Xác định các giới hạn Atterberg
Chúng tôi sẽ mô tả các thí nghiệm xác định giới hạn chảy, giới hạn dẻo và giới hạn co ngót, là những giới hạn quan trọng nhất trong cơ học đất. Tất cả các thí nghiệm này được tiến hành trên các mẫu đất dính bị phá vỡ cấu trúc.
Thí nghiệm xác định giới hạn chảy
Đối với thí nghiệm này lấy khoảng 200 p đất ở trạng thái tự nhiên ẩm, không có hạt có đường kính lớn hơn 0,5 mm, vì chúng sẽ làm sai lệch độ chính xác của kết quả thí nghiệm. Mẫu không được sấy trong tủ sấy mà được cho ngay vào cốc sứ có nước cất, nơi phải để lại trong nhiều giờ cho đến khi thấm ẩm đều. Đối với đất thịt sét có chỉ số dẻo IP < 20, thời gian thấm ẩm khoảng 4 giờ; đối với đất sét IP > 20 là từ 18 giờ. Sau đó mẫu đã thấm ẩm được chuyển lên tấm kính và trộn kỹ bằng dao thí nghiệm để thu được một hỗn hợp sệt đặc có thành phần đồng nhất. Nếu thấy các hạt lớn hơn 0,5 mm, chúng sẽ được loại bỏ trong khi trộn.
Mẫu đã chuẩn bị như vậy được đổ vào bát đồng thau của thiết bị Casagrande để xác định giới hạn chảy (hình 1), thiết bị này trong các phòng thí nghiệm của chúng tôi được gọi là máy lắc Casagrande.
Hình 1. Thiết bị Cassagrande để xác định giới hạn chảy
Thiết bị gồm một chén bằng đồng thau, được nối vào máy bằng một liên kết đặc biệt, một bệ đàn hồi bằng cao su cứng, với một bộ lệch tâm ở phần trên và tay quay, trong đó bộ lệch tâm được nâng lên đến độ cao 1 cm, làm cho chén rơi xuống và va vào bệ (hình 1a). Kích thước của thiết bị được quy chuẩn. Ngoài ra còn có một dao tạo hình với kích thước xác định chính xác (hình 1b).
Mẫu đã nhào được san phẳng trong bát bằng đồng bằng dao sao cho bề mặt mẫu hoàn toàn phẳng, và mẫu che phủ hơn một nửa phần trước của bát, với chiều cao của nó phía trên điểm thấp nhất của đáy bát khoảng 12 mm. Sau đó bát được đặt vào thiết bị và dùng dao định hình cắt một rãnh ở giữa sao cho rãnh hoàn toàn thẳng và thấy được đáy bát bằng đồng, điều này đạt được bằng cách kéo dao cẩn thận vuông góc với đáy bát. Chiều dài rãnh nên khoảng 40 mm. Ngay sau đó quay tay quay của thiết bị với tốc độ 2 vòng mỗi giây, đồng thời đếm số lần bát đập vào đế và quan sát rãnh, rãnh này do va đập của bát vào đế sẽ hẹp lại, vì các phần đã cắt của mẫu dịch chuyển và có xu hướng khép lại. Việc quay tay quay của thiết bị tiếp tục cho đến khi rãnh khép lại trên chiều dài 10 mm. Khi đạt được điều đó, dừng quay tay quay, rồi ngay sau đó dùng dao lấy ra một lượng mẫu khoảng 2 cm3 từ phần quanh rãnh đã khép lại ở cả hai phía, đặt vào kính đồng hồ và xác định độ ẩm của đất.
Thí nghiệm này được lặp lại 3-4 lần theo cùng một cách, nhưng mỗi lần với độ ẩm khác nhau, điều này đạt được bằng cách trước hết trộn mẫu với một lượng nước nhỏ hơn, rồi sau đó thêm nước cho các thí nghiệm còn lại. Sau mỗi lần thí nghiệm hoàn tất, mẫu được đổ lên một tấm kính, thêm một ít nước và trộn đều, để thu được một khối sền sệt đồng nhất, mỗi lần loãng hơn đôi chút.
Để tiến hành thí nghiệm, khối bùn đã chuẩn bị không được quá đặc cũng không được quá loãng, vì các trạng thái độ sệt của đất quá xa giới hạn chảy sẽ không cho độ chính xác cần thiết cho thí nghiệm này. Thông thường chấp nhận rằng nếu số lần va đập nhỏ hơn 10 hoặc lớn hơn 50, thì thí nghiệm không thành công, nhưng độ chính xác của thí nghiệm được coi là tốt hơn nếu khoảng giữa các giới hạn này là 10-40 lần va đập.
