4.3.1. Nguyên lí của phƣơng pháp
Đất là vật thể rời rạc phân tán và có nhiều lỗ rỗng vì vậy dƣới tác dụng của các tác động cơ học nhƣ rung, nén, nện các hạt đất chuyển động tƣơng đối với nhau tạo nên một kết cấu chặt hơn. Các tính chất chủ yếu ảnh hƣởng tới việc đầm chặt là thành phần hạt, độ ẩm của đất và công đầm nén.
Độ chặt sau khi lu lèn của lớp kết cấu áp đƣờng bằng vật liệu hạt càng lớn thì cƣờng độ (khả năng chống biến dạng) của nó càng cao. Do vậy, trên thế giới các nhà chuyên môn từ lâu đã đặt ra vấn đề nghiên cứu tỷ lệ phối hợp giữa các cỡ hạt có kích thƣớc khác nhau nhƣ thế nào để có thể tạo đƣợc một hỗn hợp vật liệu hạt có độ chặt lớn nhất sau khi chúng đƣợc đầm nén. Để đạt đƣợc mục tiêu này, có một số tác giả đã dựa vào các mô hình lý thuyết miêu tả các viên bi đƣờng kính nhỏ đƣợc chèn vào khe rỗng giữa các viên bi có đƣờng kính lớn hơn nhƣ Fuller, Talbot, Weymouth để từ đó đƣa ra cách xác định thành phần cấp phối hạt có khả năng đạt đƣợc độ chặt lớn nhất. Trong khi đó ở nhiều nƣớc lại tiến hành theo hƣớng thực nghiệm: cho thay đổi tỷ lệ phối hợp giữa các cỡ hạt của mỗi loại vật liệu rồi tiêếnhành đầm nén chúng trong cùng một điều kiện nhƣ nhau ( ví dụ nhƣ thí nghiệm đầm nén trong cối Proctor với công tiêu chuẩn) rồi từ đó tìm ra tỷ lệ phối hợp cho độ chặt đạt đƣợc lớn nhất.
Trong thực tế rất khó có thể tạo đƣợc một cấp phối hạt nhƣ ý muốn bằng cách pha trộn các cỡ hạt với nhau, mà ta chỉ có thể lựa chọn bãi khai thác đất có cấp phối hạt tự nhiên tƣơng đối phù hợp với việc đầm chặt. Nhƣng độ ẩm của đất khi đầm nén và công đầm nén thì ta có thể lựa chọn đƣợc những giá trị tốt nhất trong điều kiện cụ thể của công trình. Việc lựa chọn này dựa trên cơ sở của thí nghiệm Proctor. Nguyên lí cơ bản của thí nghiệm nhƣ sau:
Do các hạt đất có kích thƣớc lớn nhỏ khác nhau, trên bề mặt tiếp xúc giữa chúng luôn có một lực ma sát nhất định. Nếu đất khô, độ ẩm nhỏ thì công đầm nén sẽ tiêu hao vào việc khắc phục lực ma sát giữa các hạt đất trong quá trình dịch chuyển mà không làm cho đất chặt lại bao nhiêu, khả năng liên kết giữa
các hạt là nhỏ. Ngƣợc lại khi độ ẩm của đất quá lớn thì màng nƣớc liên kết dày sẽ đẩy các hạt đất ra xa nhau làm cho đất không thể chặt lại đƣợc. Hơn nữa, nƣớc nhiều làm cho các hạt sét trƣơng nở làm cho thể tích khối đất tăng lên so với khi đất khô, dẫn đến khối lƣợng thể tích khô của đất giảm (đất không chặt). Bởi vậy, với một công đầm nén xác định cần có một độ ẩm của đất thích hợp sao cho có thể giảm lực ma sát giữa các hạt khi dịch chuyển nhƣng không tạo nên sự ngăn cách giữa các hạt với nhau. Độ ẩm đó gọi là độ ẩm tối ƣu. Khi đó công đầm nén sẽ có hiệu quả cao nhất, tức là làm cho đất chặt nhất. Độ chặt lớn nhất của đất đạt đƣợc khi đầm nén với độ ẩm tối ƣu gọi là độ chặt tiêu chuẩn và thƣờng thể hịên qua giá trị thể tích khô lớn nhất.
