Khảo sát và thí nghiệm đất phần 2

Lưu ý:  Số lần xác định dung trọng của mỗi mẫu đất được qui định tùy thuộc vào mức độ không đồng nhất của loại đất, nhưng trong mọi trường hợp không được ít hơn hai lần.. - Cân để xác

CHƯƠNG 4 CÁC PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM ĐẤT

WV

Trong đó: W là trọng lượng của mẫu đất thí nghiệm; V là thể tích của

mẫu đất thí nghiệm; M là khối lượng của mẫu đất thí nghiệm; ρ là khối lượng riêng của mẫu đất thí nghiệm; g=9.81 m/s² là gia tốc trọng trường

 Phương pháp dao vòng: áp dụng cho các loại đất dễ cắt bằng

dao, không bị vỡ và trong các trường hợp thể tích, hình dạng của mẫu chỉ có thể giữ nguyên nhờ hộp cứng

 Phương pháp bọc sáp: áp dụng cho các loại đất có cỡ hạt >

5mm, đất khó cắt bằng dao vòng, khi cắt dễ bị vỡ vụn, nhưng đất

có thể giữ nguyên hình dáng mà không cần hộp cứng

 Phương pháp đo thể tích: áp dụng cho các loại đất dính, đất than

bùn, đất có chứa nhiều tàn tích thực vật ít phân hủy hay khó lấy mẫu theo hai phương pháp trên

Lưu ý:

 Số lần xác định dung trọng của mỗi mẫu đất được qui định tùy thuộc vào mức độ không đồng nhất của loại đất, nhưng trong mọi trường hợp không được ít hơn hai lần

 Sai lệch kết quả giữa các lần xác định song song đối với đất đồng nhất phải ≤ 0.02 (kN/m3)

 Trị số trung bình cộng các kết quả của các lần xác định song song được lấy làm dung trọng của mẫu đất nguyên dạng

4.1.3 Xác định dung trọng của đất bằng phương pháp dao vòng

4.1.3.1 Dụng cụ thí nghiệm:

- Dao vòng làm bằng kim loại không gỉ, có mép sắc và có thể tích

≥ 50cm3

- Thước kẹp

- Dao cắt có lưỡi thẳng, chiều dài lớn hơn đường kính dao vòng

- Cung dây thép có tiết diện ngang < 0.2mm

4.1.3.2 Chuẩn bị thí nghiệm

- Dùng thước kẹp đo đường kính trong (d) và chiều cao (h) của dao vòng Từ đó xác định thể tích V của dao vòng, với độ chính xác đến số lẻ thứ hai

- Cân để xác định khối lượng (mo) của dao vòng, sử dụng cân có

- Dùng dao phẳng gọt bỏ phần đất thừa xung quanh dao vòng giúp làm giảm ma sát giữa đất và thành của dao vòng

- Dùng vòng đệm đặt lên dao vòng và tiếp tục ấn dao vòng vào trong mẫu đất cho đến khi dao vòng ngập sâu vòng trong mẫu đất một đoạn khoảng 0.2cm đến 0.5cm thì ngừng lại

- Lấy vòng đệm ra, dùng dao thẳng gọt phần đất thừa xung quanh

và nhô lên trên miệng dao vòng

- Dùng khăn ướt lau sạch phần đất xung quanh dao vòng, sau đó đem dao vòng có chứa đất đi cân, thu được khối lượng m

Lưu ý:

 Nên đặt lên trên mặt dao vòng một tấm kính phẳng hoặc tấm kim loại phẳng, sau đó tác động lực lên trên tấm kính hoặc tấm kim loại để đảm bảo lực tác dụng là đều ở tất cả các cạnh, nhằm giúp cho dao vòng xuống thẳng

 Có thể dùng một dao vòng khác để làm vòng đệm Việc cắt gọt các bề mặt của mẫu đất phải hết sức cẩn thận để không có một chỗ lồi lõm nào Nếu có, phải được bù vào bằng đất tương tự và làm phẳng lại

Khối lượng dao vòng mo (g)

Khối lượng dao vòng + đất m (g)

Khối lượng của đất M (g)

Dung trọng của đất γ (kN/m³)

