Nghiên cứu cải tiến phương pháp xác định giới hạn chảy của đất bằng chùy xuyên trong TCVN 4197-1995

Bài viết này tổng hợp các kết quả đã được nghiên cứu về giới hạn chảy của đất theo phương pháp chùy xuyên và phương pháp Casagrande. Bên cạnh đó, bài báo cũng đề xuất phương pháp cải tiến chùy xuyên kiểu Anh và phương pháp xác định giới hạn chảy của đất cho phù hợp với TCVN 4197-1995.

THÔNG BÁO KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ* SỐ 1-2012 39 NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH GIỚI HẠN CHẢY CỦA ĐẤT BẰNG CHÙY XUYÊN TRONG TCVN 4197-1995 KS Nguyễn Thanh Danh Khoa X y d ng, tr ng HXD Miền Trung TÓM TẮT: Giới hạn chảy đất tiêu vật lý quan trọng việc phân loại đánh giá trạng thái đất loại sét (đất dính) Tuy nhiên, tiến hành thí nghiệm xác định giới hạn chảy đất chùy xuyên Vaxiliev theo TCVN 4197-1995 lại gặp số khó khăn Bài báo tổng hợp kết nghiên cứu giới hạn chảy đất theo phương pháp chùy xuyên phương pháp Casagrande Bên cạnh đó, báo đề xuất phương pháp cải tiến chùy xuyên kiểu Anh phương pháp xác định giới hạn chảy đất cho phù hợp với TCVN 4197-1995 Từ khóa: Giới hạn chảy đất; Các giới hạn Atterberg; Vaxiliev; Casagrande GIỚI THIỆU Theo định nghĩa Atterberg (1911), giới h n chảy đất dính (WL) độ ẩm mà th c thí nghiệm nhiều lần độ lún chùy xuyên đ t 10mm 10 gi y b) Việc đọc độ lún chùy xuyên đó, đất chuyển từ tr ng thái dẻo sang tr ng thái chảy Hiện phịng thí nghiệm địa kỹ thuật sử dụng hai ph ơng pháp xác định giới h n chảy đất: ph ơng mức 10mm đ ợc ớc l ợng mắt th ng d a vào v ch chia 10mm sẵn có bề mặt chùy xun nên độ xác khơng cao pháp Casagrande ho t động theo nguyên lý “động” ph ơng pháp chùy xuyên (xuyên côn) ho t động theo nguyên lý “tĩnh” ể xác định giới h n chảy đất chùy Nghiên cứu nhằm mục đích khắc phục hai nh ợc điểm Từ rút ngắn th i gian thí nghiệm, thao tác thí nghiệm dễ dàng nh ng đảm bảo độ xác, đáp xuyên, theo Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 4197-1995) quy định chùy xun hình nón (chùy xun Vaxiliev, kiểu Nga) có góc đỉnh 30o, khối l ợng 76g lún t vào cốc đất 10mm sau 10 gi y Lúc đất tr ng thái chảy Tuy nhiên, qua th c tế sử dụng cho thấy ph ơng pháp sử dụng dụng cụ chùy ứng đ ợc yêu cầu học tập, nghiên cứu sản xuất xuyên theo TCVN 4197-1995 có hai nh ợc điểm: a) Mất nhiều th i gian ng i khơng có nhiều kinh nghiệm phải đ ng đất rơi từ độ cao 10mm xuống ch n đế (làm gỗ cao su) t o l c va đập, nh đó, hai khối đất hai bên rãnh cắt rộng 2mm (Hình 1c) “chảy” CÁC PHƢƠNG PHÁP VÀ TIÊU CHUẨN XÁC ĐỊNH GIỚI HẠN CHẢY CỦA ĐẤT 2.1 PHƢƠNG PHÁP CASARANDE Dụng cụ Casagrande (Hình 1) ho t động theo nguyên lý “động”: chỏm cầu THÔNG BÁO KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ* SỐ 1-2012 40 