Để nghiên cứu quan hệ độ ẩm đầm nén và khối lƣợng thể tích khô của đất ta phải đầm nén các mẫu bằng bộ đầm tiêu chuẩn hoặc bộ đầm nén cải tiến theo một trình tự qui định rồi xác định độ ẩm và khối lƣợng thể tích khô của đất sau khi đầm.
Thí nghiệm đƣợc lặp lại nhiều lần với các mẫu có độ ẩm tăng dần, nhƣ vậy sẽ xác định đƣợc nhiều điểm của đƣờng cong biểu diễn sự thay đổi của khối lƣợng thể tích khô theo độ ẩm, rồi vẽ đƣờng cong nối liền các điểm thí nghiệm. Đƣờng cong này có một cực đại mà hoành độ là độ ẩm tối ƣu còn tung độ là khối lƣợng thể tích khô lớn nhất.
Căn cứ vào thành phần của hạt đất nghiên cứu tại tuyến đƣờng và dựa theo Qui trình đầm nén đất đá dăm trong phòng thí nghiệm 22TCN 333- 06, đề tài sử dụng phƣơng pháp I- D có các thông số đƣợc ghi ở bảng 4-3.
Bảng 4-3: Các thông số kĩ thuật phương pháp I – D
TT Thông số kĩ thuật Các giá trị Đơn vị
1 Chày đầm 2,5 kg
2 Chiều cao rơi 305 mm
3 Đƣờng kính trong của cối đầm 152,4 mm
4 Cỡ hạt lớn nhất khi đầm 19,0 mm
5 Chiều cao cối đầm 116,43 mm
7 Số chày đầm trên lớp 56 chày/lớp
4.3.2. Nội dung thí nghiệm
a. Dụng cụ thí nghiệm
- Bộ đầm nén cải tiến (I - D). - Dụng cụ tháo mẫu.
- Cân: một chiếc có khả năng cân đƣợc đến 15kg với độ chính xác 100g (để xác định khối lƣợng thể tích ƣớt của mẫu), một chiếc có khả năng cân đƣợc đến 800g, độ chính xác 0,01g (để xác định độ ẩm của mẫu).
- Tủ sấy: loại có bộ phận cảm biến nhiệt để duy trì nhiệt độ ở mức 110oC dùng để sấy khô mẫu xác định độ ẩm.
- Sàng loại kích thƣớc lỗ là 19,0 mm.
- Thanh thép gạt cạnh thẳng để hoàn thiện bề mặt mẫu. - Dụng cụ trộn mẫu: Máng, bay, dao,...
- Dụng cụ làm tơi mẫu: Vồ, chày cao su… - Hộp giữ ẩm.
b. Chuẩn bị mẫu
- Làm khô mẫu: Nếu mẫu ƣớt ta phải làm khô mẫu băng cách phơi ngoài không khí hoặc cho vào tủ sấy ở nhiệt độ không quá 60oC cho đến khi có thể làm tơi vật liệu. Dùng vồ gỗ đập nhẹ làm tơi vật liệu, dùng chày cao su nghiền các hạt nhỏ để tránh làm thay đổi thành phần hạt cấp phối tự nhiên của mẫu.
- Sàng mẫu để loại hạt quá cỡ. Với phƣơng pháp I-D sàng qua sàng 19mm. - Khối lƣợng mẫu cần thiết tối thiểu là 35 kg.
- Tạo ẩm cho mẫu: lấy lƣợng mẫu đã chuẩn bị ở trên chia ra làm 5 phần tƣơng đƣơng nhau. Mỗi phần đƣợc trộn đều với một lƣợng nƣớc thích hợp để đƣợc loại mẫu có độ ẩm cách nhau một khoảng nhất định, sao cho giá trị độ ẩm đầm chặt tốt nhất tìm đƣợc nằm trong khoảng giữa của 5 giá trị độ ẩm tạo mẫu. Đánh số vật liệu từ 1 đến 5 theo thứ tự độ ẩm mẫu tăng dần. Cho các phần mẫu đã trộn ẩm vào thùng kín để ủ mẫu, thời gian ủ khoảng 12 giờ.
c. Phương pháp tiến hành
- Loạt mẫu đã chuẩn bị sẽ đƣợc đầm lần lƣợt từ mẫu có giá trị độ ẩm nhỏ nhất đến lớn nhất.