4.2 THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH ĐỘ ẨM TỰ NHIÊN CỦA ĐẤT

Tiêu chuẩn áp dụng TCVN 4196:2012

4.2.1 Định nghĩa

Độ ẩm của đất là tỷ số giữa khối lượng nước chứa trong lỗ rỗng của đất

và khối lượng hạt đất ở trạng thái khô Độ ẩm được ký hiệu (w) và được tính bằng %

Xác định độ ẩm là thí nghiệm xác định phần trăm giữa khối lượng nước

có trong đất so với khối lượng khô của đất

w s

- Cho mẫu đất vào cốc nhôm có khối lượng (mo), đã được đánh số

- Đem cân trên cân kỹ thuật để xác định khối lượng của cốc nhôm với mẫu đất ẩm (ma)

- Mẫu đất sau khi được cân, đem sấy khô đến khối lượng không đổi trong lò sấy ở nhiệt độ 105°C

- Thời gian sấy lần đầu theo các loại đất qui định như sau :

o Ba giờ đối với cát và cát pha sét

o Năm giờ đối với đất sét và đất sét pha cát

o Tám giờ đối với đất pha thạch cao

- Mỗi lần sấy lại phải tiến hành trong khoảng:

o Một giờ đối với đất cát và á cát

o Hai giờ đối với đất sét, á sét và đất pha thạch cao hoặc tạp chất hữu cơ

- Sau khi lấy cốc ra khỏi tủ sấy, đậy nắp ngay lại Đất không dẻo có thể để nguội ở phòng ẩm, đất dẻo nên để nguội trong bình hút ẩm

có chứa canxi clorua từ 45-60 phút để làm nguội mẫu thử

- Đem cân cốc có mẫu thử đã sấy khô đến khối lượng không đổi trên cân kỹ thuật (md) Lấy khối lượng nhỏ nhất trên các lần cân

4.2.5 Tính toán kết quả

- Độ ẩm đất w được xác định theo công thức (4.3) (qui đổi sang %)

- Kết quả tính toán được biểu diễn đến độ chính xác 0.1%

- Đối với mỗi mẫu đất phải tiến hành thí nghiệm ít nhất hai lần song song Nếu kết quả của hai lần thí nghiệm song song chênh lệch nhau > 10% thì phải tiến hành thí nghiệm lần ba Kết quả là giá trị trung bình của các lần thí nghiệm song song đó

4.2.6 Phiếu ghi kết quả thí nghiệm xác định độ ẩm tự nhiên của đất

- Độ chứa nước trung gian giữa các trạng thái này cho ta các giới hạn được gọi là giới hạn Atterberg

- Giới hạn dẻo Wp (PL) của đất tương ứng với độ ẩm mà loại đất có kết cấu bị phá hoại chuyển từ trạng thái cứng sang trạng thái dẻo Giới hạn dẻo được đặc trưng bằng độ ẩm (%) của đất sau khi nhào trộn đều với nước và lăn thành que có đường kính 3mm, thì que đất bắt đầu rạn nứt và đứt thành các đoạn ngắn có chiều dài khoảng từ 3-10mm

- Giới hạn nhão WL (LL) của đất tương ứng với độ ẩm mà loại đất

có kết cấu bị phá hoại chuyển từ trạng thái dẻo sang nhão Giới hạn nhão được xác định bằng độ ẩm (%) của bột đất nhào nước khi quay đập chỏm cầu Cassagrande 25 nhát thì làm khít một đoạn gần 12.7mm (0.5inch = 12.7mm)

- Giới hạn nhão của đất là độ ẩm bột đất nhào nước, được xác định theo phương pháp Casagrande (WL) lớn hơn giới hạn nhão của đất xác định bằng quả dọi thăng bằng (WC) Quan hệ giữa WL và

WC được thiết lập qua công thức:

- Một que gạt, chuyên dùng để tạo rãnh đất có chiều sâu 8mm, rộng 2mm ở phần dưới và 11mm ở phần trên

- Rây có kích thước lỗ 0.5 mm

- Cối sứ và chày cĩ đầu bọc cao su

TAY QUAY ĐẾ BẰNG CAO SU CỨNG

Trước khi tiến hành thí nghiệm, phải đo và khống chế chiều cao rơi xuống của đĩa khum vừa đúng 11mm (sai số điều chỉnh ≤ 0.2mm)

