THÍ NGHIỆM ĐỊA KỸ THUẬT - XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN HẠT

1. Khái niệm:

Thành phần hạt của đất: Là tỷ lệ phần trăm (%) theo khối lượng của các nhóm cỡ hạt thành phần có trong đất.

Phân tích thành phần hạt là một thí nghiệm cần thiết của đất, đặc biệt là đất hạt thô, kết quả phân tích thể hiện tỷ lệ tương đối các kích thước hạt khác nhau trong đất. Từ đó có thể xác định được thành phần chủ yếu của đất là cuội sỏi, cát, bụi hay sét. Và ở một giới hạn nào đó có thể kiểm soát được một số đặc tính kỹ thuật của đất. Ví dụ như xác định hệ số thấm của đất,...

Đường cong kích thước hạt có ý nghĩa lớn hơn khi đất được mô tả màu sắc và hình dạng hạt, cũng như tình trạng đóng gói bao bì của mẫu nguyên dạng. Tuy nhiên, hành vi kỹ thuật của đất còn phụ thuộc vào một số yếu tố khác như loại khoáng vật, cấu trúc và lịch sử địa chất.

2. Các phương pháp thí nghiệm:

- Phương pháp sàng khô;

- Phương pháp sàng ướt;

- Phương pháp tỉ trọng kế.

3. Thiết bị thí nghiệm:

- Cân kỹ thuật điện tử có độ chính xác 0.01g;

- Tủ sấy;

- Bộ rây sàng;

- Ống đong 1000ml;

- Nhiệt kế;

- Bình hút ẩm;

- Thiết bị nghiền đất: Cối và chày sứ;

- Bình phun tia,...

4. Tiêu chuẩn áp dụng:

TCVN 4198 : 2014 Đất xây dựng - Phương pháp phân tích thành phần hạt trong phòng thí nghiệm.

ASTM D422 - 63 Standard Test Method for Particle-Size Analysis of Soils.

MỘT SỐ LÝ THUYẾT VỀ THÀNH PHẦN HẠT

Một số định nghĩa

Phân tích kích thước hạt (Particle size analysis) thể hiện một cách định lượng tỉ lệ theo khối lượng của các kích thước khác nhau của các hạt có trong đất.

Kích thước hạt (Particle size) thường được cho theo đường kính tương đương.

Đường kính hiệu quả (Effective size) (D₁₀) là kích thước hạt trong đó 10% hạt mịn và 90% hạt thô. Tức đường kính hạt tại hàm lượng hạt mịn tích lũy là 10%.

Hệ số đồng nhất (Uniformity coefficient) (C_u) là tỉ số D₆₀ và D₁₀

Hệ số đường cong phân bố thành phần hạt (Coefficient of curvature) (C_c)

Phương pháp tỉ trọng kế:

Trong thí nghiệm phân tích thành phần hạt của đất bằng phương pháp tỉ trọng kế:

Theo tiêu chuẩn ASTM D422-63 có hai loại tỉ trọng kế (152H) và (151H) tương ứng với tỉ trọng kế loại (A) và tỉ trọng kế loại (B) trong TCVN 4198:2014.

Dưới đây là cách đọc tỉ trọng kế 151H.

Trên tỉ trọng kế 151H có khắc vạch từ 0.995 đến 1.038; tương ứng chúng ta có thể đọc từ -5 đến 38 để số liệu được rõ ràng.

ĐỊNH LUẬT STOKE’S

Kích thước hay đường kính hạt được xác định dựa theo định luật Stokes: Tốc độ υ (m/s) của một hạt hình cầu rơi tự do trong một chất lỏng được cho bởi:

Trong đó:

                  d: đường kính hạt (m);

                  ρ_s: khối lượng riêng hạt (kg/m³);

                  ρ_L: khối lượng riêng của chất lỏng (kg/m³)

                  η: độ nhớt của chất lỏng (N.s/m²);

                  g: gia tốc trọng trường m/s².

                  t  là thời gian lắng chìm của hạt đất kể từ khi ngừng khuấy huyền phù đến khi lấy số đọc trên tỉ trọng kế, tính bằng giây (s);

                  L là cự ly lắng chìm của các hạt đất kể từ bề mặt huyền phù cho đến trọng tâm của bầu tỉ trọng kế tương ứng với thời gian lắng chìm (t) khi lấy số đọc tỉ trọng kế, tính bằng centimet (cm)

QUY ĐỊNH HIỆU CHỈNH TỈ TRỌNG KẾ

1. Hiệu chỉnh cự ly chìm lắng của hạt đất:

        Số đọc tỉ trọng kế biểu thị khối lượng riêng của huyền phù lơ lửng; cự ly từ bề mặt huyền phù đến trọng tâm của bầu tỉ trọng kế biểu thị độ sâu chìm lắng hiệu quả của hạt đất. Khi thí nghiệm, sau khi thả tỉ trọng kế vào huyền phù để đọc số đo, mặt huyền phù vì thế mà dâng lên làm cho cự ly chìm lắng của hạt đất lớn hơn so với thực tế, vì thế cần phải hiệu chỉnh để loại trừ sai số đó.

