Nghiên cứu cải tiến phương pháp xác định giới hạn chảy của đất bằng chùy xuyên trong TCVN 4197-1995

ày 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 PHƢƠNG PHÁP VÀ TIÊU CHUẨN XÁC ĐỊNH GIỚI HẠN CHẢY CỦA ĐẤT 2.1. PHƢƠNG 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” THÔNG BÁO KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ* SỐ 1-2012 40 xuống 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. PHƢƠNG 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) THÔNG BÁO KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ* SỐ 1-2012 41 Bảng 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 Khối l ợng ( o ) (g) (mm) (kPa) A A1 Thụy iển, Na Uy, Canada 60 60 10 1,83 A2 Nhật bản 11,5 1,38 B B1 Nga và các n ớc khác 30 76 10 4,52 B2 Trung Quốc 17 3,50 B3 Anh, New Zealand 80 20 2,66 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 THÔNG BÁO KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ* SỐ 1-2012 42 quả 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 PHƢƠNG 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). Hình 3. Chùy xuyên kiểu Anh Hình 4. Biểu đồ xác định độ ẩm WL 5. KẾT LUẬN Từ th c tiễn nghiên cứu và qua các phân tích nêu trên, tác giả rút ra kết luận và kiến nghị sau: THÔNG BÁO KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ* SỐ 1-2012 43 1) 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.