Kỹ thuật xây dựng - Các phương pháp xác định các thành phần hạt trong phòng thí nghiệm

1Giảng Viên: NCS. Ngô Tấn Dược ThS. Trần Minh Tùng 2Thành phần hạt của đất là gì ? Các phương pháp thí nghiệm được tiến hành theo tiêu chuẩn TCVN-4198-1995 Thành phần hạt của đất là hàm lượng các nhóm hạt có độ lớn khác nhau ở trong đất được biểu diễn bằng tỷ lệ % so với k.lượng mẫu đất khô tuyệt đối đã lấy phân tích 3Rây khô để phân chia các hạt có kích thước đến 2mm (No.10) Rây có rửa nước để phân chia các hạt có kích thước đến 0,074mm (No.200) Đối với các nhóm hạt có kích thước < 0,074mm thì thành phần hạt được xác định bằng phương pháp tỉ trọng kế Tùy theo kích thước của các hạt, thành phần hạt của đất hạt thô được xác định bằng phương pháp rây sàng theo 2 cách: Rây khô và rây rửa 4Cân kỹ thuật có độ chính xác từ 1g đến 0.01 g 5Bộ rây có nắp, đáy và Máy lắt sàng 6Cối sứ và chày bọc cao su Tủ sấy Đồng hồ bấm giây. Que khuấy và Nhiệt kế 7Tỷ trọng kế ( 151H đến 152H) Bình lắng đọng bằng thủy tinh (ống đo) dung tích 1000 ml để thí nghiệm thành phần hạt. 8a) Phương pháp rây sàng Lắp đặt rây theo thứ tự tăng dần kích thước lỗ từ dưới lên trên, bên dưới là đáy rây và trên cùng là nắp rây. Mẫu đất sau khi sấy khô được lấy bằng p.pháp chia tư Khối lượng đất lấy làm thí nghiệm được ước lượng như sau: 100-200g đối với đất không chứa các hạt có kích thước hơn 2mm. 300-900g đối với đất chứa đến 10% các hạt có kích thước1ớn hơn 2mm. 1000-2000g đối với đất chứa 10 đến 30% các hạt có kích thước1ớn hơn 2mm và 2000-5000g đối với đất chứa trên 30% các hạt có kích thước lớn hơn 2mm. 9Cân xác định khối lượng mẫu đất thí nghiệm. Cho toàn bộ đất lên rây trên cùng và tiến hành rây trong khoảng 10 phút. Cân cộng dồn các nhóm hạt từ nhỏ đến lớn ta được khối lượng đất giữ lại cộng dồn (ghi vào biểu mẫu thí nghiệm). Chú ý: Khi tách các hạt bằng chày và cối tránh làm cho các hạt bị vỡ. Sau khi cân kiểm tra lượng thất thoát không quá 1%. 10 Sau khi rây khô lấy từ dưới đáy rây (N010) một lượng đất từ 100-200g để thí nghiệm rây có rửa nước. Rây có rửa nước được tiến hành tương tự, đất trên rây được cộng dồn sau khi sấy khô. 11 b) Phương pháp tỷ trọng kế Lấy mẫu đất lọt qua rây No10 (khoảng 20g đối với đất sét; 30g đối với đất sét pha và 40g đối với cát pha). Cho mẫu đất và nước cất vào trong chén sứ và nghiền bằng chày có bọc cao su để tách rời các hạt mịn. Cho huyền phù vào trong bình thủy tinh và thêm nước cho đến khi được 1000ml Cho thêm 25ml pirophốtphat natri (Na4P2O7) có nồng độ 4% hoặc 6.7% đối với pirophốtphat natri ngậm nước và ngâm dung dịch trên. 12 Dùng que để khuấy huyền phù 1phút. Sau khi thôi khuấy 20 giây thả trọng kế vào trong huyền phù. Đọc và ghi nhận các số đọc trên tỷ trong kế ở các thời điểm 1 phút, 2 phút, 4 phút, 8 phút. Dùng nhiệt kế để kiểm tra to của huyền phù. Khuấy lại huyền phù và tiếp tục