Lưu ý:

Nên nhào đất với nước vào hai bát, sao cho đất trong mỗi bát có trạng thái khác nhau để xác định giới hạn chảy và giới hạn dẻo Có thể dùng đất còn thừa lúc xác định giới hạn nhão để xác định giới hạn dẻo

4.3.2.3 Tiến hành thí nghiệm

- Bước 1: Cho thêm 1 lượng nhỏ nước vào bát đựng đất trộn đều

cho đến lúc mẫu đất đồng màu và sệt đều, chờ 15 – 20 phút cho mẫu đất trộn se mặt (chú ý ước chừng không cho mẫu quá ẩm)

- Bước 2: Lau ướt chỏm cầu bằng khăn ướt, sau đó trét phần đất đã

trộn vào chỏm cầu Khi trét tránh không để xuất hiện bọt khí trong đất, bảo đảm độ dày của cả lớp đất >10mm và chỉ trét đất vào khoảng 2/3 chỏm cầu (để hở 1/3 chỏm cầu phía trên)

- Bước 3: Dùng dao cắt rãnh vạch một đường thẳng từ trên xuống

Khi vạch luôn luôn phải giữ dao vạch thẳng góc với mặt chỏm cầu (đuôi dao làm tâm) Dao cắt rãnh này chia đất thành hai phần cách xa nhau dưới đáy là 2mm, phía trên là 11mm và bề dày đất ở hai bên rãnh là 8mm

- Bước 4: Quay đều cần quay với tốc độ hai vòng/1s chỏm cầu

được nâng lên và rơi xuống, sự va chạm giữa chỏm cầu và đế làm cho phần đất ở hai bên sụp xuống và từ từ khép lại, đến khi nào chiều dài khép kín này dài 12.7mm thì ngừng quay Đếm số lần

đập cần thiết để phần dưới của rãnh đất khép lại một đoạn dài 12.7mm Rãnh đất được khép lại phải do đất chảy ra khi quay đập chứ khơng phải do sự trượt của đất với đáy đĩa

c ĐẤT KHÉP LẠI SAU KHI QUAY

VẠCH MỘT ĐƯỜNG

Hình 4.5: Trét đất vào chỏm cầu Cassagrande

- Bước 5: Dùng dao lấy phần đất chỗ rãnh khép lại khoảng 10 gam

cho vào hộp nhơm đã được cân xác định khối lượng Cân trọng lượng đất và hộp nhơm Cho hộp nhơm cĩ chứa đất vào lị sấy để sấy, rồi xác định độ ẩm

- Bước 6: Lấy phần đất trên chỏm cầu nhập chung với phần đất

cịn lại trên đĩa đựng đất và trộn đều lại cho bay bớt nước Sau đĩ, lặp lại các bước B2, B3, B4 và tiến hành xác định thêm hai lần nữa

- Bước 7: Cứ tiếp tục thí nghiệm như vậy với lượng nước thay đổi

theo chiều tăng lên (độ ẩm của đất ở lần thí nghiệm sau nhỏ hơn

độ ẩm ở lần thí nghiệm trước đĩ) Xác định ít nhất ba giá trị của

độ ẩm ứng với số lần đập cần thiết trong khoảng 12 – 35 để rãnh khép lại

Lưu ý:

 Cần khống chế độ ẩm của đất, sao cho số động tác đập của lần thí nghiệm đầu tiên ≥ 12 và của lần cuối cùng ≤ 35 để rãnh đất khép kín 12.7mm Phải dùng nước cất cho thêm vào đất và trộn thật kỹ trước khi cho đất vào đĩa đựng mẫu

 Muốn làm giảm độ ẩm của đất trong quá trình thí nghiệm, phải nhào trộn mẫu trong bát hay dùng vật thấm hút bớt nước

Hình 4.6: Biều đồ xác định giới hạn chảy

Hoặc tính toán bằng công thức gần đúng (4.5) Kết quả thu được là kết quả trung bình của các lần thí nghiệm thứ i, với i = 1,2,3