- Chiều dày mỗi lớp và tổng chiều dày sau khi đầm: điều chỉnh phù hợp sao cho 3 lớp đều nhau và tổng chiều dày sau khi đầm cao hơn cối đầm khoảng 10mm.
- Trình tự làm thí nghiệm:
+ Xác định khối lƣợng cối kí hiệu là M(g), lắp thân cối và đai cối chặt khít với đế cối.
+ Đặt cối tại vị trí có mặt phẳng chắc chắn, không chuyển vị trong quá trình đầm.
+ Cho một phần mẫu có khối lƣợng phù hợp vào cối dàn đều và làm chặt sơ bộ để vật liệu không còn rời rạc và mặt mẫu phẳng. Khi đầm, phải để cho chày rơi tự do và dịch chuyển chày sau mỗi lần đầm theo một sơ đồ nhất định. Sau khi đầm xong với số chày qui định, nếu có phần vật liệu bám trên thành cối hoặc nhô lên trên bề mặt mẫu phải lấy dao cạo đi và rải đều trên mặt mẫu.
+ Sau khi đầm xong lấy dao rạch lên trên bề mặt để tạo liên kết với các lớp tiếp theo.
+ Hai lớp sau tiến hành làm tƣơng tự nhƣ trên.
+ Sau khi đầm xong, tháo đai cối ra và làm phẳng mặt mẫu bằng thép gạt cho bề mặt mẫu cao ngang với mặt trên của cối.
+ Tiến hành cân xác định khối lƣợng của mẫu và cối kí hiệu là M1(g).
+ Lấy mẫu xác định độ ẩm: đẩy mẫu ra khỏi cối và lấy một lƣợng vật liệu đại diện ở phần giữa khối đất, cho vào hộp giữ ẩm, sấy khô để xác định độ ẩm, kí hiệu là W (%).
+ Đầm các mẫu còn lại: lặp lại quá trình nhƣ mô tả ở trên với các mẫu khác theo thứ tự độ ẩm tăng dần.
Quá trình đầm nén sẽ dừng lại cho tới khi giá tri thể tích ƣớt γw của mẫu giảm hoặc không tăng nữa. Trƣờng hợp γw ở cối thứ 5 vẫn cứ tăng thì phải tiến hành đầm chặt ở cối thứ 6 và các cối tiếp theo.
4.3.3. Xử lí kết quả thí nghiệm
• Độ ẩm của mẫu đƣợc xác định theo công thức: W(%) = C B B A x100 (4-5) Trong đó: W- Độ ẩm của mẫu (%)
A - Khối lƣợng mẫu ƣớt và hộp giữ ẩm (g)
B- Khối lƣợng mẫu khô và hộp giữ ẩm sau khi sấy đến khối lƣợng không đổi(g)
C - khối lƣợng của hộp giữ ẩm (g)
• Khối lƣợng thể tích ƣớt của mẫu đƣợc tính theo công thức: V M M w 1 (g/cm3) (4-6) Trong đó: w
- Khối lƣợng thể tích ƣớt của mẫu (g/cm3).
M1 - Khối lƣợng mẫu và cối (g). M - Khối lƣợng cối (g) .
V - Thể tích cối (cm3).
• Khối lƣợng thể tích khô của mẫu đƣợc xác định theo công thức: 100 100 W w k (g/cm3 ) (4-7) Trong đó: w
- Khối lƣợng thể tích ƣớt của mẫu (g/cm3).
k
W - Độ ẩm của mẫu (%).
