Phân tích hạt thô bằng bộ rây tiêu chuẩn

Mỗi quôc gia có bộ rây tiêu chuẩn riêng tuỳ thuộc vào hệ thống phân loại nhóm hạt thô. Từ trước đến nay, ở ta thường dùng bộ rây tiêu chuẩn của Liên Xô (cũ) với mắt rây nhỏ nhất là 0,1 mm, rồi đến 0,25; 0,50; 1,00; 2,00; 5,00; 10,00 (min).

Điều nay có nghĩa là phương pháp phân tích giá trị hạt bằng rây cho thiết kế xây dựng phần móng nhà ở chỉ thực hiện đối với các hạt đất thô có đường kính lớn hơn 0,lmm .

Bộ rây tiêu chuẩn được xếp chồng trên đáy rây với rây mịn nhất ở dưới và rây thô nhất ở trên cùng (hình 1.9,1. Cho M gam đất vào rây thô nhâì trên cùng, đặt bộ rây vào bàn lắc hoặc lắc tay đế thực hiện rây. Cân và ghi chép khối lượng m( đọng lại trên mỗi rây ứng với mắt rây dị và đáy rây vào bảng.

Từ số liệu ở bảng tính khối lượng hạt n_i lọt qua mỗi rây (tức nhóm hạt có d ≤ d_i) theo cách thrc cộng dồn. Ví dụ nhóm có đường kính d ≤ 2,0 m là:

n_2,0 = M_m + m₇ + m₆ + m₅ + m₄ (g)

Nhóm hạt có d ≤ 0,25m là :n_0,25 = M_m + m₇

Nhóm hạt có d ≤ 0,lm là:n_0,1 = (đọng trên ô đáy bộ rây).

Nếi đất không chứa nhóm hạt mịn Mm thì thí nghiệm phân tích hạt đến đây là kết thúc. Vấn đếcòn lại là biểu thị thành phần hạt bằng đường phân tích hạt.

Tham khảo về bộ rây tiêu chuẩn của các nước:

Mỗi hệ thống phân loại đất đều kèm theo một bảng phân loại nhóm hạt thô và một bộ rây tiêu chuẩn. Để cán bộ kỹ thuật Công ty hóa chất xây dựng Phương Nam tiện theo dõi các hệ thống phân loại đất, trong phần tham khảo này Phương Nam xin nêu giá trị những bộ rây tiêu chuẩn và một số quy định được dùng ở một số nước có quan hệ kinh tế với ta.

Bộ rây tiêu chuẩn của nước Anh

Bộ rây tiêu chuẩn của nước Anh có số hiệu và mắt rây tương ứng cho ở bảng 1.13.

Theo bộ tiêu chuẩn phân loại nhóm hạt và bộ rây tiêu chuẩn của Anh cho giá trị thiết kế xây dựng phần móng nhà ở thì hạt đất thô lọt qua rây N° 200 - 0,063mm bằng cách rây ướt thuộc nhóm hạt đất mịn.

Theo tiêu chuẩn Anh, đất chế bị dùng làm thí nghiệm về giới hạn Atlerberg phải lọt qua rây N^o 36, túc có d ≤  0,42mm.

Nhóm hạt cát dược phân tách bằng hai rây: rây N°. 200 và rây N°. 8.

Bộ rây tiêu chuẩn của Hoa Kỳ

Ngoài bộ rây ghi trong bảng còn có rây 3 in (75mm), rây 1 in, rây 3/4 in, rây 1/2 in và rây 3/8 in (lin = 2,54cm).

Theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ, nhóm đất hạt mịn lọt qua rây N°. 200 và d = 0,075mm bằng cách rây ướt. Vậy so với tièu chuẩn Anh thì đất hạt mịn theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ lớn hơn

075 - 0,063 = 0,012mm. Điều này cần chú ý đến khi sử dụng hệ thống phân loại đất của mỗi quốc gia.

Theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ, đất dùng để thí nghiệm xác định giới hạn Atlerberg phải lọt qua rây N°. 40 - 0,420mm. Điều này tương tự với tiêu chuẩn Anh với rây N°. 36 - 0,42mm.