xuống khép kín rãnh cắt Khi rãnh cắt 13mm đ t đ ợc sau 25 lần rơi chỏm cầu khép liền l i đo n 13mm (Hình độ ẩm mẫu đất lúc đ ợc xem 1d) thí nghiệm kết thúc Nếu vết khép giới h n chảy đất b) a) (Dụng cụ quay đập) c) d) (Dao trộn) (Dao tạo rãnh) 13mm (Mẫu đất) (Hộp ẩm) Hình Dụng cụ Casagrande để xác định giới hạn chảy đất Hiện có hai lo i dụng cụ Casagrande đ ợc sử dụng n ớc: lo i theo tiêu chuẩn ASTM lo i theo tiêu chuẩn BS Hai lo i dụng cụ giống nguyên lý ho t động, khác độ cứng ch n đế Ch n đế dụng cụ Casagrande theo tiêu chuẩn BS th ng đ ợc gọi “đế mềm”, theo tiêu chuẩn ASTM đ ợc gọi “đế cứng” Dụng cụ Casagrande ngày bộc lộ nhiều nh ợc điểm, chủ yếu là: a) s khó khăn phải t o rãnh cho lo i đất chứa nhiều cát bụi; b) đất có tính dẻo thấp có khuynh h ớng tr ợt dọc theo rãnh cắt “chảy dẻo” để khép kín rãnh cắt; c) đất có tính dẻo thấp có khuynh h ớng hóa lỏng bị rung động (Sherwood Ryley, 1970); Do vậy, nhà nghiên cứu nỗ l c tìm kiếm ph ơng pháp thí nghiệm khác khắc phục nh ợc điểm ph ơng pháp Casagrande 2.2 PHƢƠNG PHÁP CHÙY XUYÊN Các kết nghiên cứu Skempton Northey (1953), Youssef, el Ramli el Demery (1965) cho thấy sức kháng cắt khơng n ớc đất tr ng thái giới h n chảy hầu nh không thay đổi cho tất lo i đất dính Vì vậy, việc sử dụng dụng cụ chùy xun hình nón đo nhanh sức kháng cắt khơng n ớc để xác định giới h n chảy đất hợp lý Các nhà nghiên cứu thống với rằng, việc sử dụng dụng cụ chùy xuyên để xác định giới h n chảy lo i bỏ đ ợc nh ợc điểm a) b) nh ng khắc phục đ ợc nh ợc điểm c) dụng cụ Casagrande Nếu nh dụng cụ Casagrande có hai d ng dụng cụ chùy xuyên l i đa d ng Các lo i chùy xuyên đ ợc chia thành hai nhóm chính: nhóm sử dụng chùy xun có góc đỉnh 60°; nhóm sử dụng chùy xuyên có góc đỉnh 30° Ở nhóm, chùy xuyên có khối l ợng độ lún quy ớc giới h n chảy khác Bảng trình bày nhóm chùy xun (ph n lo i theo hình d ng, khối l ợng quốc gia sử dụng) THÔNG BÁO KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ* SỐ 1-2012 41 Bảng Phân nhóm chùy xuyên xác định giới hạn chảy [5] Chùy xuyên Nhóm A B Phụ nhóm A1 A2 B1 B2 B3 Quốc gia sử dụng Thụy iển, Na Uy, Canada Nhật Nga n ớc khác Trung Quốc Anh, New Zealand Góc đỉnh Khối l ợng (o) (g) 60 60 30 76 80 ộ lún WL (mm) 10 11,5 10 17 20 Sức kháng cắt WL (kPa) 1,83 1,38 4,52 3,50 2,66 a) Trên mặt nón có b) Sử dụng th ớc c) Sử dụng đồng hồ d) Sử dụng tế bào quang điện khắc v ch đánh dấu thẳng để đo độ lún so để đo độ lún để đo độ lún ứng với độ lún 10mm Hình Các lo i chùy xuyên xác định giới h n chảy đ ợc sử dụng Ngoài s đa d ng thông số kỹ thuật chùy xuyên, lo i chùy xuyên khác nguyên lý đo độ lún Hình 2a đ i diện cho dụng cụ chùy xuyên đ ợc sử dụng Nga n ớc khác Trên dụng cụ khơng có th ớc để đo độ lún mà khắc v ch