanh tốc độ cắt có thể duy trì ở 1.0 mm đến 1.5 mm/phút

Mẫu thí nghiệm sức chống cắt thờng đợc dùng là mẫu trụ tròn có đờng kính ≥

64 mm và chiều cao bằng 1/3 đến 1/2 đờng kính

Việc đo biến dạng đứng và biến dạng ngang của mẫu đợc tiến hành với độ chính xác đến 0.01 mm, các phép cân đợc tiến hành với độ chính xác đến 0.01g

Các kết quả xác định τ cũng nh việc tính toán tgϕ và C đợc biểu diễn với độ chính xác hai số lẻ thập phân, ϕ biểu diễn với độ chính xác đến 1o

c Thiết bị thí nghiệm:

Máy cắt phẳng đợc chia làm 2 loại:

- Máy cắt ứng lực - lực tác dụng trực tiếp, đợc tằng theo từng cấp

- Máy cắt ứng biến - lực cắt tác động gián tiếp, đợc tăng liên tục theo tốc độ cho trớc

Hộp cắt gồm 2 phần: Phần không di động nằm trên và phần di động nằm dới Cấu tạo của hộp cắt cần đảm bảo:

Lực cắt tác dụng đúng trên mặt phẳng và đúng trên trục đối xứng của hộp mẫu,

Có thể thêm hoặc bớt nớc ở hộp cắt, cũng nh giữ đợc độ ẩm của mẫu trong quá trình thí nghiệm

Hộp cắt phải đợc lắp trên đế vững chắc để loại trừ tác dụng động bên ngoài

Đồng hồ đo biến dạng đừng và ngang của mẫu đất phải đợc lắp trên đế cứng,

đảm bảo độ chính xác đến 0.01 mm

Quả cân dùng để tăng lực thẳng đứng phải có các cấp 0.1; 0.25; 0.5 và 1.0 KG/cm2

d Chuẩn bị mẫu thí nghiệm:

Các mẫu thí nghiệm có kết cấu và độ ẩm tự nhiên đợc cắt thành từng khối từ mẫu đất nguyên dạng và lấy vào dao vòng, đồng thời lấy một phầm mẫu đất để xác

định độ ẩm

Gạt phẳng mặt trên và dới của dao và đặt giấy thấm đã làm ẩm trớc Trong thí nghiệm cắt nhanh không thoát nớc, phải thay giấy thấm bằng giấy can hoặc nilon mỏng

Đối với các mẫu đất loại sét có kết cấu bị phá hoại và độ chặt, độ ẩm cho trớc thì phải tiến hành chế bị lại mẫu

e Tiến hành thí nghiệm xác định sức chống cắt của đất:

Sau khi truyền lên mẫu thí nghiệm áp lực nén cho trớc, rút chốt giữ hộp cắt và tạo khe hở giữa hai thớt trên và dới với khe hở khoảng 0.5 đến 1 mm

Lắp đồng hồ đo biến dạng ngang và điều chỉnh cho kim về vị trí số 0

Tác dụng ứng suất cắt nh đã nêu ở trên lấy giá trị sức chống cắt τ tại thời điểm kim đồng hồ đo lực chạy lùi hoặc dừng lại, trong khi đó biến dạng không ngừng tăng nhanh tức là giá trị τmax trên biểu đồ ∆L = f(τ)

f Tính toán và vẽ biểu đồ:

Lập biểu đồ quan hệ giữa biến dạng cắt ∆L và ứng suất cắt τ cho mỗi trị áp lực thẳng đứng σ: ∆L = f(τ)

Với máy cắt ứng biến ứng suất cắt τ (KG/cm2) đợc tính theo công thức:

τ = C.R Trong đó:

C là hệ số hiệu chỉnh, cũng là hệ số chuyển từ 0.01mm hoặc 0.001mm sang đơn

vị KG/cm2

R là số đọc của đồng hồ đo biến dạng của vòng ứng biến

Các thông số tgϕ và C của đất tính theo công thức:

2 1

2 1

1 1 1

) (

) (

i

n i n

i

n i

n i i n n

n tg

σ

σ τ σ

τ ϕ

σ Σ

Σ Σ Σ

Σ

−

−

=

∑ ∑ ∑

Σ

−

−

i i

n

i i

n i i n n

C

2 2

2 1

) (

) (

σ

σ τ σ τ

σ σ