ghi nhận các số đọc trên tỷ trọng kế sau 15 phút, 30 phút, 24 giờ. 13 a) Phương pháp rây sàng Gọi A: tổng khối lượng đất làm thí nghiệm xi(%) phần trăm giữ lại cộng dồn ai: trọng lượng giữ lại cộng dồn của đất trên rây yi(%) phần trăm trọng lượng lọt qua. Ta có xi = (ai/A)* 100% Do đó yi = 100%- xi Các kết quả tính toán ghi vào bảng số liệu. 14 Bảng số liệu thí nghiệm rây sàng Trọng lượng tổng cộng A = Kích thöôùc raây (mm) Troïng löôïng giöõa coïng doàn (g) % Troïng löôïng giöõa laïi % Troïng löôïng loït qua Ghi chuù 50.0 37.5 25.4 19.0 12.5 9.51 4.76 2.00 Ñaùy raây 15 Chú ý: Đối với p.pháp TN rây có rửa nước khối lượng đất lấy làm TN lọt qua rây N010 đã tính được phần trăm lọt qua cộng dồn là B (phương pháp rây khô). Do đó phần trăm trọng lượng lọt qua đối với toàn mẫu sẽ bằng phần trăm trọng lượng lọt qua của mẫu đất rây có rửa nước nhân với B. 16 Tỷ trọng kế là 1 lọai dụng cụ bằng thủy tinh để xác định tỷ trọng của chất lõng. Các vạch ghi trên tỷ trọng kế có độ chính xác tới 0.001. Số đọc trên tỷ trọng kế sẽ được rút gọn bằng cách bỏ hàng đơn vị đi và dịch dấu phẩy về bên phải 3 số. Ví dụ số đọc là 24 thì tỷ trọng của dung dịch là 1.024. b) Phương pháp tỷ trọng kế 17 Hiệu chỉnh nhiệt độ: Khi tiến hành thí nghiệm ở nhiệt độ khác 20oC cần phải hiệu chỉnh lại số đọc trên tỷ trọng kế theo bảng tra sau: 18 Hiệu chỉnh mặt cong Có thể lấy số hiệu chỉnh mặt khum là 0.0004 cho tỷ trọng kế thường dùng. Ví dụ: Số đọc trên tỷ trọng kế là 24 Lượng hiệu chỉnh chiều cao mặt khum là 0.0004. Thí nghiệm được tiến hành ở nhiệt độ là 280 C nên có số hiệu chỉnh là 0.0018 (tra bảng). Số đo cuối cùng theo tỷ trọng kế là: Rc = 1+ 0.001*24 + 0.0018 + 0.0004 = 1.0262 19 Tính đường kính hạt đất lớn nhất d của nhóm hạt tích lũy nằm gần tâm bầu tỷ trọng kế tương ứng số đọc R: d = Trị số (a-V0/2F) = 10.2cm 20 m: là trọng lượng mẫu đất khô đem TN tỷ trọng kế Phần trăm tích lũy y của nhóm hạt có đường kính nhỏ hơn d là: y= VẼ BIỂU ĐỒ ĐƯỜNG CONG CẤP PHỐI HẠT VÀ XÁC ĐỊNH: Hệ số đồng nhất Tên đất 21 22 Phương pháp thí nghiệm được tiến hành theo TCVN 4197-1995 Giới hạn nhão của đất? Giới hạn dẻo của đất? 23 Trạng thái của đất ứng với những giá trị độ ẩm 24 Dụng cụ Casagrande (hoặc chùy Vaxiliev) Dao khía raõnh Kính môø (kính maøi nhaùm) Raây No 40 hoaëc raây coù ñöôøng kính 1mm Loø saáy Caùc thieát bò lieân quan khaùc. 25 a) Thí nghiệm xác định giới hạn nhão WL Hiện nay cĩ 2 P.pháp xác định giới hạn nhão chính Phương pháp bán cầu rơi Casagrande Phương pháp dùng chùy Vaxiliev  26 Cho đất vào đĩa khum (tránh tạo bọt khí trong đất) cách phần trên chỗ tiếp xúc với móc treo chừng 1/3 đ.kính đĩa,đảm bảo độ dày của lớp đất ko nhỏ hơn 10mm Dùng dao cắt rãnh chia đất ra làm 2 phần theo phương vuông góc với trục quay. Dùng khoản 100g đất đã được sấy khô, nghiền nhỏ qua rây No40. Trộn đất với nước vừa đủ nhão trên kính phẳng (hoặc trong chén sứ) và ủ đất toái thieåu trong 2giôø. 27 Quay đều cần quay với vận tốc khoảng 2vòng/s cho đến khi đất trong đĩa khép lại thành một đoạn daì 12.7mm (1/2 inch), đếm số lần rơi N. Lặp lại TN trên khoản 3 lần sao cho số lần rơi của lần TN thứ nhất khoảng 10-20lần, lần 2 khoảng 20-30, lần 3 khoảng 30-40 Lấy đất ở vùng xung quanh rãnh khép để xác định độ ẩm (khoaûng 10g). 