2. Hiệu chỉnh mặt cong huyền phù

         Khi đọc số đọc trên cán phao tỉ trọng kế đều lấy đỉnh của mặt cong huyền phù làm chuẩn, nhưng do việc khắc độ trên cán phao tỉ trọng kế lại lấy đáy mặt cong của nước làm chuẩn, vì thế phải hiệu chỉnh.

3. Hiệu chỉnh chất phân tán

         Khi khắc độ trên cán phao tỉ trọng kế, lấy nước cất làm chuẩn, nhưng trong thí nghiệm thành phần hạt của đất có thể phải cho một lượng chất hóa học vào trong dung dịch để làm phân tán các hạt đất, vì thế sẽ làm thay đổi khối lượng riêng, do đó cần phải hiệu chỉnh.

4. Hiệu chỉnh nhiệt độ

         Do việc khắc độ của tỉ trọng kế tiến hành trong nước cất ở nhiệt độ 20⁰ C, khi tiến hành thí nghiệm nhiệt độ của huyền phù không phải 20⁰ C, sẽ có sự thay đổi khối lượng riêng của nước và sự co giãnthể tích phao của tỉ trọng kế, làm ảnh hưởng đến độ chính xác của tỉ trọng kế, vì thế cần hiệu chỉnh.

QUY TRÌNH HIỆU CHỈNH TỈ TRỌNG KẾ

1. Cự ly chìm lắng của hạt đất tương ứng với mỗi vạch chia ở thang tỉ trọng kế

1.2.1. Xác định thể tích (V₀)

         Đổ 900 cm³ đến 920 cm³ nước cất có nhiệt độ 20⁰C vào trong một ống đong thể tích 1000 cm³. Nhúng chìm tỉ trọng kế đến vạch chia cuối cùng (vạch 1.038) và ghi độ dâng lên của mực nước. Hiệu giữa mực nước trong khi nhúng chìm tỉ trọng kế và khi không có tỉ trọng kế chính là bằng thể tích (V₀) của phao tỉ trọng kế.

1.3. Xác định trị số a

         Trị số a là khoảng cách từ trung tâm phao tỉ trọng kế đến vạch khắc thấp nhất trên cán phao (vạch 1.030), tính bằng centimet (cm): Đổ 900 cm³ nước cất ở nhiệt độ 20⁰C vào trong ống đong dung tích 1000 cm³. Dán một miếng giấy kẻ li lên mặt phao tỉ trọng kế. Thả tỉ trọng kế vào ống đong cho đến khi nước trong ống dâng lên một đoạn đúng bằng một nửa thể tích của phao (V₀/2). Ghi chỗ tiếp xúc giữa mặt nước dâng lên và phao, đó chính là trung tâm phao. Đo khoảng cách từ vạch khắc thấp nhất trên cán phao tỉ trọng kế (vạch 1.030) đến trung tâm phao được trị số a, tính bằng centimet (cm).

Để đơn giản có thể đo khoảng cách từ vạch khắc thấp nhất đến đáy của phao tỉ trọng kế và chia 2.

2. Hiệu chỉnh mặt cong huyền phù

         Thả tỉ trọng kế vào ống đong có nước cất ở 20⁰C, đọc các số đo trên cán phao theo biên dưới và biên trên của mặt cong. Hiệu của hai số đọc là trị số hiệu chỉnh của mặt cong.

3. Hiệu chỉnh chất phân tán

          Đổ 950 cm³ nước cất ở nhiệt độ 20⁰C vào ống đong 1000 cm³. Thả tỉ trọng kế vào và đọc số đo theo mép trên của mặt cong, đọc xong lấy tỉ trọng kế ra cho vào ống đong có chứa nước cất;

          Cho thêm một lượng chất phân tán bằng lượng đã dùng khi thí nghiệm (đúng chủng loại và hàm lượng giống như khi sử dụng để thí nghiệm) vào ống đong. Sau đó đổ nước vào ống đong cho đến 1000 cm³, dùng que khuấy chuyên dụng khuấy đều từ trên xuống dưới, rồi từ dưới lên trên, để mặt nước yên, thả tỉ trọng kế vào và đọc số đo theo mép trên của mặt cong. Trị số hiệu chỉnh chất phân tán được tính theo công thức:

C = R’₂₀ – R₂₀

Trong đó:

C là trị số hiệu chỉnh của chất phân tán;

R’₂₀ là số đọc của tỉ trọng kế trong dung dịch của chất phân tán;

R₂₀ là số đọc của tỉ trọng kế trong nước cất 20⁰C.

4. Hiệu chỉnh nhiệt độ

Khi thí nghiệm, nếu nhiệt độ của huyền phù khác 20⁰C, thì phải hiệu chỉnh, trị số hiệu chỉnh nhiệt độ được liệt kê trong Bảng 1

Bảng 1: Trị số hiệu chỉnh nhiệt độ

Bảng 2:  Bảng tra hệ số nhớt của nước

VIDEO THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN HẠT CỦA ĐẤT