- Chia phần đất dành cho thí nghiệm dẻo thành ba hay bốn mẫu nhỏ

- Lăn mẫu đất trên tấm kính bằng bốn ngón tay Dùng áp lực bàn tay vừa đủ để tạo được một sợi đất có đường kính đều bằng 3mm Nếu trên sợi đất chưa xuất hiện các vết nứt thì cắt sợi đất ra các phần nhỏ hơn, vo tròn và lăn lại cho đến khi sợi đất đạt đường kính 3mm và đồng thời xuất hiện các vết nứt Cho sợi đất vào hộp nhôm, xác định độ ẩm của sợi đất này

Hình 4.7: Xác định giới hạn dẻo của đất

Lưu ý:

 Nếu đường kính > 3mm, que đất đã xuất hiện rạn nứt nghĩa là độ

ẩm của đất thấp hơn giới hạn dẻo

 Nếu đường kính = 3mm, que đất bị rỗng ở giữa thì cũng loại bỏ

 Nếu từ chỗ đất đã chuẩn bị mà không thể lăn thành que đất có đường kính 3mm có vết rạn nứt thì có thể xem như đất này không

ẩm trong các lần xác định song song phải nhỏ hơn 2%

4.3.4 Ứng dụng kết quả thí nghiệm xác định giới hạn nhão và giới hạn dẻo của đất [14]

L P

w- W

I =

Trong đó: WL là giới hạn nhão của đất; WP là giới hạn dẻo của đất; w là

độ ẩm tự nhiên của mẫu đất thí nghiệm

Căn cứ theo tiêu chuẩn TCVN 9362:2012

- Dùng chỉ số dẻo IP để phân biệt loại đất

 Đất cát pha sét thì 1% ≤ IP ≤ 7%

 Đất sét pha cát thì 7%< IP ≤ 17%

 Đất sét thì IP >17%

- Dùng độ sệt B để xác định trạng thái vật lý của đất dính:

 Cát pha : Cứng: B < 0; Dẻo: 0 ≤ B ≤ 1; Chảy: B > 1

 Sét và sét pha: Cứng: B < 0; nửa cứng: 0 ≤ B < 0.25; Dẻo cứng: 0.25 ≤ B < 0.5; Dẻo mềm: 0.5 ≤ B < 0.75; Dẻo chảy: 0.75 ≤ B ≤ 1; Chảy: 1 < B

4.3.5 Phiếu ghi kết quả thí nghiệm xác định giới hạn nhão của đất

4.4 THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN HẠT CỦA ĐẤT

Tiêu chuẩn áp dụng TCVN 4198:2014

4.4.1 Định nghĩa

- Thành phần hạt của đất là hàm lượng nhóm hạt có độ lớn khác nhau ở trong đất, được biểu diễn bằng % so với khối lượng mẫu đất khô tuyệt đối đã lấy để phân tích

- Xác định thành phần hạt là phân chia đất thành từng nhóm cỡ hạt gần nhau về độ lớn và xác định hàm lượng phần trăm của chúng

4.4.2 Phân loại hạt

Bảng 4.1: Bảng phân loại thành phần hạt Phân

Sỏi sạn d > 2mm d > 4.75mm d > 2mm

Hạt cát d = 0.05÷2mm d = 0.074÷4.75mm d = 0.06÷2mm Hạt bụi d=0.005÷0.05mm d = 0.002÷0.074 d=0.002÷0.06mm Hạt sét d < 0.005mm d < 0.002mm d < 0.002mm

Trong đó: Hạt bụi, sét thuộc nhóm hạt mịn; còn hạt sỏi, sạn, cát thuộc

nhóm hạt thô

4.4.3 Phương pháp thí nghiệm xác định thành phần hạt của đất

Thành phần hạt của đất có thể được xác định theo hai phương pháp sau:

- Phương pháp rây sàng

- Phương pháp tỷ trọng kế

 Phương pháp rây sàng: áp dụng cho các loại cỡ hạt có đường

kính lớn hơn 0.1mm (hay 0.074mm theo ASTM) theo hai phương pháp sau :