4.3.4. Kết quả thí nghiệm
a. Kết quả thí nghiệm đầm nén đất
Bảng 4-4: Bảng kết quả thí nghiệm đầm nén mẫu đất Vị trí 1 Vị trí 2 Vị trí 3 W(%) γk(g/cm3) W(%) γk(g/cm3) W(%) γk(g/cm3) Mẫu 1 18.52 1.7 17.72 1.62 19.84 1.57 Mẫu 2 20.9 1.75 20.86 1.75 21.33 1.65 Mẫu 3 22.4 1.77 22.2 1.79 22.95 1.71 Mẫu 4 23.99 1.73 24.22 1.75 23.49 1.68 Mẫu 5 25.87 1.67 26.44 1.66 26.83 1.54
b. Vẽ đồ thị và lập phương trình tương quan
Vị trí 1 1,45 1,5 1,55 1,6 1,65 1,7 1,75 1,8 1,85 1,9 18 20 22 24 26 28 W(%) γk( g/ cm 3) Đƣờng thực nghiệm Đƣờng lý thuyết
Hình 4-2: Quan hệ độ ẩm và khối lượng thể tích khô trên vị trí 1
Phƣơng trình tƣơng quan:
γ = - 0,0057w2 + 0,2493w - 0,9612 (4-8) Hệ số tƣơng quan r2
Vị trí 2 1,5 1,55 1,6 1,65 1,7 1,75 1,8 1,85 1,9 16 18 20 22 24 26 28 W(%) γk( g/c m3) Đƣờng thực nghiệm Đƣờng lý thuyết
Hình 4-3: Quan hệ độ ẩm và khối lượng thể tích khô trên vị trí 2
Phƣơng trình tƣơng quan: γ = - 0,0073w2 + 0,325w - 1,863 (4-9) Hệ số tƣơng quan r2 = 0,9859 Vị trí 3 1,4 1,45 1,5 1,55 1,6 1,65 1,7 1,75 1,8 1,85 1,9 18 20 22 24 26 28 w(%) γk( g/ cm 3) Đƣờng thực nhgiệm Đƣờng lý thuyết
Hình 4-4: Quan hệ độ ẩm và khối lượng thể tích khô - vị trí 3
Phƣơng trình tƣơng quan: γ = - 0,0104w2
+ 0,4879w - 4,0142 (4-10) Hệ số tƣơng quan r2
Nhận xét:
Qua kết quả thí nghiệm và đồ thị ở trên đề tài xác đinh đƣợc độ ẩm tối ƣu và khối lƣợng thể tích khô lớn nhất của đất tại khu vực nghiên cứu. Độ ẩm tối ƣu đƣợc xác đinh bằng cách lấy đạo hàm phƣơng trình tƣơng quan dγ =γ'
.dw. Từ đó sẽ xác đinh đƣợc độ ẩm tối ƣu và khối lƣợng thể tích khô lớn nhất và nó đƣợc thể hiện qua bảng nhƣ sau:
Vị trí WTƢ γmax
1 21,868 1,765
2 22,26 1,753
Chƣơng 5
XÁC ĐINH TỶ LỆ XI MĂNG PHA TRỘN VÀ ĐỘ ẢM THI CÔNG TỐI ƢU 5.1. Xác định hàm lƣợng xi măng pha trộn
5.1.1. Lựa chọn xi măng và tỷ lệ xi măng pha trộn
Để tận dụng vật liệu địa phƣơng, và cần đáp ứng đƣợc yêu cầu về khả năng chịu nén của mặt đƣờng nên trong đề tài tốt nghiệp tôi sử dụng xi măng pooclăng hỗn hợp "xi măng vinaconex Lƣơng Sơn mác PCB30, TCVN 6260:1997".
Đối với đất gia cố xi măng thì tỷ lệ xi măng càng cao thì cƣờng độ chịu nén càng cao. Tuy nhiên, cƣờng độ chịu nén của đất gia cố xi măng chỉ tăng nhanh đến một giá trị nhất định sau đó tăng chậm dần. Do đó để đảm bảo tính kinh tế và các yêu cầu chất lƣợng của mặt đƣờng gia cố xi măng thì đề tài đƣa ra một số cách lựa chọn tỷ lệ xi măng pha trộn nhƣ sau:
Khi dùng làm lớp móng trên.
