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.
Trang 1NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN PHƯƠNG 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 của đất là một chỉ tiêu vật lý quan trọng trong việc phân loại và đánh giá trạng thái đất loại sét (đất dính) Tuy nhiên, khi tiến hành thí nghiệm xác định giới hạn chảy của đất bằng chùy xuyên Vaxiliev theo TCVN 4197-1995 lại gặp một số khó khăn Bài báo 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.
Từ khóa: Giới hạn chảy của đất; Các giới hạn Atterberg; Vaxiliev; Casagrande
1 GIỚI THIỆU
Theo định nghĩa của Atterberg (1911),
giới h n chảy của đất dính (WL) là độ ẩm mà
khi đó, đất chuyển từ tr ng thái dẻo sang
tr ng thái chảy Hiện nay các phòng thí
nghiệm địa kỹ thuật sử dụng hai ph ơng
pháp xác định giới h n chảy của đất: ph ơng
pháp Casagrande ho t động theo nguyên lý
“động” và ph ơng pháp chùy xuyên (xuyên
côn) ho t động theo nguyên lý “tĩnh” ể
xác định giới h n chảy của đất bằng chùy
xuyên, theo Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN
4197-1995) quy định chùy xuyên hình nón
(chùy xuyên Vaxiliev, kiểu Nga) có góc ở
đỉnh 30o, khối l ợng 76g lún t do vào trong
cốc đất 10mm sau 10 gi y Lúc đó đất ở
tr ng thái chảy
Tuy nhiên, qua th c tế sử dụng cho
thấy ph ơng pháp sử dụng bộ dụng cụ chùy
xuyên theo TCVN 4197-1995 có hai nh ợc
điểm:
a) Mất nhiều th i gian đối với những
ng i không có nhiều kinh nghiệm vì phải
th c hiện thí nghiệm nhiều lần thì độ lún của chùy xuyên đ t 10mm trong 10 gi y
b) Việc đọc độ lún của chùy xuyên ở mức 10mm đ ợc ớc l ợng bằng mắt
th ng d a vào v ch chia 10mm sẵn có trên
bề mặt chùy xuyên nên độ chính xác không cao
Nghiên cứu này nhằm mục đích khắc phục hai nh ợc điểm trên Từ đó rút ngắn
th i gian thí nghiệm, thao tác thí nghiệm dễ dàng nh ng vẫn đảm bảo độ chính xác, đáp ứng đ ợc các yêu cầu về học tập, nghiên cứu
và sản xuất
2 CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ TIÊU CHUẨN XÁC ĐỊNH GIỚI HẠN CHẢY CỦA ĐẤT
2.1 PHƯƠNG PHÁP CASARANDE
Dụng cụ Casagrande (Hình 1) ho t động theo nguyên lý “động”: một chỏm cầu
đ ng đất rơi từ độ cao 10mm xuống một
ch n đế (làm bằng gỗ hoặc cao su) t o ra l c
va đập, nh đó, hai khối đất ở hai bên một rãnh cắt rộng 2mm (Hình 1c) sẽ “chảy”
Trang 2xuống và khép kín rãnh cắt Khi nào rãnh cắt
khép liền l i một đo n bằng 13mm (Hình
1d) thì thí nghiệm sẽ kết thúc Nếu vết khép
13mm đ t đ ợc sau 25 lần rơi của chỏm cầu thì độ ẩm của mẫu đất lúc đó đ ợc xem là giới h n chảy của đất
Hình 1 Dụng cụ Casagrande để xác định giới hạn chảy của đất
Hiện nay có hai lo i dụng cụ
Casagrande đang đ ợc sử dụng ở các n ớc:
một lo i theo tiêu chuẩn ASTM và một lo i
theo tiêu chuẩn BS Hai lo i dụng cụ này
giống nhau về nguyên lý ho t động, chỉ khác
nhau về độ cứng của ch n đế Ch n đế của
dụng cụ Casagrande theo tiêu chuẩn BS
th ng đ ợc gọi là “đế mềm”, còn theo tiêu
chuẩn ASTM đ ợc gọi là “đế cứng”
Dụng cụ Casagrande ngày càng bộc lộ
nhiều nh ợc điểm, trong đó chủ yếu là:
a) s khó khăn khi phải t o rãnh cho
những lo i đất chứa nhiều cát hoặc bụi;
b) đất có tính dẻo thấp có khuynh
h ớng tr ợt dọc theo rãnh cắt chứ không
phải “chảy dẻo” để khép kín rãnh cắt;
c) đất có tính dẻo thấp có khuynh
h ớng hóa lỏng khi bị rung động (Sherwood
và Ryley, 1970);
Do vậy, các nhà nghiên cứu đã nỗ l c
tìm kiếm một ph ơng pháp thí nghiệm khác
có thể khắc phục những nh ợc điểm của