Cần lưu ý rằng theo một quy trình, mỗi lần sau khi quay tay quay xong đến khi rãnh khép lại trên chiều dài 1 cm, mẫu trong bát đồng thau được trộn ngay bằng dao và bề mặt mẫu trong bát được làm phẳng lại, rạch một rãnh mới, rồi quay tay quay của thiết bị. Quy trình này được lặp lại cho đến khi đạt được ba lần liên tiếp cùng một số lần va đập khi khép rãnh trên chiều dài 1 cm, và con số đó được lấy cho bước tiếp theo trong việc xác định giới hạn chảy. Kết quả thí nghiệm được biểu diễn trên đồ thị theo thang bán logarit (hình 2). Trên trục hoành biểu diễn số lần va đập theo thang logarit còn trên trục tung biểu diễn lượng nước theo phần trăm khối lượng khô của mẫu theo thang số học. Vì ở mỗi lần thử lượng nước w khác nhau, nên ta sẽ thu được các điểm A, B, C và D tương ứng với số lần va đập khác nhau, trong đó số lần va đập càng ít khi lượng nước càng lớn và ngược lại. Nối các điểm này ta được một đường thẳng nghiêng, trên đó tìm điểm M ứng với 25 lần va đập. Lượng nước tương ứng với điểm này được lấy làm giới hạn chảy wL.
Sl. 2. Xác định giới hạn chảy
Xác định giới hạn dẻo
Mẫu đất được chuẩn bị theo cách đã mô tả ở trên, nhưng với ít nước hơn, sao cho là khối dẻo ở trạng thái gần như dẻo dai, được vo thành viên cỡ khoảng 2-3 cm3, rồi dùng lòng bàn tay lăn trên nền giấy thường hoặc giấy thấm thành sợi có đường kính 3 mm. Nếu mẫu có thể được lăn đến độ dày đó mà không gãy, thì lại vo thành viên và lăn theo cách tương tự. Quy trình này được lặp lại cho đến khi đạt được rằng sợi lăn ở độ dày 3 mm bắt đầu gãy. Khi đó, các sợi bị gãy được đặt vào kính đồng hồ và xác định lượng nước. Lượng nước đó, biểu thị theo phần trăm khối lượng khô của mẫu, tương ứng với giới hạn dẻo wP.
Xác định giới hạn co ngót
Hình 3. Xác định giới hạn co ngót
Mẫu đất được trộn với nước cất theo cách đã mô tả trong Thí nghiệm xác định giới hạn chảy, sao cho độ sệt của nó xấp xỉ tại giới hạn chảy, khi mọi lỗ rỗng đều bão hòa nước. Sau đó tạo thành một viên tròn, để khô trước ngoài không khí, rồi trong tủ sấy ở 105°C. Trình tự sấy này là cần thiết để tránh các vết nứt trong mẫu đã khô, vì chúng sẽ làm nhiễu thí nghiệm. Ngay từ đầu, cân khối lượng W1 của mẫu và xác định thể tích V1 của nó bằng thí nghiệm nhúng vào thủy ngân, sau đó tiếp tục sấy ngoài không khí, rồi trong tủ sấy, thỉnh thoảng lấy mẫu ra, làm nguội trong bình hút ẩm và cân khối lượng của nó W2, W3, W4 v.v. và thể tích V2, V3, V4 v.v. Bằng cách đó sẽ xác định được rằng ở một trạng thái độ ẩm nào đó, thể tích của mẫu không còn giảm nữa mặc dù khối lượng của nó vẫn tiếp tục giảm do sấy. Nếu mẫu ở trạng thái ban đầu bão hòa nước, tức là không chứa không khí trong các lỗ rỗng, thì lượng nước mất đi do sấy mẫu đến giới hạn co ngót xấp xỉ bằng sự giảm thể tích của mẫu. Sau đó việc sấy vẫn tiếp tục mà không đo thể tích, cho đến khi mẫu khô hoàn toàn, tức là đến khi khối lượng không đổi. Khi đó xác định lượng nước tính theo phần trăm khối lượng khô của mẫu cho mỗi lần đo thể tích và khối lượng của mẫu, rồi biểu diễn kết quả thí nghiệm lên đồ thị (hình 3). Theo cách này thu được các điểm A, B, C, D và E, được nối lại với nhau, nên thường thu được một đường có chỗ gãy rõ ở vùng giới hạn co ngót. Tại điểm gãy S thu được độ ẩm w tương ứng với giới hạn co ngót W_S.
