Tiểu luận địa chất công trình nâng cao chỉ tiêu vật lý của đất các giới hạn atterberg

Số lượng thí nghiệm n để thiết lập trị tiêu chuẩn và trị tính toán các đặc trưng của đất nói chung phụ thuộc vào mức độ đồng nhất của đất nền, độ chính xác yêu cầu của tính toán các đặc

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC HÌNH ẢNH iii

DANH MỤC BẢNG BIỂU iv

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 1

1.1 Thành phần cấu trúc của đất 1

1.2 Thống kê các thông số địa chất theo TCVN 9362:2012 2

CHƯƠNG 2 CÁC CHỈ TIÊU VẬT LÝ CỦA ĐẤT 2

2.1 Các chỉ tiêu vật lý 2

2.1.1 Các chỉ tiêu khối lượng 2

2.1.2 Các chỉ tiêu trọng lượng 2

2.1.3 Các chỉ tiêu tỷ trọng 3

2.1.4 Hệ số rỗng e 3

2.1.5 Độ rỗng n 3

2.1.6 Độ ẩm (độ chứa nước) W 4

2.1.7 Thể tích riêng v 4

2.1.8 Độ bão hòa Sr 4

2.1.9 Độ chứa khí Av 4

2.2 Các phương pháp thí nghiệm 6

2.2.1 Xác định khối lượng riêng tự nhiên 6

2.2.2 Xác định khối lượng riêng khô 12

2.2.3 Xác định khối lượng riêng hạt 14

2.2.4 Xác định độ ẩm 14

2.2.5 Xác định tỉ trọng hạt 15

CHƯƠNG 3 CÁC GIỚI HẠN ATTERBERG 19

3.1 Các chỉ tiêu trạng thái đất dính 19

3.2 Các phương pháp thí nghiệm xác định Giới hạn Atterberg: 20

3.2.1 Thí nghiệm xác định Giới hạn chảy (WL hoặc LL): 20

3.2.2 Thí nghiệm xác định Giới hạn dẻo (WP hoặc PL) [7]: 26

3.2.3 Thí nghiệm xác định Giới hạn co (Ws hoặc SL): 27

2.3 Chỉ số dẻo Ip và Chỉ số chảy I L (hay Độ sệt B): 31

TÀI LIỆU THAM KHẢO 34

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Sơ đồ các thành phần cấu thành đất 1

Hình 1.2 Quy trình thiết lập trị tiêu chuẩn và trị tính toán theo TCVN 9362-2012 2

Hình 2.1 Dụng cụ thí nghiệm theo phương pháp bọc sáp 9

Hình 2.2 Dụng cụ thí nghiệm đo thể tích bằng dầu hỏa 10

Hình 2.3 Dụng cụ và thí nghiệm nón cát tại hiện trường 11

Hình 2.4 Dụng cụ thí nghiệm tỷ trọng hạt 16

Hình 3.1 Trạng thái đất dính theo độ ẩm 19

Hình 3.2 Quả dọi thăng bằng để xác định giới hạn chảy 21

Hình 3.3 Cấu tạo dụng cụ thí nghiệm theo phương pháp Côn rơi 23

Hình 3.4 Kết quả thí nghiệm xác định giới hạn chảy theo phương pháp côn rơi 24

Hình 3.5 Thí nghiệm giới hạn lỏng bằng chỏm cầu Casagrande 25

Hình 3.6 Biểu đồ xác định giới hạn chảy WL 26

Hình 3.7 Thí nghiệm xác định giới hạn dẻo của đất 27

Hình 3.8 Bộ dụng cụ thí nghiệm xác đinh giới hạn co của đất 27

Hình 3.9 Cấu tạo dụng cụ thí nghiệm xác định giới hạn co của đất 29

Hình 3.10 Giản đồ Casagrande đê xác định tên và trạng thái đất dính 33

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Công thức tính đổi các chỉ tiêu vật lý thường dùng 5