đánh dấu ứng với độ lún 10mm bề mặt chùy xuyên ộ xác xác định độ lún chùy xun lo i khơng cao Hình 2b sử dụng th ớc thẳng để đo độ lún ối với dụng cụ chùy xuyên hình 2c, độ xác xác định độ lún chùy xuyên tăng lên đáng kể Th ớc thẳng nh hình 2b đ ợc chuyển thành “th ớc tròn” Trên mặt đồng hồ có 360 v ch chia, v ch ứng với 0,1mm Sau đó, nhà nghiên cứu chuyển từ nguyên lý đo độ lún dụng cụ học sang nguyên lý đo lún thiết bị điện tử, n ng cao độ xác xác định độ lún (Hình 2d) NHẬN XÉT 1) Cả hai ph ơng pháp Casagrande chùy xuyên dùng để xác định giới h n chảy đất đ ợc đ a vào nhiều tiêu chuẩn khác nh sau: a) Ph ơng pháp Casagrande: TCVN 4197-1995; BS 1377: Part 2: 1990; AASHTO T89-90; ASTM D4318-00 b) Ph ơng pháp chùy xuyên: TCVN 4197-1995; BS 1377: Part 2: 1990 2) Theo Sridharan Prakash (2000): giới h n chảy xác định dụng cụ Casagrande đế cứng (ASTM) đế mềm (BS) không t ơng đồng ối với đất có tính dẻo thấp, giới h n chảy xác định dụng cụ chùy xuyên thấp so với dụng cụ Casagrande; đất có tính dẻo cao kết ng ợc l i 3) Cho đến nay, nhà nghiên cứu đồng ý rằng, WL khơng q 100% kết THƠNG BÁO KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ* SỐ 1-2012 thí nghiệm dụng cụ chùy xuyên (kiểu Anh) t ơng đ ơng với dụng cụ Casagrande đế mềm (BS) 4) Ph ơng pháp chùy xun có tính định l ợng nhiều so với ph ơng pháp Casagrande, kết thí nghiệm từ dụng cụ chùy xun có độ hội tụ tốt hơn, phụ thuộc vào “cảm tính” thí nghiệm viên so với ph ơng pháp Casagrande, nên ph ơng pháp thí nghiệm chùy xuyên ngày đ ợc sử dụng phổ biến so với ph ơng pháp Casagrande 5) Theo Serge Jean Pierre (1996), khoảng độ lún từ 10 đến 30mm chùy xuyên có góc đỉnh 30o quan hệ độ lún độ ẩm quan hệ tuyến tính, với s t ơng đồng thơng số kỹ thuật góc đỉnh 30o chùy xuyên kiểu Nga (TCVN 4197-1995) chùy xuyên kiểu Anh (BS 1377: Part 2: 1990), để xác định giới h n chảy đất theo TCVN 4197-1995, tác giả viết đề xuất sử dụng dụng cụ chùy xuyên kiểu Anh đ ợc cải tiến sở: a) iều chỉnh giảm khối l ợng chùy xuyên từ 80g xuống 76g; b) ộ ẩm đất giới h n chảy đất ứng với độ lún 10mm chùy xuyên Hình Chùy xuyên kiểu Anh KẾT LUẬN 42 đ ợc xác định theo nguyên lý tiêu chuẩn BS 1377: Part 2: 1990; NỘI DUNG CẢI TIẾN PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH GIỚI HẠN CHẢY CỦA ĐẤT Trình t b ớc tiến hành thí nghiệm số thiết bị khác kèm, giống nh TCVN 4197-1995 Tuy nhiên ph ơng pháp cải tiến có số điều chỉnh chùy xuyên ph ơng pháp xác định độ ẩm giới h n chảy nh sau: 1) Thay chùy xuyên kiểu Nga (Hình 2a) chùy xuyên kiểu Anh với nguyên lý đo lún đồng hồ so (Hình 2c) thiết bị điện tử (Hình 2d) nhằm đ t độ xác cao; 2) Bỏ bớt viên bi chì chùy xuyên cho khối l ợng chùy xuyên giảm từ 80g xuống cịn 76g (Hình 3); 3) Tiến hành xuyên