ph ơng pháp Casagrande
2.2 PHƯƠNG PHÁP CHÙY XUYÊN
Các kết quả nghiên cứu của Skempton và
Northey (1953), Youssef, el Ramli và el
Demery (1965) cho thấy sức kháng cắt không thoát n ớc của đất ở tr ng thái giới
h n chảy hầu nh không thay đổi cho tất cả các lo i đất dính Vì vậy, việc sử dụng dụng
cụ chùy xuyên hình nón đo nhanh sức kháng cắt không thoát n ớc để xác định giới h n chảy của đất là hợp lý
Các nhà nghiên cứu đều thống nhất với nhau rằng, việc sử dụng dụng cụ chùy xuyên để xác định giới h n chảy có thể lo i bỏ đ ợc
nh ợc điểm a) và b) nh ng vẫn không thể khắc phục đ ợc nh ợc điểm c) của dụng cụ Casagrande
Nếu nh dụng cụ Casagrande chỉ có hai
d ng thì dụng cụ chùy xuyên l i rất đa d ng Các lo i chùy xuyên có thể đ ợc chia thành hai nhóm chính: nhóm 1 sử dụng chùy xuyên
có góc ở đỉnh là 60°; nhóm 2 sử dụng chùy xuyên có góc ở đỉnh là 30° Ở mỗi nhóm, mỗi chùy xuyên đều có khối l ợng và độ lún quy ớc ở giới h n chảy khác nhau Bảng 1 trình bày các nhóm chùy xuyên (ph n lo i theo hình d ng, khối l ợng và các quốc gia đang sử dụng)
13mm
d) c)
b) a)
(Dao trộn) (Dụng cụ
quay đập)
(Mẫu đất) (Hộp ẩm)
(Dao tạo rãnh)
Trang 3Bảng 1 Phân nhóm các chùy xuyên xác định giới hạn chảy [5]
Nhóm Phụ
nhóm Quốc gia đang sử dụng
Chùy xuyên
ộ lún ở
WL
Sức kháng cắt ở
WL
Góc ở đỉnh l ợng Khối (o) (g) (mm) (kPa)
A A1 Thụy iển, Na Uy, Canada
B
B1 Nga và các n ớc khác
a) Trên mặt nón có
khắc v ch đánh dấu
ứng với độ lún 10mm
b) Sử dụng th ớc thẳng để đo độ lún c) Sử dụng đồng hồ so để đo độ lún d) Sử dụng tế bào quang điện để đo độ lún
Hình 2 Các lo i chùy xuyên xác định giới h n chảy đang đ ợc sử dụng hiện nay
Ngoài s đa d ng về thông số kỹ thuật
của chùy xuyên, các lo i chùy xuyên cũng
khác nhau về nguyên lý đo độ lún Hình 2a
đ i diện cho dụng cụ chùy xuyên đ ợc sử
dụng ở Nga và các n ớc khác Trên dụng cụ
này không có th ớc để đo độ lún mà chỉ
khắc một v ch đánh dấu ứng với độ lún
10mm trên bề mặt của chùy xuyên ộ chính
xác khi xác định độ lún của chùy xuyên lo i
này không cao Hình 2b sử dụng th ớc thẳng
để đo độ lún ối với dụng cụ chùy xuyên ở
hình 2c, độ chính xác khi xác định độ lún
của chùy xuyên tăng lên đáng kể Th ớc
thẳng nh ở hình 2b đ ợc chuyển thành
“th ớc tròn” Trên mặt đồng hồ có 360 v ch
chia, mỗi v ch ứng với 0,1mm Sau đó, các
nhà nghiên cứu đã chuyển từ nguyên lý đo
độ lún bằng dụng cụ cơ học sang nguyên lý
đo lún bằng thiết bị điện tử, n ng cao độ
chính xác khi xác định độ lún (Hình 2d)
3 NHẬN XÉT
1) Cả hai ph ơng pháp Casagrande và chùy xuyên dùng để xác định giới h n chảy của đất đ ợc đ a vào nhiều tiêu chuẩn khác nhau 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 và Prakash (2000): giới h n chảy xác định bằng dụng cụ Casagrande đế cứng (ASTM) và đế mềm (BS) sẽ không t ơng đồng ối với đất có tính dẻo thấp, giới h n chảy xác định bằng dụng cụ chùy xuyên sẽ thấp hơn so với dụng
cụ Casagrande; đối với đất có tính dẻo cao thì kết quả ng ợc l i
3) Cho đến nay, các nhà nghiên cứu đồng ý rằng, khi WL không quá 100% thì kết
Trang 4quả thí nghiệm bằng dụng cụ chùy xuyên
(kiểu Anh) t ơng đ ơng với dụng cụ
Casagrande đế mềm (BS)
4) Ph ơng pháp chùy xuyên có tính
định l ợng nhiều hơn so với ph ơng pháp
Casagrande, kết quả thí nghiệm từ dụng cụ
chùy xuyên có độ hội tụ tốt hơn, ít phụ thuộc
vào “cảm tính” của thí nghiệm viên so với
ph ơng pháp Casagrande, nên ph ơng pháp