Bảng 2.2 Các phương pháp thí nghiệm xác định khối lượng riêng tự nhiên 6

Bảng 2.3 Bảng tra hệ số điều chỉnh K theo nhiệt độ 17

Bảng 2.4 Giá trị GS tham khảo cho một số loại đất 18

Bảng 3.1 Phân loại đất theo trị số IP 32

Bảng 3.2 Trạng thái đất theo độ sệt IL 32

H tạt Khí

Nướcc

1.1 Thành phần cấu trúc của đất

Đất được cấu tạo bởi 3 thành phần (3 pha), đó là: các hạt rắn (pha rắn), dungdịch hoặc nước (pha lỏng) và các chất khí (pha khí) trong lỗ rỗng Các quan hệ lẫnnhau về khối lượng và thể tích giữa các pha thành phần đóng vai trò rất quan trọngtrong việc hình thành tính chất cơ lý của đất Có thể dùng sơ đồ mô phỏng 3 pha củađất để làm rõ các khái niệm về các đặt trưng tính chất vật lý của đất

 Mw: Khối lượng nước trong lỗ rỗng

 M=Ms+Mw: Khối lượng đất (Xem khối lượng khí Ma = 0)

1.2 Thống kê các thông số địa chất theo TCVN 9362:2012

Tra T∝ từ ∝ và n(bảng A.1 - 67))

Điều 4.3.6: Xác suất tin cậy ∝ của trị tính toán các đặc trưng của đất được lấy bằng:

 ∝ = 0.95 khi tính nền theo sức chịu tải

 ∝ = 0.85 khi tính nền theo biến dạng

Điều A.4: số lượng thí nghiệm n để thiết lập trị tiêu chuẩn và trị tính toán các đặc trưng của đất.

Số lượng thí nghiệm n để thiết lập trị tiêu chuẩn và trị tính toán các đặc trưng của đất nói chung phụ thuộc vào mức độ đồng nhất của đất nền, độ chính xác yêu cầu của tính toán các đặc trưng và loại công trình, đồng thời được quy định theo chương trình nghiên cứu.

Số lượng tối thiểu của một thí nghiệm chỉ tiêu nào đó đối với mỗi đơn nguyên địa chất công

trình cần phải đảm bảo là 6 Đồng thời để tìm trị tiêu chuẩn và trị tính toán φ, c cần phải xác định

không nhỏ hơn 6 giá trị τ đối với mỗi trị số áp lực pháp tuyến p.

Số lượng thí nghiệm xác định trị tiêu chuẩn module biến dạng E bằng phương pháp nén tĩnh hiện trường ít nhất là 3 Trường hợp đặc biệt cho phép hạn chế bởi 2 giá trị E nếu các giá trị đó chênh lệch nhau không quá 25%.

CHƯƠNG 2 CÁC CHỈ TIÊU VẬT LÝ CỦA ĐẤT

2.1 Các chỉ tiêu vật lý

2.1.1 Các chỉ tiêu khối lượng

Khối lượng riêng tự nhiên (khối lượng thể tích tự nhiên): là khối lượng của một

đơn vị thể tích, ký hiệu là ρ, đơn vị tính thường là g/cm3, T/m3

ρ=ρ n=M

V

Khối lượng riêng khô: là khối lượng của một đơn vị thể tích đất khô hoàn toàn,

ký hiệu là ρd, đơn vị tính thường là g/cm3, T/m3

ρ d=M s V

Khối lượng riêng hạt: là khối lượng của một đơn vị thể tích chỉ riêng phần hạtrắn, chủ yếu phụ thuộc vào thành phần khoáng vật của đất, ký hiệu là ρs, đơn vịtính là g/cm3, T/m3

Trọng lượng riêng đẩy nổi: là trọng lượng riêng của đất dưới mực nước ngầm cóxét lực đẩy Archimède Đơn vị: KN/m3