28 Kết quả thí nghiệm giới hạn nhão được thể hiện trên biểu đồ quan hệ W-logN. Qua các điểm này vẽ đường thẳng trung bình Giá trị độ ẩm tại điểm N=25 là giới hạn nhão của đất Các kết quả thí nghiệm được tính toán biểu diễn theo bảng. 29 Bảng số liệu thí nghiệm Yêu Cầu: Tính toán kết quả thí nghiệm và xác định giá trị Ip, IL. Gọi tên đất 30 b) Thí nghiệm xác định giới hạn dẻo WP: Mẫu đất được chọn có thể lấy từ đất dư ở TN xác định giới hạn nhão. Mẫu được để khô cho tới gần giới hạn dẻo (cầm nắm không dính tay nhưng vẫn còn tính dẻo). Dùng tay lăn đất trên kính mờ cho đến khi trên thân các dây đất có đường kính khoản 3mm và xuất hiện các vết nứt. Lấy những dây đất đạt được những điều kiện như trên đem xác định độ ẩm. Độ ẩm này chính là giới hạn dẻo của đất. 31 Giới hạn dẻo Wp là độ chứa nước của một que đất có đướng kính 3mm bị rạn nứt khi se đất bằng tay trên mặt kính. Chỉ Số Dẻo Ip = WL - Wp Ip < 1 đất cát 1 < Ip < 7 đất á cát 7 17 đất sét PL P L WW WW I    Độ sệt IL < 0 Đất ở trạng thái cứng 0 < IL < 1 Đất ở trạng thái dẻo IL > 1 Đất ở trạng thái lỏng 32 Phương pháp thí nghiệm được tiến hành theo tiêu chuẩn TCVN 4201 – 1995 Độ chặt tiêu chuẩn(­tc) ? Độ ẩm tốt nhất (Wopt) ? Độ chặt của đất nền được xác định thông qua hệ số đầm chặt g tck k htK maxg 33 Cân kỹ thuật có độ chính xác đến 0.01g. Rây No.4 (D = 4,76mm). Khuôn đầm có thể tích 944 cm3 Búa đầm có khối lượng 2.5kg Chiều cao rơi của búa 30,48cm. Tủ sấy và bình phun nước 34 Dùng khoảng 5kg đất đã sấy hoặc phơi khô, nghiền tơi bằng vồ gỗ và cho qua rây No.4 Cho nước vào đất khô để tạo độ ẩm ban đầu cho mẫu đất. Lượng phun nước vào đất để dự chế độ ẩm tính theo công thức: )WW( W01.01 m01.0 q ts t  +  q: lượng nước phun thêm (g). Ws: độ ẩm của đất cần chế bị. Wt: độ ẩm của đất trước khi làm ẩm thêm. m: khối lượng đất trước khi làm ẩm thêm (g). 35 Cho đất vào khuôn và tiến hành đầm làm 3 lớp. Tùy theo từng loại đất mà số búa đầm trên mỗi lớp sẽ là 25, 40, 50 ứng với các loại đất cát hoặc á cát, đất á sét, đất sét. Sau đó Tháo cổ khuôn và dùng dao gọt bằng mặt. Cân đất ướt và khuôn để xác định khối lượng riêng của đất ẩm. Lấy một ít đất trong khuôn sau khi cân để xác định độ ẩm. Lặp lại thí nghiệm 4 đến 6 lần ứng với độ ẩm chế bị của mẫu tăng lên Chú ý : Khi đầm lớp thứ 3 cố gắng sao cho sau khi đầm thì đất nhô cao hơn mặt khuôn từ 2 đến 5mm 36 Kết quả TN được thể hiện trên biểu đồ quan hệ W– gk Xác định giá trị dung trọng khô lớn nhất gkmax và