Bộ rây tiêu chuẩn của Pháp

Theo tiêu chuẩn của Pháp (NFX 11-501) thì bộ rây tiêu chuẩn của Pháp được quy định như sau:

Do hệ thống phân loại đất AASHTO (Hoa Kỳ) được sử dụng ở Pháp nên bộ rây tiêu chuẩn của Hoa Kỳ cũng được chấp nhận ở Pháp nhưng có thay đổi về rây No. 40 và rây N°. 200.

Theo tiêu chuẩn của Pháp thì rây N°. 40 có mắt rây là 0,40mm (của Hoa Kv là

42mm), rây N°. 200 có mắt rây là 0,08mm (của Hoa Kỳ là 0,075mm).Nhóm đất hạt mịn được quy định là lọt qua rây N°. 200 theo tiêu chuẩn Pháp, tức có đưmg kính nhỏ hơn 0,080mm.

Đất dùng làm thí nghiệm Atlerberg phải lọt qua rây 0,40mm (rây số 27 của bộ rây tiêi chuẩn AFNOR).

Bộ rây tiêu chuẩn của Liên Xô với bảng phân nhóm hạt của Trung Quốc theo Quy trìih 79 về phân loại đất

Bộ rây tiêu chuẩn của Liên Xô với các mắt rây: 0,10mm; 0,25mm; 0,50mm; 1,00mm; 2,00mm; 5mm và 10,00mm được dùng theo Quy trình 62 của Trung Quốc và cũng được dùng ở nước ta cho đến nay.

Mặc dù chưa có tài liệu nào hiện nay của Trung Quốc đánh giá bộ rây tiêu chuẩn cùa Liên Xô nhưng theo tác giả cuốn sách này thì với Quy trình 79 về phân loại đất và phân nh>m hạt (bảng 1.3) của Trung Quốc, bộ rây tiêu chuẩn của Liên Xô với các mắt rây nêu trêi vẫn thích hợp:

Nhóm hạt mịn được tách bằng rây 0,10mm.

Nhóm hạt cát nhỏ được tách bằng rây 0,l0mm và rây 0,25mm.

Nhóm hạt cát vừa được tách bằng rây 0,25mm và rây 0,50mm.

Nhóm hạt cát to được tách bằng rây 0,50mm và rây 2,00mm.

Nhóm hạt cuội (dăm) được tách bằng rây 2,00mm và rây 5,00mm.

Nhân đày cần nói thêm tằng, sụ thay dổi eách phân nhóm hạt từ Tiêu chuẩn Liên Xô ( Quy trình 62 - TQ) sang cách phân loại nhóm hạt mới (bảng 1.3) có hai ưu điểm nổi bậ, một là thừa hưởng được các tiên bộ khoa học kĩ thuật thế giới hai là kế thừa được các thình tựu xây dựng trong gần nửa thế kỉ trước.

Phân tích giá trị hạt thô cho thiết kế xây dựng nhà ở bằng phương pháp tỉ trọng kế

Nếu đất có chứa nhóm hạt mịn lọt qua rây mịn nhất, thì nhóm hạt này sẽ đọng lại ở ô giấy bộ rây tiêu chuẩn (tức khối lượng M_m đã nêu ở mục trên). Từ nhóm hạt M_m này tách ra một lượng m_m (vào khoảng 50g) để làm thí nghiệm phân tích theo phương pháp tỉ Tọng kế. Theo bộ rây thường dùng của ta và Trung Quốc thì nhóm hạt mịn này có đường kính d ≤ 0,1 mm, theo Hoa Kỳ thì d ≤ 0,075mm (rây N°. 200 của Mỹ), theo Anh thì d ≤ 0,063 (rây mịn nhất của Anh). Theo TCVN 5747 - 1993 thì hạt mịn có d <  0,08mm.

Ngâm mẫu thí nghiệm mm vào nước cất (khoảng 300ml) có pha hoá chất phá keo, ví dụ. hoá chất natri hexametaphosphate với nồng độ 2g/lít nước cất. Sau đó thêm nước cất vàJ dế tạo phù địch (suspension, có người gọi là huyền phù) với thể tích V vào khoảng 5C0ml hoặc 1000ml tuv thuộc dung tích ống lường làm thí nghiệm, về nguyên tắc, ống lưíng có đường kính càng lớn càng tốt vì giảm nhỏ được độ dâng cao mặt thoáng củaphù dịch khi nhúng tỉ trọng kế để đo tỉ trọng của phù dịch. Tỉ trọng kế gồm phao và cần đọc được chế tạo đặc biệt để thích ứng với thí nghiệm. Với nước cất ở 20°c, vạch đọc ở cần, ngay mặt thoáng phù dịch là 1,0, tức tỉ trọng nước Δ = 1. Khoảng cách từ trọng tâm của tỉ trọng kế đến vạch đọc là L.