2.1.6 Độ ẩm (độ chứa nước) W

Là tỷ số giữa trọng lượng của nước với trọng lượng hạt Độ ẩm có thể dao động

từ 0% đến 600% (đối với than non) Đơn vị: %, hay số thập phân

Bảng 2.1 Công thức tính đổi các chỉ tiêu vật lý thường dùng

Các chỉ tiêu đã biết

Chỉ tiêu cần tính



e n

s n

G w S

2.2 Các phương pháp thí nghiệm

2.2.1 Xác định khối lượng riêng tự nhiên

2.2.1.1 Các phương pháp thí nghiệm trong phòng

- Theo TCVN 4202-2012 – Phương pháp xác định khối lượng thể tích trong phòng

thí nghiệm[ CITATION TCV1 \l 1033 ] , có 3 phương pháp xác định khối lượng

riêng tự nhiên của đất với phạm vi ứng dụng của từng loại đất như sau:

Bảng 2.2 Các phương pháp thí nghiệm xác định khối lượng riêng tự nhiên

PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM PHẠM VI ỨNG DỤNG

Phương pháp bọc sáp Đất không cắt được bằng dao vòng do có sỏi

dạn, khi cắt dễ vỡ, lưu ý là cỡ hạt phải không quá 5mm

Phương pháp đo thể tích bằng dầu hỏa Đất dính, đất than bùn, đất chứa nhiều tàn

tích thực vật ít phân hủy hay khó lấy mẫu theo 2 phương pháp trên

+ dtrong≥50 mm đối với đất cát bụi và đất cát mịn.

+ dtrong≥100 mm đối với đất cát thô và đất lẫn sỏi sạn

 Chiều dày thành dao:

+ t = 1,50 – 2,00 mm đối với đất cát bụi, đất cát mịn, đất cát thô, đất lẫn sỏi sạn

+ t = 0,04 mm đối với đất loại sét đồng nhất

Trình tự thí nghiệm như sau:

Bước 1: dùng thước kẹp đo đường kính trong (d) và chiều cao (h) của dao vòng

→ tính toán thể tích của dao vòng (V) bằng cm³ với độ chính xác đến chữ số thập phân thứ hai, sau dấu phẩy Cân để xác định khối lượng của dao vòng (m2) với độ chính xác đến 0,1 % khối lượng

Bước 2: dùng dao thẳng gọt bằng mặt mẫu đất và đặt đầu sắc của dao vòng lên

chỗ lấy mẫu Giữ dao vòng bằng tay trái và dùng dao thẳng gọt xén dưới dao vòng trụ đất có chiều cao khoảng từ 1 cm đến 2 cm và đường kính lớn hơn đường kính ngoài của dao vòng khoảng từ 0,5 mm đến 1 mm Sau đó ấn nhẹ dao vòng vào trụ đất theo chiều thẳng, có thể dùng kèm dụng cụ định hướng Tiếp tục gọt khối đất và

ấn dao vòng cho đến khi dao vòng hoàn toàn đầy đất Để đất không bị nén khi ấn dao vòng, nên lắp thêm vòng đệm lên phía trên dao vòng

Bước 3: lấy vòng đệm ra, dùng dao thẳng cắt gọt phần đất thừa nhô lên trên

miệng dao vòng và đậy lên trên dao vòng một tấm kính (hoặc tấm kim loại) phẳng

đã được cân trước (m3) Cắt đứt trụ cách mép dưới của dao vòng khoảng 10 mm Với đất loại cát, sau khi dao vòng đã ấn ngập xuống rồi thì dùng dao thẳng đào gọt đất xung quanh dao vòng và dùng công cụ nhỏ dạng xẻng lấy cả phần đất phía dưới lên Tiếp theo, lật ngược dao vòng có đất, sau đó gạt bằng mặt và đậy dao vòng bằng một tấm kính (hoặc kim loại) giống mặt kia

Bước 4: cân dao vòng có mẫu đất và các tấm đậy ở hai mặt với độ chính xác đến

0,1% khối lượng (m1) auk hi cân xong, lấy một phần đất trong dao vòng cho vào *các hộp có khối lượng đã biết trước hoặc lấy toàn bộ đất trong dao vòng đem sấy khô để xác định độ ẩm của đất

Bước 5: tính khối lượng riêng theo công thức sau:

V

Trong đó:

+ m 1 là khối lượng dao vòng có đất và các tấm đậy, tính bằng gam (g).