Xác định tính mao dẫn
Thí nghiệm xác định chiều cao mao dẫn của nước được thực hiện theo hai cách, cụ thể là đo trực tiếp chiều cao mao dẫn của nước và đo gián tiếp bằng capilarimet.
Thí nghiệm xác định chiều cao mao dẫn bằng phép đo trực tiếp
Từ mẫu bị xáo trộn lấy khoảng 300 pond đất, phơi khô ở 105°C, sau đó để nguội rồi nghiền thành bột thật mịn, không làm vỡ các hạt. Bột thu được được đổ vào một ống thủy tinh đường kính ø 25 mm, dài 1,5 - 2,5 m, hở ở cả hai đầu, trong đó đầu dưới trước đó được bịt bằng bông thủy tinh hoặc một mảnh vải. Vào đầu trên hở, đổ bột đã sấy khô đến chiều cao khoảng 10 cm, sau đó nâng ống lên và thả cho va đập xuống nền gỗ hoặc một giá đỡ đàn hồi khác cho đến khi thấy bột trong ống lún xuống. Việc kiểm tra độ lún của bột được thực hiện bằng cách đánh dấu các vạch bằng phấn mỡ trên ống. Sau đó đổ thêm 10 cm bột nữa và lặp lại quy trình tương tự cho đến khi ống được lấp đầy bằng bột khô nén chặt của mẫu đất mà chúng ta đang khảo sát tính mao dẫn. Tiếp theo, nhúng đáy ống vào một bình thủy tinh chứa nước cất không có dòng chảy, sao cho đầu dưới của ống không được tựa lên đáy bình (hình 4). Cố định ống thủy tinh bằng một thanh gỗ vào thước chia, sao cho cả ống và thước đều thẳng đứng. Sau đó quan sát sự dâng lên của nước trong ống, có thể nhận ra rõ bằng màu sắc: mẫu khô có màu sáng, ẩm có màu sẫm. Khoảng cách giữa mực nước trong bình và mép trên của mẫu ẩm chính là chiều cao dâng mao dẫn hk.
Hình 4. Xác định chiều cao mao dẫn của nước bằng phép đo trực tiếp
Việc quan trắc thường được thực hiện sau 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 v.v. giờ. Kết quả quan trắc được thể hiện trên đồ thị, trong đó trục hoành biểu thị thời gian tính bằng giờ, còn trục tung biểu thị chiều cao nước dâng mao dẫn tính bằng mm (hình 5).
Đối với vật liệu cát, hiện tượng mao dẫn ban đầu diễn ra nhanh, sau đó chậm hơn và chiều cao cuối cùng của sự dâng lên đạt được nhanh chóng. Đối với vật liệu đất sét, hiện tượng mao dẫn ban đầu chậm hơn, nhưng kéo dài hơn và đạt tới độ cao lớn hơn nhiều.
Phương pháp xác định chiều cao mao dẫn này tốn nhiều thời gian, đặc biệt đối với đất sét. Ngoài ra, chiều cao mao dẫn phụ thuộc vào nhiệt độ không khí cũng như độ ẩm của không khí, vì vậy cần giữ các yếu tố này ổn định ở mức tối đa có thể.
Hình 5. Sơ đồ dâng mao dẫn của nước trong đất, a-cát; b-bụi; c-đất sét
Thí nghiệm xác định chiều cao mao dẫn bằng capilarimet
Có nhiều loại phép đo mao dẫn với các kết cấu khác nhau, như capilarimet Beskowa, Jürgenson và Engelhardt. Ở đây chúng tôi sẽ mô tả nguyên lý hoạt động của capilarimet Beskowa, loại được sử dụng nhiều nhất.
Thử nghiệm này được thực hiện trên mẫu nguyên dạng hoặc mẫu bị xáo trộn. Nếu mẫu bị xáo trộn thì đưa vào thiết bị ở trạng thái giới hạn chảy.