thí nghiệm bằng chùy xuyên ngày càng đ ợc
sử dụng phổ biến hơn so với ph ơng pháp
Casagrande
5) Theo Serge và Jean Pierre (1996),
trong khoảng độ lún từ 10 đến 30mm đối với
chùy xuyên có góc ở đỉnh 30o thì quan hệ
giữa độ lún và độ ẩm là quan hệ tuyến tính,
cùng với s t ơng đồng về thông số kỹ thuật
góc ở đỉnh 30o giữa chùy xuyên kiểu Nga
(TCVN 4197-1995) và chùy xuyên kiểu Anh
(BS 1377: Part 2: 1990), để xác định giới
h n chảy của đất theo TCVN 4197-1995, tác
giả bài viết đề xuất sử dụng dụng cụ chùy
xuyên kiểu Anh đ ợc cải tiến trên cơ sở:
a) iều chỉnh giảm khối l ợng chùy
xuyên từ 80g xuống còn 76g;
b) ộ ẩm của đất ở giới h n chảy của
đất ứng với độ lún 10mm của chùy xuyên
đ ợc xác định theo nguyên lý trong tiêu chuẩn BS 1377: Part 2: 1990;
4 NỘI DUNG CẢI TIẾN PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH GIỚI HẠN CHẢY CỦA ĐẤT
Trình t các b ớc tiến hành thí nghiệm
và một số thiết bị khác đi kèm, về cơ bản là giống nh trong TCVN 4197-1995 Tuy nhiên ở ph ơng pháp cải tiến này có một số điều chỉnh về chùy xuyên và ph ơng pháp xác định độ ẩm giới h n chảy nh sau:
1) Thay bộ chùy xuyên kiểu Nga (Hình 2a) bằng bộ chùy xuyên kiểu Anh với nguyên lý đo lún bằng đồng hồ so (Hình 2c) hoặc bằng thiết bị điện tử (Hình 2d) nhằm
đ t độ chính xác cao;
2) Bỏ bớt các viên bi chì trong chùy xuyên sao cho khối l ợng chùy xuyên giảm
từ 80g xuống còn 76g (Hình 3);
3) Tiến hành xuyên và xác định 3 điểm trên biểu đồ có độ ẩm khác nhau ứng với các
độ lún của chùy xuyên thay đổi trong khoảng từ 5 đến 20mm với th i gian lún của chùy xuyên mỗi lần là 10 gi y, vẽ đ ng thẳng đi qua gần nhất giữa các điểm này, khi
đó giới h n chảy của đất là độ ẩm của đất ứng với độ lún chùy xuyên 10mm (Hình 4)
phân tích nêu trên, tác giả rút ra kết luận và
kiến nghị sau:
Trang 51) Giới h n chảy của đất xác định từ
dụng cụ chùy xuyên kiểu Anh có độ tin cậy
cao hơn so với xác định từ bộ dụng cụ
Casagrande
2) Việc xác định giới h n chảy của đất
bằng dụng cụ chùy xuyên Vaxiliev theo
TCVN 4197-1995 gặp khó khăn khi phải thử
nhiều lần xuyên để đ t độ lún 10mm trong
10 gi y ộ lún của chùy xuyên 10mm phải
ớc chừng bằng mắt th ng nên có độ chính
xác không cao
3) Sử dụng bộ chùy xuyên kiểu Anh có
điều chỉnh về thông số kỹ thuật khối l ợng
của mũi xuyên kết hợp với thiết bị đo lún
bằng đồng hồ so hoặc đồng hồ điện tử sẽ cho
kết quả đo lún có độ chính xác cao
4) Ph ơng pháp vẽ đ ng thẳng đi qua
gần nhất 3 điểm có độ ẩm khác nhau ứng với
các độ lún của chùy xuyên từ 5 đến 20mm
với th i gian lún của chùy xuyên mỗi lần là
10 gi y để xác định giới h n chảy ứng với độ lún 10mm là dễ dàng th c hiện
5) Bộ thiết bị chùy xuyên và ph ơng pháp xuyên cải tiến này có thể áp dụng để xác định độ ẩm giới h n chảy của đất theo tiêu chuẩn Trung Quốc
6) ể sử dụng hiệu quả hơn thiết bị thí nghiệm và đáp ứng đ ợc các tiêu chuẩn thí nghiệm TCVN; BS; ASTM; AASHTO, các phòng thí nghiệm địa kỹ thuật cần thiết phải trang bị bộ chùy xuyên kiểu Anh (lo i có đồng hồ đo lún bằng cơ học hay điện tử) và
bộ dụng cụ Casagrande
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 2 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 và giới hạn chảy
trong phòng thí nghiệm, Nhà xuất bản X y d ng (1995)
[5] Phan Thị San Hà, Lê Minh Sơn Các phương pháp xác định giới hạn chảy của đất và mối
tương quan giữa chúng, Science & Technology Development, Vol 12, No.05-2009