+ m 2 là khối lượng dao vòng, tính bằng gam (g)

+ m 3 là khối lượng các tấm đậy, tính bằng gam (g).

+ V là thể tích của mẫu đất trong dao vòng, tính bằng xentimet khối (cm³).

Trình tự thí nghiệm như sau:

Bước 1: cắt gọt các góc cạnh của mẫu đất thí nghiệm để nó có hình bầu dục với

cấu trúc nguyên trạng và độ ẩm tự nhiên, với thể tích không nhỏ hơn 30 cm³ Cân

để xác định khối lượng của mẫu đất trong không khí, với độ chính xác đến 0,1%khối lượng (m)

Bước 2: sau khi đã nấu chảy sáp, dùng chỉ buộc mẫu và nhúng nó vào sáp nóng

chảy ở nhiệt độ từ 57°C đến 60°C trong 1-2 giây Lúc đầu, nhúng một phía, sau đólật phía khác Sau khi để nguội, loại trừ những bọt khí tạo thành trên lớp sáp bằngcách dùng mũi kim nung nóng châm thủng và làm phẳng lại Sau đó, nhúng thêmlần nữa để mẫu đất được bọc kín một vỏ sáp dày khoảng từ 0,5 mm đến 1 mm Cânmẫu đất trong không khí với độ chính xác đến 0,1% khối lượng (m1)

Bước 3: đặt một cốc nước lên bệ nằm phía trên đĩa cân thủy tĩnh (xem hình bên

dưới), sao cho khối lượng của nó không truyền lên cánh tay đòn của cân Buộc vàođầu mẫu đất bọc sáp một sợi chỉ nhỏ dài đủ để mẫu chìm hoàn toàn trong nước màkhông chạm đáy, treo lên cánh tay đòn của cân và thả nhẹ nhàng vào cốc nước Xácđịnh khối lượng của mẫu đất bọc sáp ở trong nước bằng cân thuỷ tĩnh hoặc cân kĩthuật với độ chính xác đến 0,1% khối lượng (m2)

Bước 4: lấy mẫu đất bọc sáp ra khỏi nước và lau khô bằng giấy thấm Sau đó

cân lại trong không khí một lần nữa để kiểm tra xem nước có thấm vào mẫu đất hay

không Nếu sự chênh lệch khối lượng giữa hai lần cân lớn hơn 0,2 % khối lượngban đầu của mẫu bọc sáp, thì phải vứt bỏ mẫu thí nghiệm đi và chuẩn bị lại mẫukhác.

Bước 5: tháo bỏ lớp vỏ sáp và đặt tất cả mẫu đất vào trong một cốc khác đã biết

trước khối lượng, để xác định độ ẩm của đất Nếu khi tháo bỏ vỏ sáp mà đất bị dínhtheo, thì phải cân lại khối lượng đất ướt trước khi đem sấy khô đến khối lượngkhông đổi

Bước 6: Khối lượng thể tích của mẫu đất được tính bằng g/cm3 theo công thức sau:

+ m là khối lượng mẫu đất trước khi bọc sáp (g);

+ m1 là khối lượng mẫu đất đã bọc sáp (g);

+ m2 là khối lượng mẫu đất bọc sáp cân trong nước (g);

+ n là khối lượng riêng của nước, lấy bằng 1 g/cm³

+ p là khối lượng riêng của sáp, p = 0,9 g/cm³ (hoặc xác định trước)

c) Phương pháp đo thể tích bằng dầu hỏa

Dụng cụ thí nghiệm:

o Bình thủy tinh lớn có đường kính 35 mm, cao không dưới 200

mm, thể tích không nhỏ hơn 200 cm3, có gắn ống thủy tinh

Hình 2.3 Dụng cụ thí nghiệm theo phương pháp bọc sáp

thông nhau có đường kính không quá 5 mm (xem Error:Reference source not found).