độ ẩm tốt nhất Wopt Xác định khoảng độ ẩm để độ chặt có giá trị lớn hơn 0.95 Khối lượng thể tích ẩm: gw = P/V (g/cm3) Khối lượng thể tích khô: gk = gw/(1+0.01W) (g/cm3) 37 BIỂU ĐỒ QUAN HỆ W – gk 38 THÍ NGHIỆM ĐẦM CHẶT KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM g/ cm3Dung trọng khô g­k=g­w/(1+0.01W) %Độ ẩm W = {(A-B)/(B-C)}*100 gC – trọng lượng lon gB – trọng lượng đất khô + lon gA – trọng lượng đất ẩm + lon Ký hiệu lon chứa g/ cm3Dung trọng ẩm g­w = (A­B)/C cm3C – thể tích khuôn gB – khối lượng khuôn gA – khối lượng đất ẩm + khuôn 54321 Số thứ tự lần đầmĐơn vị đo Các chỉ tiêu thí nghiệm 39 Kết Quả: Dung trọng khô lớn nhất: gkmax = ? Độ ẩm tốt nhất Wopt = ? Biểu đồ thí nghiệm đầm chặt Độ ẩm W (%) D un g tr ọn g kh ô (g /c m 2 ) 40 Phương pháp thí nghiệm được tiến hành theo tiêu chuẩn TCVN 4199-1995 Sức chống cắt của đất là phản lực của nó đối với ngoại lực ứng với lúc đất bắt đầu bị phá hoại và trượt lên nhau theo một mặt phẳng nhất định 41 THÍ NGHIỆM CẮT TRỰC TIẾP (DIRECT SHEAR TEST) 42 Trong đó:  - cường độ chống cắt của đất  - áp lực thẳng đứng tg - hệ số ma sát;  - góc ma sát trong c – lực dính ctg +  . Sức chống cắt của đất bao gồm lực ma sát và lực dính do liên kết giữa các hạt. Theo Coulomb, sức chống cắt của đất được xác định như sau: 43 44 Phương pháp U-U: Unconsolidation - Undrained. Phương pháp C-U: Consolidation - Undrained. Phương pháp C-D: Consolidation - Drained. 45 Vòng đo lực (vòng ứng biến). Dao vòng hình trụ đường kính trong D= 6.3cm, chiều cao h = 2cm. Đá thấm Hộp cắt Các quả cân 46 Đồng hồ đo chuyển vị 47 1. Dùng dao vòng ấn vào mẫu đất để tạo mẫu chuẩn bị đưa vào hộp cắt. 2. Cho mẫu đất vào hộp cắt. 3. Đặt hộp cắt chứa mẫu đất lên máy & điều chỉnh vị trí 4. Đặt tải trọng thẳng đứng 5. Quay tay quay để tạo chuyển vị trượt trên hai mặt phẳng của hộp cắt có chứa mẫu đất. 6. Ghi lại số đọc của đồng hồ trên vòng ứng biến sau mỗi biến dạng cắt 0.25mm( sau 15s). 48 Lưu ý: Tỷ lệ các tay đòn của hệ đòn bẩy tạo tải trọng thẳng đứng là l1/l2 = 12 Tốc độ chuyển vị ngang của hộp cắt khoảng 1mm/phút Số đọc giảm hoặc không tăng thì ngừng máy. Số đọc lớn nhất Dial Readingmax được ghi nhận để tính toán kết quả. Thực hiện các bước trên cho ít nhất là 3 mẫu đất của cùng một loại đất. 49 Ứng suất cắt  được xác định như sau:  = Dial Reading x R R – hệ số vòng của vòng ứng biến, (với vòng ứng biến hiện có ở PTN thì R = 0.03kg/cm2/vạch) Tính các giá trị của sức chống cắt theo số liệu TN thu được. Việc tính toán này dựa vào nguyên tắc bình phương cực tiểu )( 1 111    D F n i i n i i n i ii tc ppntg  )( 1 111 2 1    D  n i ii n i i n i i n i i tc pppc  2 11 2 )(  D n i i n i i ppn 50 Có thể xác định các giá trị sức chống cắt của đất bằng cách vẽ trực tiếp trên biểu đồ. 51 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM L ự c cắ t (K g/ cm 2 ) Áp lực thẳng đứng (Kg/cm2)s Ứ ng s uấ t c ắt (K G /c m 2) Biến dạng (%)e  0 1 2 4 5 6 7 8 9 10 52 Phương pháp thí nghiệm được tiến hành theo tiêu chuẩn TCVN 4200-199e5 Quá trình nén lún của đất dưới tác dụng của tải trọng ngoài thực chất là quá trình nén chặt đất. Vì dưới tác dụng của tải trọng ngoài, các hạt rắn được sắp xếp lại làm cho thể tích lỗ rỗng của đất giảm xuống và độ chặt của đất tăng lên. Tính nén lún của đất là khả năng giảm thể tích của nó (do giảm độ rỗng) dưới tác dụng của tải trọng ngoài. 53 54 Đối với đất sét thì tốc độ thoát nước chậm nên công trình có thời gian lún lâu. Đối vơi đất cát thì tốc độ thoát nước nhanh nên công trình sẽ bị lún trong thời gian ngắn. Khi công trình được xây dựng trên đất bão hòa nước, tải trọng công trình xem như truyền lên nước trong các lỗ rỗng của đất trước tiên. Vì chịu tải nên nước sẽ bị ép thoát ra từ các lỗ rỗng trong đất. Do vậy thể tích của đất giảm xuống và công trình bị lún. 55 Hiện tượng nén chặt do sự thoát nước từ các lỗ rỗng của đất dưới tác dụng của tải trọng nén ép được gọi là hiện tượng cố kết (Consolidation). 56 57 58 59 Từ thí nghiệm cố kết các thông số cần xác định là: Hệ số nén a. Mô đun biến dạng tổng quát E. Hệ số cố kết Cv.. Hệ số thấm cố kết K. Các thông số này dùng để dự tính độ lún của công trình và độ lún theo thời gian của công trình. 60 Máy nén cố kết. 61 Cho mẫu đất vào hộp nén, ở trên và dưới mẫu phủ bằng giấy lọc và đá thấm. Lắp đặt hộp nén vào máy và hiệu chỉnh kim đồng hồ chuyển vị về vị trí 0. Đặt áp lực theo từng cấp áp lực 0.25; 0.50; 1.0; 2.0; 4.0 Kg/cm2. Ứng với mỗi cấp tải phải tiến hành ghi nhận độ biến dạng nén của mẫu ở từng thời điểm 6’’, 15’’, 45’’, 1’, 2’, 3’, 5’, 7’, 10’, 15’, 30’, 1h, 2h, 3h, 5h, 8h, 24h kể từ khi đặt tải. 62 Lưu ý: Ứng với mỗi cấp áp lực mẫu được giữ cho đến khi đạt độ biến dạng nén ổn định (không vượt quá 0.01mm/30phút đối với đất cát; 3h đối với đất cát pha và 12h đối với đất sét pha và sét 63 )1( o o n n eh h e + D D ho – chiều cao ban đầu của mẫu. Dhn – biến dạng ổn định của mẫu ứng với cấp tải thứ n Mẫu đất trước khi đem thí nghiệm cần phải biết trước các đặc trưng vật lý, từ các chỉ tiêu này ta tính được hệ số rỗng ban đầu eo. Sự thay đổi hệ số rỗng Den đối với từng cấp tải trọng được tính theo công thức: 64 Dựa vào các số liệu thí nghiệm để tính toán kết quả và thiết lập các đường cong nén lún e-; e-log(p). Tính hệ số nén lún a (cm2/KG): Mô đun biến dạng E (KG/cm2): onn o nn aa eE bb +   ,1 ,1 1 1 1 ,1       nn nn nn ee a  65 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 e v (Kg/cm2) BIỂU ĐỒ e-p 66 67Hệ số  =Hệ số rỗng ban đầu eo = 8.0 4.0 2.0 1.0 0.50 0.25 0.0 Mô đun biến dạng Eo (Kg/cm2) Hệ số nén a (cm2/Kg) Hệ số rỗng e Số đọc (0.01mm) Áp lực nén (Kg/cm2) KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM NÉN CỐ KẾT 68 H ệ số r ỗn g e Áp lực thẳng đứng (Kg/cm2) 69