Với đất hạt thô và vừa (Đất hạt thô là loại hạt có cỡ hạt lớn nhất tới 36,5mm nhƣng trong đó 90% lọt sàng 31,5mm "cấp phối đồi, cấp phối dăm đá, cấp phối sỏi cuội". Đất hạt vừa có hạt lớn nhất 26,5mm nhƣng trong đó 90% lọt sàng 19mm) nên thử với tỷ lệ xi măng 3, 4, 5, 6, 7%; các loại đất hạt nhỏ (đất hạt nhỏ có hạt lớn nhất 9,5mm trong đó 90% lọt sàng 2,36mm) nên thử với tỷ lệ xi măng là 8, 10, 12, 14, 16%; đất có chỉ số dẻo dƣới 12 nên thử với các tỷ lệ 5, 7, 8, 9, 11%.
Nếu dùng làm móng dƣới thì phạm vi và tỷ lệ thay đổi có thể giảm 1-2%. Nói chung, đối với đất lẫn hạt lớn có cấp phối tốt thì tỷ lệ xi măng có thể giảm đi, càng nhiều hạt mịn và sét thì tỷ lệ xi măng càng cần tăng lên và tỷ lệ xi măng càng lớn thì càng tốt. Tuy nhiên, để đảm bảo giá thành xây dựng cho tuyến đƣờng thì tỷ lệ xi măng không đƣợc vƣợt quá giá trị cho phép và đảm bảo khả năng trộn đều của cấp phối gia cố thì tỷ lệ này không đƣợc nhỏ hơn tỷ lệ tối thiểu quy định ở bảng sau:
Bảng 5-1: Tỷ lệ xi măng tối thiểu (%)
Loại đất Phƣơng pháp trộn
Trộn tại đƣờng Trộn tại trạm trộn
Đất sỏi sạn, đất lẫn đá dăm 3 2
Đất hạt mịn 5 3
Căn cứ vào các cơ sở đã nêu, đề tài chọn tỷ lệ xi măng pha trộn ở các mức từ 4, 6, 8, 10, 12%.
5.1.2. Cƣờng độ chịu nén của cấp phối đất gia cố xi măng
a. Cơ sở lý thuyết
Cƣờng độ chịu nén đƣợc đánh giá thông qua tỷ số giữa lực nén làm cho mẫu thí nghiệm bắt đầu bị pha huỷ với diện tích tiết diện ngang của mẫu thí nghiệm đó.
Cƣờng độ chịu nén xác định bởi công thức sau: ). / (daN cm2 F P R (5-1) Trong đó: R- Cƣờng độ chịu nén (daN/cm2).
P- Lực nén (daN).
F- Diện tích tiết diện ngang (cm2).
b. Nội dung thí nghiệm
Dụng cụ thí nghiệm
- Bộ đầm nén tiêu chuẩn cỡ nhỏ (I - A). Các thông số kỹ thuật của bộ đầm nén tiêu chuẩn cỡ nhỏ I- A đƣợc trình bày trong "Tiêu chuẩn ngành (2006), Quy trình đầm nén đất, đá dăm trong phòng thí nghiệm, 22 TCN 333 - 06_ Bộ Giao thông vận tải, NXB Giao thông vận tải, Hà Nội".
- Dụng cụ tháo mẫu.
- Cân: một cân đĩa có khả năng cân đƣợc đến 15kg với độ chính xác 100g (để xác định khối lƣợng mẫu trƣớc khi pha trộn), một cân điện tử có khả năng cân đƣợc đến 600g, độ chính xác 0,01g (để xác định lƣợng xi măng pha trộn).
- Tủ dƣỡng mẫu.
- Dụng cụ trộn mẫu: Máng, bay, dao,...
- Dụng cụ chứa đựng: Xô đựng nƣớc, ống thuỷ tinh có các vạch đo mức nƣớc trong ống.
- Dụng cụ làm tơi mẫu: Vồ, chày cao su. -Máy nén thuỷ lực.
Chuẩn bị mẫu
- Làm khô đất: Nếu đất ƣớt ta phải làm khô mẫu bằng cách phơi khô tự nhiên ngoài không khí hoặc cho vào tủ sấy ở nhiệt độ không quá 60oC cho đến khi có thể làm tơi vật liệu. Dùng vồ gỗ đập nhẹ làm tơi vật liệu, dùng chày cao