Hình 6. Capilarimet Beskow
Máy đo mao dẫn Beskow gồm hai bình chứa (hình 6), được nối với nhau ở phần dưới bằng ống cao su gia cường. Trong bình 1 đặt mẫu đất trên đáy lọc, còn bên dưới là một bình chứa một phần nước cất, một phần thủy ngân, sao cho ở phần dưới nó lấp đầy cả ống cao su và phần dưới của bình 2. Lúc đầu thí nghiệm, mực thủy ngân trong cả hai bình như nhau. Sau đó bình 2 được hạ xuống, nhờ đó tạo ra áp suất âm bên dưới đáy lọc của bình 1. Khi áp suất âm này lớn hơn các lực mao dẫn trong mẫu, không khí xuyên qua mẫu vào đáy lọc và ngay sau đó mực thủy ngân trong cả hai bình được cân bằng bằng cách hạ bình 2. Chênh lệch Hg giữa mực thủy ngân trong bình này và bình kia tại thời điểm cân bằng giữa áp suất âm và các lực mao dẫn, tức là ngay trước khi không khí bắt đầu xuyên qua mẫu, sau khi quy đổi ra chiều cao cột nước và cộng thêm chiều cao cột nước h dưới mẫu, cho ta chiều cao mao dẫn hk. Vì thủy ngân nặng hơn nước 13,6 lần, nên chiều cao nâng mao dẫn hk là:
hk = 13,6 Hg + h
Xác định độ thấm của đất
Thí nghiệm trong phòng để xác định độ thấm của đất được tiến hành bằng các thiết bị đặc biệt gọi là permeameter. Có nhiều kiểu cấu tạo permeameter, tuy nhiên có thể chia thành hai nhóm: permeameter với áp lực nước không đổi, dùng cho đất hạt thô hơn, và permeameter với áp lực nước giảm dần dùng cho đất hạt mịn. Trong cả hai trường hợp, thí nghiệm được thực hiện trên các mẫu nguyên dạng.
Bằng thí nghiệm trong phòng, người ta xác định hệ số thấm của đất; giá trị này được biểu thị ở một nhiệt độ xác định, do độ nhớt của nước khác nhau ở các nhiệt độ khác nhau, điều này ảnh hưởng đến giá trị của hệ số thấm k. Thông thường hệ số k được biểu thị ở nhiệt độ t =10°C. Vì vậy, nếu 10°C, nhiệt độ của nước khi xác định hệ số k là T khác với t = 10°C thì giá trị của nó được quy đổi theo công thức:
k10oC = ηt /η10oC * kT
trong đó ηt và η10oC là độ nhớt của nước ở nhiệt độ làm việc T, tức nhiệt độ được chọn t =10°C.
kT giá trị thu được của hệ số thấm của đất ở nhiệt độ làm việc T.
Các giá trị độ nhớt ứng với các nhiệt độ T khác nhau được cho trong bảng 1.
Thí nghiệm với áp suất nước không đổi
Hình 7. Permeameter with constant water pressure
Đối với phép thử này, lấy một mẫu đất nguyên dạng cho vào xi lanh kim loại có đường kính D, chiều cao h, với cạnh dưới được vát nhọn, bằng cách ấn vào đất hoặc vào một mẫu nguyên dạng lớn hơn. Sau khi san phẳng bề mặt trên và dưới của mẫu ngang bằng với mép xi lanh, mẫu trong xi lanh được đặt vào thiết bị (hình 7) giữa bộ lọc trên và bộ lọc dưới. Bộ lọc dưới gồm một lưới dày và đá lọc, để cho phép nước chảy qua mẫu và ngăn rửa trôi các hạt đất. Bộ lọc trên không có lưới vì khả năng rửa trôi hạt nhỏ hơn. Nước được cấp vào mẫu từ mức N, được giữ không đổi nhờ ống tràn, sao cho áp suất thủy tĩnh H không đổi. Dưới áp suất này nước đi qua mẫu có chiều dày h và nhờ ống nối ở phần trên của thiết bị mà vào đến ống đong thủy tinh M nơi nó nhỏ giọt.
Ngay khi nước bắt đầu chảy qua mẫu vào bình đong, chúng ta cho đồng hồ bấm giờ chạy và quan sát lượng nước q chảy vào bình đong trong thời gian t. Theo định luật Darcy thì
q = k*A*t*i
trong đó k là hệ số thấm tính bằng cm/sec, A là diện tích mặt cắt của mẫu, i là độ dốc thủy lực, i = H/h.
Từ phương trình trên ta có k= qh/Ath [cm/sec].
Lượng nước đi qua mẫu được ghi nhận theo từng khoảng thời gian từ đầu đến cuối quá trình quan sát, vì vậy ta có cả lượng nước từng phần và tổng lượng nước đã đi qua mẫu.
Để loại trừ các bọt khí trong mẫu và trong nước, vốn có thể dẫn đến kết quả thí nghiệm sai lệch, cần bảo đảm trước thí nghiệm mẫu ở trạng thái bão hòa, đồng thời để tiến hành thí nghiệm phải dùng nước đã đun sôi hoặc ít nhất là nước để lâu.
Thay vì thiết bị đã mô tả ở trên dựa trên áp lực thủy tĩnh do chênh lệch mực nước H, còn có các thiết bị trong đó áp lực thủy tĩnh được tạo ra bằng áp suất khí từ 10 đến 15 kp/cm2, được duy trì không đổi bằng máy nén.