 Rây khô: để phân chia các hạt có kích thước từ 10mm ÷ 0.5mm

 Rây ướt: để phân chia các hạt có kích thước từ 10mm ÷ 0.1mm

 Phương pháp tỷ trọng kế: để phân chia các hạt đất loại cát và đất

loại sét có kích thước từ 0.1mm đến 0.002mm

4.4.4 Phương pháp rây khô

Dùng để phân chia các nhóm cỡ hạt có kích thước từ 10mm ÷ 0.5mm

4.4.4.1 Dụng cụ thí nghiệm

- Bộ rây tiêu chuẩn (có đáy rây) có kích thước lỗ: 10; 5; 2; 1; 0.5mm

- Máy lắc sàng

- Bàn chải để quét các loại đất bám vào rây

- Chày bọc cao su hay máy tán cơ học để tách rời các hạt đất

 Sắp xếp bộ rây có đường kính lỗ rây từ lớn đến nhỏ theo thứ tự từ trên xuống Rây có đường kính 10mm, 5mm, 2mm, 1mm, 0.5mm

và đáy rây

 Phương pháp chia tư được tiến hành như sau: Đất được trộn đều

và trải rộng ra trên khai đựng đất, dùng dao chia làm bốn phần đều nhau Sau đó chọn hai phần đất ở vị trí chéo nhau

4.4.4.3 Tiến hành thí nghiệm

- Cho m (gam) đất vào rây, lắc bằng tay hoặc bằng máy qua bộ rây tiêu chuẩn Theo lý thuyết ta sàng đến khi nào ở mỗi rây khối lượng đất qua rây không thay đổi quá 1% khối lượng đất trên rây đó

- Cân đất cộng dồn trên mỗi rây (để cho chính xác có thể cân luôn rây và đất, sau đó trừ đi khối lượng rây đã được cân trước để suy

ra khối lượng của đất)

- Khối lượng của đất lọt qua rây nào đó là khối lượng của đất tổng cộng trừ đi khối lượng của đất giữ trên rây cộng dồn

4.4.5 Phương pháp rây ướt

Dùng để phân chia các nhóm cỡ hạt có kích thước từ 10mm đến 0.1mm

4.4.5.1 Dụng cụ thí nghiệm

- Bộ rây tiêu chuẩn (có đáy ) có kích thước lỗ rây: 10; 5; 2; 1; 0.5; 0.25; 0.1mm

- Lò sấy (105 ÷110oC)

- Bàn chải để quét các loại đất bám vào rây

- Chày bọc cao su hay máy tán cơ học để tách rời các hạt đất

- Dùng phương pháp chia tư để lấy m (gam) đất ra làm thí nghiệm,

tùy thuộc vào từng loại đất mà giá trị m có thể lấy như sau :

 100-200 gam đối với đất không chứa các hạt có kích thước > 2mm

 300-900 gam đối với đất chứa đến 10% các hạt có kích thước > 2mm

 1000-2000 gam đối với đất chứa 10-30% các hạt có kích thước > 2mm

 2000-5000 gam đối với đất chứa trên 30% các hạt có kích thước lớn hơn 2mm

Lưu ý:

 Việc xác định phần trăm các hạt có kích thước > 2mm chỉ được

ước lượng

 Phương pháp chia tư được tiến hành như sau: Đất được trộn đều

và trãi rộng ra trên khai đựng đất, dùng dao chia làm bốn phần

đều nhau Sau đó chọn hai phần đất ở vị trí chéo nhau

4.4.5.3 Tiến hành thí nghiệm

- Cho m (gam) vào các bát nhỏ đã được cân trước, dùng nước để

làm ẩm và dùng chày cao su để nghiền đất Đổ thêm nước vào bát đựng đất, khuấy đục huyền phù và để lắng 10-15 giây Đổ nước

có các hạt không lắng qua rây đường kính 0.1mm

- Tiếp tục cho nước vào bát đựng đất, khuấy đục huyền phù và đổ nước có các hạt không lắng qua rây đường kính 0.1mm Lặp lại cho đến khi nước trong bát chứa đất hoàn toàn trong thì dừng lại

- Dùng quả lê cao su bơm nước dội sạch các hạt còn lại trên rây vào bát, gạn đổ nước trong bát đi

- Sấy đất trong bát cho đến khô, xác định khối lượng các hạt có kích thước lớn hơn 0.1mm (m1)

