4.2.1. Phƣơng pháp xác định giới hạn dẻo của đất
- Giới hạn dẻo (wp) của đất tƣơng ứng với độ ẩm mà đất loại sét có kết cấu bị phá hoại chuyển từ trạng thái cứng sang trạng thái dẻo. Giới hạn dẻo đƣợc đặc trƣng bằng độ ẩm tính bằng % của đất sau khi đã nhào trộn đều với nƣớc và lăn thành que có đƣờng kính 3mm, thì que đất bắt đầu rạn nứt và đứt thành nhiều đoạn có kích thƣớc từ 3÷10 mm.
- Để xác định giới hạn dẻo ngƣời ta lăn đất thành từng que. Nếu tới khi que có đƣờng kính D = 3mm mà bắt đầu xuất hiện những vết rạn nứt trên bề mặt và gãy thành từng đoạn có chiều dài 310 mm thì lấy những que đất này đi xác định độ ẩm. Độ ẩm có đƣợc là WP.
- Nếu que đất có đƣờng kính D < 3 mm mà mặt que vẫn còn nhẵn thì độ ẩm của đất cao hơn giới hạn dẻo.
- Dụng cụ thí nghiệm Sàng có kích thƣớc lỗ 1mm. Cân kỹ thuật. Tủ sấy Dụng cụ nhào trộn. Dụng cụ chứa đựng. - Tiến hành thí nghiệm
Mẫu đất sau khi đƣợc hong khô tự nhiên, phá vỡ liên kết, sàng qua mặt sàng 1mm và loại bỏ những hạt có kích thƣớc lớn hơn 1mm.
Đổ mẫu đất vào bát sứ và đổ lƣợng nƣớc vừa đủ đến gần giá trị đạt giới hạn dẻo rồi đem ủ ít nhất 2 giờ sau đó đổ thêm nƣớc vào nhào trộn đều đất với nƣớc.
Vê đất thành những que có đƣờng kính 3mm, nếu que rạn nứt và gẫy thành những đoạn ngắn có chiều dài từ 3-10mm, lúc này chứng tỏ đất đã đạt trạng thái giới hạn dẻo (wp).
Nếu đất có đƣờng kính lớn hơn 3mm mà đã có hiện tƣợng rạn nứt và gẫy thì đất quá khô (chƣa đạt đến trạng thái giới hạn dẻo), chúng ta đổ thêm nƣớc và nhào trộn đều đến khi đạt tới trạng thái giới hạn dẻo thì lấy mẫu thí nghiệm.
Nếu chúng ta vê đất thấy que có đƣờng kính nhỏ hơn 3mm mới rạn nứt và gẫy thì chứng tỏ đất quá ƣớt (vƣợt quá giới hạn dẻo), chúng ta lẫy mẫu vê lên những mặt phẳng có khả năng hút nƣớc cho đến khi đạt giới hạn dẻo thì lấy mẫu đó làm thí nghiệm.
4.2.2. Phƣơng pháp xác định giới hạn chảy của đất
- Giới hạn chảy (wL) của đất tƣơng 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 đƣợc đặc trƣng bằng độ ẩm tính bằng % của đất nhào với nƣớc mà ở đó quả dọi thăng bằng hình nón dƣới tác dụng trọng lực bản thân sau 10giây sẽ lún sâu hơn 10mm.
- Để xác định giới hạn chảy ngƣời ta qui ƣớc làm thí nghiệm nhƣ sau: Dùng quả dọi (đƣợc gọi là quả dọi Vaxilev) nặng 76gam có đầu hình chóp nón mũi
nhọn 0
30
, cao h =25mm.
- Đặt mũi quả dọi sát mặt đất, sau đó thả tay cho lún tự do vào đất. Nếu sau 10s mà quả dọi lún vào trong đất đƣợc 10 mm thì độ ẩm đó đƣợc gọi là độ ẩm giới hạn chảy.
- Nếu quả dọi lún vào trong đất lớn hơn 10mm thì độ ẩm đó lớn hơn giới hạn chảy, đất nhão. Nếu khi thả quả dọi lún không quá 10mm thì chứng tỏ đất có độ ẩm nhỏ hơn giới hạn chảy.
Dụng cụ thí nghiệm
Quả dọi Vaxiliev.
Sàng kích thƣớc lỗ 1mm. Cân kỹ thuật. Tủ sấy. Dụng cụ nhào trộn. Dụng cụ chứa đựng. Tiến hành thí nghiệm
Mẫu đất sau khi đƣợc hong khô tự nhiên, phá vỡ liên kết, sàng qua mặt sàng 1mm và loại bỏ những hạt có kích thƣớc lớn hơn 1mm.
Nhào trộn mẫu đất với lƣợng nƣớc hợp lý rồi đem ủ ít nhất 2 giờ, sau đó nhào trộn lại mẫu trƣớc khi thí nghiệm.
Đƣa đất nhào trộn vào khuôn hình trụ, gạt bằng mép hai mặt khuôn.
Đặt khuôn lên giá đỡ có vị trí bằng phẳng.
Đặt mũi quả dọi sát vào mặt mẫu đất, sau đó thả nhẹ tay cho lún tự do vào đất. Nếu sau 10 giây mà quả dọi lún sâu vào mẫu đất 10mm thì mẫu đất đã đạt trạng thái giới hạn chảy (WL).
Nếu trong 10 giây mà quả dọi không lún sâu vào đất đƣợc 10mm thì mẫu chƣa đạt tới giới hạn chảy, chúng ta đổ thêm nƣớc vào mẫu và nhào trộn đều và làm lại thí nghiệm cho đến khi đạt yêu cầu.
Nếu chƣa đến 10 giây mà quả dọi đã lún sâu vào trong mẫu đất thì chứng tỏ mẫu lúc này đã đạt quá giới hạn chảy, chúng ta cho thêm đất khô vào mẫu rồi nhào trộn đều hoặc lấy mẫu sau khi đã ủ trên 2 giờ và cho lƣợng nƣớc ít hơn đem nhào trộn cho đến khi đất đạt đến trạng thái giới hạn chảy thì đem mẫu đi thí nghiệm.
Chỉ số dẻo của đất đƣợc tính theo công thức.
IP = WL - WP (4-4) Trong đó: WL – Giới hạn chảy của đất;
WP- Giới hạn dẻo của đất.
4.2.3. Kết quả và nhận xét
Sau khi tiến hành và xử lý số liệu chúng tôi thu đƣợc kết quả thể hiện ở bảng nhƣ sau:
Bảng 4-2: Bảng tổng hợp xác định độ ẩm tự nhiên, giới hạn dẻo chảy của đất.
Vị trí Wktn(%) Wd% Wch% IP
1 4,47 39,7 45,96 6,26
2 3,24 30,56 39,36 8,79
3 4,54 36,21 43,13 6,71
Nhận xét:
Từ bảng kết quả trên thì đất tại các vị trí 1 và 3 có chỉ số dẻo Ip < 7, do đó mà đất thuộc loại á cát. Còn đất tại vị trí 2 có chỉ số dẻo Ip > 7 nên nó thuộc loại đất á sét. Với loại đất dính này rất thích hợp để làm nền đƣờng và áo đƣờng cấp thấp đảm bảo đƣợc khả năng chống trƣợt và chống cắt của kết cấu đƣờng.
4.3. Quan hệ độ ẩm đầm nén và khối lƣợng thể tích khô của đất 4.3.1. Nguyên lí của phƣơng pháp 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