xác định điểm biểu đồ có độ ẩm khác ứng với độ lún chùy xuyên thay đổi khoảng từ đến 20mm với th i gian lún chùy xuyên lần 10 gi y, vẽ đ ng thẳng qua gần điểm này, giới h n chảy đất độ ẩm đất ứng với độ lún chùy xuyên 10mm (Hình 4) Hình Biểu đồ xác định độ ẩm WL Từ th c tiễn nghiên cứu qua phân tích nêu trên, tác giả rút kết luận kiến nghị sau: THÔNG BÁO KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ* SỐ 1-2012 43 1) Giới h n chảy đất xác định từ với th i gian lún chùy xuyên lần dụng cụ chùy xuyên kiểu Anh có độ tin cậy 10 gi y để xác định giới h n chảy ứng với độ cao so với xác định từ dụng cụ lún 10mm dễ dàng th c 5) Bộ thiết bị chùy xuyên ph ơng Casagrande 2) Việc xác định giới h n chảy đất dụng cụ chùy xuyên Vaxiliev theo TCVN 4197-1995 gặp khó khăn phải thử pháp xuyên cải tiến áp dụng để xác định độ ẩm giới h n chảy đất theo tiêu chuẩn Trung Quốc nhiều lần xuyên để đ t độ lún 10mm 10 gi y ộ lún chùy xuyên 10mm phải 6) ể sử dụng hiệu thiết bị thí nghiệm đáp ứng đ ợc tiêu chuẩn thí ớc chừng mắt th xác khơng cao ng nên có độ nghiệm TCVN; BS; ASTM; AASHTO, phịng thí nghiệm địa kỹ thuật cần thiết phải 3) Sử dụng chùy xuyên kiểu Anh có trang bị chùy xuyên kiểu Anh (lo i có điều chỉnh thông số kỹ thuật khối l ợng mũi xuyên kết hợp với thiết bị đo lún đồng hồ đo lún học hay điện tử) dụng cụ Casagrande đồng hồ so đồng hồ điện tử cho kết đo lún có độ xác cao 4) Ph ơng pháp vẽ đ ng thẳng qua gần điểm có độ ẩm khác ứng với độ lún chùy xuyên từ đến 20mm TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] ASTM D4318-00 Test Methods for Liquid Limit, Plastic Limit, and Plasticity Index of Soils (2000) [2] BS 1377: Part Methods of test for soils for civil engineering purposes (1990) [3] AASHTO T89-90 Standard Specification for Determining the Liquid Limit of Soils [4] TCVN 4197-1995 Đất xây dựng Phương pháp xác định giới hạn dẻo giới hạn chảy phịng thí nghiệm, Nhà xuất X y d ng (1995) [5] Phan Thị San Hà, Lê Minh Sơn Các phương pháp xác định giới hạn chảy đất mối tương quan chúng, Science & Technology Development, Vol 12, No.05-2009  ... bị chùy xuyên ph ơng Casagrande 2) Việc xác định giới h n chảy đất dụng cụ chùy xuyên Vaxiliev theo TCVN 4197-1995 gặp khó khăn phải thử pháp xuyên cải tiến áp dụng để xác định độ ẩm giới h n chảy. .. [4] TCVN 4197-1995 Đất xây dựng Phương pháp xác định giới hạn dẻo giới hạn chảy phịng thí nghiệm, Nhà xuất X y d ng (1995) [5] Phan Thị San Hà, Lê Minh Sơn Các phương pháp xác định giới hạn chảy. .. DUNG CẢI TIẾN PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH GIỚI HẠN CHẢY CỦA ĐẤT Trình t b ớc tiến hành thí nghiệm số thiết bị khác kèm, giống nh TCVN 4197-1995 Tuy nhiên ph ơng pháp cải tiến có số điều chỉnh chùy xuyên