- Sàng đất qua các rây có đường kính 10mm; 5mm; 2mm; 1mm; 0.5mm; 0.25mm; 0.1mm; đáy rây

- Cân đất cộng dồn trên mỗi rây (để cho chính xác có thể cân luôn rây và đất , sau đó trừ đi khối lượng rây đã được cân trước để suy

ra khối lượng của đất)

- Khối lượng của đất lọt qua rây nào đó là khối lượng của đất tổng cộng trừ đi khối lượng của đất giữ trên rây cộng dồn

- Phần trăm khối lượng giữ lại trên rây cộng dồn

1

T i m m

- Phần trăm khối lượng lọt qua rây =100% - Phần trăm khối lượng

Trong đó: m1: Khối lượng đất tổng cộng của các hạt có kích thước lớn hơn 0.1mm (g); mi: Khối lượng đất giữ lại riêng trên mỗi rây (g); mTi: Khối lượng đất giữ lại trên rây cộng dồn (g)

4.4.6 Phương pháp tỷ trọng kế

- Xác định thành phần hạt bằng phương pháp tỷ trọng kế là tiến hành đo mật độ của huyền phù bằng tỷ trọng kế đã được hiệu

v : vận tốc giới hạn của hạt hình cầu, cm/s

w : khối lượng riêng của chất lỏng, g/cm3

s : khối lượng riêng của hạt, g/cm3

µ : hệ số nhớt của chất lỏng, poazơ, phụ thuộc theo nhiệt độ

- Cân nhóm hạt bị giữ lại trên các rây và nhóm hạt bị lọt xuống ngăn đáy Nếu trong mẫu đất không có hạt lớn thì không cần sàng qua rây có lỗ 1mm và lớn hơn

- Cũng bằng phương pháp chia tư lấy một mẫu đất trung bình đã lọt qua rây 0.5mm, cho vào trong một bát đã biết khối lượng và cân bát có chứa đất để xác định khối lượng của hạt đất có kích thước nhỏ hơn 0.5mm

- Khối lượng của mẫu đất này được lấy khoảng:

 20g đối với đất sét

 30g đối với sét pha

 40g đối với cát pha

Đối với sinh viên khi tiến hành thí nghiệm có thể làm như sau: Dùng khoảng 50g đất sét đã sấy khô hay 100g đất sét pha cát lọt qua rây 2mm

- Cho vào máy khuấy trộn trong 5-10 phút để làm phân tán các hạt

- Sau khi khuấy xong, đổ hỗn hợp vào trong bình chứa nước thứ nhất và cho thêm nước vào để đủ 1000ml

- Dùng bình chứa nước thứ hai để giữ thủy kế và nhiệt kế khi chưa

đo và mỗi lần đo xong

- Dùng cây khuấy để khuấy đều hỗn hợp, bấm đồng hồ đo giây

- Sau khi bấm đồng hồ, thả tỷ trọng kế vào đo Khi thả tỷ trọng kế vào bình cần phải giữ đứng bằng hai ngón tay và thả nhẹ vào cho đến khi nào tỷ trọng kế đứng yên

- Đọc tỷ trọng kế tại các thời điểm 15”, 30”, 1’, 2’

- Sau 2’ lấy tỷ trọng kế ra và cho vào bình nước thứ 2, sau đó đo nhiệt

độ , tiếp tục cho tỷ trọng kế vào bình để đo tại các thời điểm 4’, 8’, 15’, 30’, 1h, 2h, 4h Tỷ trọng kế được lấy ra sau mỗi lần đo, đồng thời đo nhiệt độ của hỗn hợp sau mỗi lần lấy tỷ trọng kế ra

v : vận tốc giới hạn của hạt hình cầu, cm/s

w : khối lượng riêng của chất lỏng, g/cm³

s : khối lượng riêng của hạt, g/cm3

µ : hệ số nhớt của chất lỏng, poazơ, phụ thuộc theo nhiệt độ

Ct : Hệ số hiệu chỉnh theo nhiệt độ

Cm : Hệ số hiệu chỉnh mặt khum, tra bảng (có thể lấy 0.0004)

- Phần trăm tích lũy của nhóm hạt có đường kính < d