Khuấy đều phù dịch rồi để yên lặng (lấy mốc thời gian chìm lắng hạt đất t = 0 từ đây), tỉ trọng kế cho số đọc ở cần là Δ₀; Δ₀ chính là tỉ trọng của phù dịch tại t = 0. Khi t = 0 các hạt to nhỏ, lơ lửng trong phù địch và phân bố đều từ mặt thoáng đến đáy ống lường thí nghiệm nên tại độ sâu L₀ ngang trọng tâm của tỉ trọng kế, lcm³ phù dịch đồng chất có khối lượng đơn vị p0 tính theo công thức:

ρ₀ =  m_m/ V + [ 1- (m_m/ V.ρ_h ) ]ρ_n  (g/cm³ )

ρ_n, ρ_h  là khối lượng đơn vị của nước cất, thừa số 1- (m_m/ V.ρ_h ) là  thể tích nước trong lcm³ phù dịch. Như vậy, trị số Δ₀ cũng có thế tính theo lí thuyết; Δ₀ = ρ₀ /ρ_n

Sau thời gian t₁, phù dịch không đồng nhất nữa và tỉ trọng kế chỉ số đọc là Δ₁ . Δ₁ là tỉ trọng của phù dịch có khối lượng ρ₁ với ρ₁ là khối lượng của lcm³ phù địch lấy ở độ sâu L₁ ngang với trọng tâm của tỉ trọng kế.

Trong phù dịch để yên lặng, các hạt lớn chìm nhanh hơn các hạt nhỏ, do đó sau thời gian t₁  những hạt lớn có đường kính d > d₁ không có mặt trong phù dịch trong phạm vi từ mặt thoáng đến độ sâu Lj tính từ mặt thoáng. Trị số d₁ xác định được từ công thức Stokes đã biết:

d₁ = √ [1,8 η / ( g_h - g_n )] x L₁ / t₁  

Trong công thức (1-5), trị số pj được xác định theo công thức lí thuyết:(1-6)

ρ₁ =  M_d1/ V + [ 1- (M_d1/ V.ρ_h ) ]ρ_n  (g/cm³ )

Trorg đó Mdl là khối lượng của những hạt có d ≤  d₁

Mặt khác, từ định nghĩa về tỉ trọng của phù dịch, có công thức: Δ₁ = ρ₁ / ρ_n

Từ công thức, suy ra: ρ₁ = Δ₁ ρ_n

với ρ_n - khối iượng riêng của nước đã biết;

Δ₁  tỉ trọng của phù dịch, ứng với thời điểm tị đã đo được bằng tỉ trọng kế.

Từ đó ta có phương trình:

M_d1/ V + [ 1- (M_d1/ V.ρ_h ) ]ρ_n = Δ₁ ρ_n

Giả. ra ta được: M_d1 = (Δ₁ -1 )(1-ρ_n /ρ_h )ρ_n V

Côrg thức (1-10) là công thức cơ bản để úmg dụng để phân tích giá trị hạt thô cho thiết kế xây dựng phần móng nhà ở theo phương pháp tỉ trọng kế.

Cần lưu ý rằng, M_dl tính theo công thức này chỉ ứng với mẫu đất phân tích hạt là M_m (khoảng 50g). Do vậy, cần hiệu chỉnh với khôi lượng của mảu đất phân tích ban đầu (M).