o Lưới thép tạo hình giỏ xách (xem Error: Reference source notfound) để chứa mẫu Phần giỏ chứa mẫu cao khoảng 50 mm,đáy phải có đường kính nhỏ hơn bình thủy tinh khoảng 5 mm(xem Error: Reference source not found)

Chú ý: trước khi làm thí nghiệm phải chia vạch thể tích ống thủy tinh như sau:

Đổ nước vào bình sao cho mực nước dâng đến khoảng 1/3 ống thủy tinh nhỏ,cân bình nước (m1)

Đổ nước thêm vào đến khi mực nước gần bằng chiều cao ống thủy tinh thì cânlại bình và nước (m2)

Từ hiệu số (m2 – m1) ta suy ra thể tích nước thêm vào tương ứng độ tăng cộtnước Dựa vào đó ta vạch thêm các vạch để chia thể tích cho ống thủy tinh, biếnống thủy tinh thành thước đo thể tích chất lỏng trong bình chứa

Trình tự thí nghiệm:

Bước 1: thả lưới thép vào bình đựng nước để xác định thể tích lưới thép (Vlưới)

Bước 2: dùng dao gọt mẫu sao cho thể tích không nhỏ hơn 50 cm3, có thể để gọntrong lưới thép, chiều cao không quá 2 lần chiều cao lưới thép Cân mẫu này (M)(sai số không quá 0.1% khối lượng)

Bước 3: để mẫu vào lưới thép rồi thả lưới thép ngập vào bình đựng dầu hỏa rồi

giữ ở đó đến khi không còn bọt khí thoát ra Lúc này mẫu sẽ được bão hòa bằngdầu hỏa Sau đó lấy mẫu ra để bên ngoài cho dầu hỏa thừa chảy ra hết

Hình 2.2 Dụng cụ thí nghiệm đo thể tích bằng dầu

hỏa

Bước 4: đặt bình đựng dầu hỏa lên mặt phẳng, điều chỉnh cho thật ngang bằng,

đổ dầu hỏa vào cho mặt khum dưới của dầu hỏa tới 1/3 ống thủy tinh, đánh dấu mặtkhum này (với độ chính xác 0.25 vạch chia)

Bước 5: thả lưới thép có mẫu đã bão hòa dầu hỏa vào, đánh dấu mặt khum dưới

của dầu hỏa lúc này (với độ chính xác 0.25 vạch chia) Hiệu số thể tích 2 lần đo này

là thể tích của lưới thép và mẫu (Vlưới+mẫu).

Bước 6: lấy mẫu ra khỏi lưới thép, đặt vào cốc đã biết trước khối lượng, đem sấy

khô để xác định độ ẩm

Bước 7: xác định thể tích mẫu và khối lượng riêng mẫu đất theo công thức:

Vmẫu = Vlưới+mẫu – Vlưới ; luoi mau luoi

2.2.1.2 Các phương pháp thí nghiệm hiện trường

Ngoài các phương pháp thí nghiệm trong phòng như trên, trong trườnghợp cát hoặc đất chứa nhiều hạt to dính ít không lấy mẫu nguyên dạng được cóthể đo tại hiện trường như thí nghiệm nón cát hay suy từ kết quả hiện trườngnhư xuyên động (SPT), hoặc xuyên tĩnh (CPT), đo vận tốc sóng đi qua lớp đấtnày từ đáy hố khoan dò

Phương pháp nón cát

Theo ASTM D1556 [ CITATION AST4 \l 1033 ] trình tự thí nghiệm như sau:Đào hố thí nghiệm

Cân mẫu đất đào lên (M)

Cát dùng thí nghiệm phải khô, sạch, có cỡ hạt lớn nhất phải lọt qua sàng No.10(đường kính lỗ ray 2mm) và phải ít hơn 3% lọt sàng No.60 (0.025mm) Ngoài ra

Hình 2.4 Dụng cụ và thí nghiệm nón cát tại hiện trường

2.2.2 Xác định khối lượng riêng khô

Theo TCVN 4195:2012 - Đất xây dựng - Phương pháp xác định khối

lượng riêng trong phòng thí nghiệm[ CITATION TCV2 \l 1033 ], để có khối

lượng phần hạt cứng Ms, ta sấy mẫu đất ở 105oC trong 24 giờ đến khối lượngkhông đổi để loại hết nước trọng trường và nước hút bám

s d

M V

 

Có 2 phương pháp xác định khối lượng riêng khô của đất:

Phương pháp dùng nước cất Đất không chứa muối

Kết quả thí nghiệm:

- Đối với mỗi mẫu đất, cần phải tiến hành song song 2 mẫu, kết quả 2 mẫuphải không được chênh lệch quá 0.02 g/cm3 Khối lượng riêng của đất là giátrị trung bình của 2 lần thí nghiệm này

- Cần phải sử dụng nước cất trong trường hợp đất không chứa muối và dùngdầu hỏa trong trường hợp đất có chứa muối

 Bằng phương pháp chia tư lấy 100g đến 200g đất nghiền cho qua rây

N02

 Sấy đất lọt qua rây ở nhiệt độ 1050C đến khối lượng không đổi Sau

đó đem 15g bột đất cho vào bình tỷ trọng

Trình tự thí nghiệm:

 Bước 1: Cân khối lượng bình tỷ trọng và đất rồi đem trừ khối lượng

bình tỷ trọng được khối lượng m 1

Khối lượng khô tuyệt đối m 0:

1 0

1 0.01 h

m m

 Bước 2: Để không khí thoát ra phải đổ nước cất vào một nửa bình tỷ

trọng rồi đun sôi, lắc đều Thời gian đun đối với đất cát và cát pha là

30 min, đất sét và sét pha là 1h Sau đó để nguội huyền phù (nước vàđất) ở nhiệt độ phòng

 Bước 3: Cân bình chứa đầy huyền phù được khối lượng m2

 Bước 4: Đổ huyền phù ra và rửa sạch bình, sau đó cho nước cất đun

sôi vào bình và làm nguội đến nhiệt độ của huyền phù Cân bình tỷtrọng chứa nước được khối lượng m3

 Bước 5: Xác định khối lượng riêng khô:

 : khối lượng riêng của nước xác định ở nhiệt độ phòng

Phương pháp dùng dầu hỏa:

Chuẩn bị thí nghiệm:

 Bằng phương pháp chia tư lấy 100g đến 200g đất nghiền cho qua rây

N02

 Sấy đất lọt qua rây ở nhiệt độ 1050C đến khối lượng không đổi Sau

đó đem 15g bột đất cho vào bình tỷ trọng

Trình tự thí nghiệm:

 Bước 1: Cân khối lượng bình tỷ trọng và đất rồi đem trừ khối lượng

bình tỷ trọng được khối lượng m 1

Khối lượng khô tuyệt đối m 0:

1 0

1 0.01 h

m m

 Bước 2: Để không khí thoát ra phải đổ dầu hỏa vào một nửa bình tỷ

trọng rồi đun sôi, lắc đều Thời gian đun đối với đất cát và cát pha là

30 min, đất sét và sét pha là 1h Sau đó để nguội huyền phù (dầu hỏa

và đất) ở nhiệt độ phòng

 Bước 3: Cân bình chứa đầy huyền phù được khối lượng m2

 Bước 4: Đổ huyền phù ra và rửa sạch bình, sau đó cho dầu hỏa vào

bình và làm nguội đến nhiệt độ của huyền phù Cân bình tỷ trọng chứadầu hỏa được khối lượng m3

 Bước 5: Xác định khối lượng riêng khô:

 : khối lượng riêng của dầu hỏa xác định ở nhiệt độ phòng

2.2.3 Xác định khối lượng riêng hạt

Để có thể tích phần hạt cứng Vs, ta cho mẫu đất đã sấy khô vào bình nước

đã biết thể tích rồi đo thể tích nước bị hạt chiếm chổ Có thể loại bỏ bọt khí bằng cách hút chân không hay đun nóng hỗn hợp đất và nước

s s

s

M V