Gọi M_đáy là khối lượng đất mịn lọt qua rây mịn nhất và đọng lại ở ô đáy bộ rây tiêu chuẩn là M_m là khối lượng đất mịn lấy ra để tạo phù dịch thì khối lượng nhóm hạt có d ≤ d₁ trong M_đáy sẽ là: m_m = (M_đáy /M_m) x M_d1

Lượng chứa tính % khối lượng hạt có d ≤ d₁ chứa trong mẫu đất ban đầu phân tích hạt là: P_d1 (%) = n_dl /M x100%

Đường phân bố hạt và cấp phối của đất

Kêì quả phân tích hạt được biểu thị bằng đường phân bố hạt trong hệ trục bán logarit, írục tung biỉu thị khối lượng nhóm hạt (tính bằng ρ_i %), nhỏ hơn và bằng đường kính (d_i) nào đó, trục hòanh biểu thị đường kính hạt được xác định bằng rây của bộ rây tiêu chuẩn hoặc bằng trị sổ tính theo công thức Stokes. Trục tung chia đều từ 0% đến 100%. Trục hoành chia theo thang bgarit với 5 chu kì: 0,001 - 0,01 - 0,1 - 1,0 - 10 - 100 (mm) với đường kính nhỏ dần từ trái qua phải trừ nước Anh quy định ngược lại

Một loại đất thí nghiệm có một đường phân bố hạt nhất định, hình dạng đường phân bố hạt không phụ thuộc vào bộ rây tiêu chuẩn sử dụng.

Cách biểu thị kết quả phân tích hạt bằng đường phân bố hạt trong hệ trục đã nêu có nhiều ưu việt. Các loại đất có thành phần hạt như nhau có dạng đường phân bố hạt như nhau dù đất hạt thô hay đất hạt mịn. Đất đều hạt có đường phân bố dạng gần thẳng đứng. Đất không đều hạt và cấp phối tốt có đường phân bố hạt có dạng chữ s nằm nghiêng và trải rộng trong phạm vi nhiều chu kì của thang logarit (trục hoành). Đường A cho biết đất thuộc loại cát hạt vừa (vì rằng phần giữa của đường A nằm gọn trong miền có đường kính thuộc hạt cát vừa) và cấp phối xấu (vì rằng đường phân bố hạt dốc, nằm trọn vẹn trong một chu kì logarit). Đất ứng với đường B, đất ứng với đường c thuộc loại đỉít có cấp phối tốt vì thành phần hạt của đất trải rộng qua hai, ba chu kì logarit. Đất ứng với đường D chứa nhóm hạt bụi là chủ yếu. Đất ứng với đường E chứa nhiều nhóm hạt sét)ề

Tính đều hạt của đất được biểu thị định lượng bằng số đều hạt, kí hiệu Cu (uniformity coefficient): C_u= d₆₀ /d₁₀

Đất đều hạt lí tưởng có d₆₀ = d₁₀ và do đó C_u = 1. Đất, có trị số Cu càng lớn, càng không đều hạt. Mức độ không đều hạt của đất là điều kiện cần để đất có cấp phối tốt nhưng chưa đủ. Do vậy, khi đánh giá đất về mặt cấp phối, cần xét đến độ cong của đường phân bố hạt, tức xét đến hệ số cong, kí hiệu C_u (coefficient of Curvature) của phần giữa của đường phân bô hạt. C_u= d²₃₀ /(d₆₀ x d₁₀ )

d₁₀ - đường kính (lỗ rây) cho lọt qua 10% khối lượng mẫu;

d₃₀ - đường kính (lỗ rây) cho lọt qua 30% khối lượng mẫu;

Cá; tị số d₁₀, d₃₀, d₆₀ thường được xác định từ đường phân bố hạt . Đường kính d_K có tên riêng là đường kính hiệu quả. Đường kính d₅₀, cũng được dùng, gọi là đường kính giữa (median).

Đất có đường phân tích hạt, cong lõm chút ít, có 0,5 < C_c < 2. Có tác giả gọi hệ số cong là bệ số:ấp phối Cg (coefficient of gradation).

Đất lẻu hạt li tướng có C_u = 1 thì cũng có C_c = 1. Đât, có C_u < 3, được coi như đất có hạt đồng đều. Đất có cấp phối tốt, trị số C_u > 4, đối với đất cuội sỏi; Cu > 6 đối với đất cát. Đất không cồu hạt, có trị số C_c vào khoảng từ 1 đến 3, là đất có cấp phối tốt (TCVN 5747: 1993).

Thei Quy trình 79 - Trung Quốc, đất sỏi và đất cát có C_u ≥ 5 và C_c = 1 ÷  3, là đất có cấp phô tốt (well graded).

Thei ASTM - Mỹ thì cát có Cu ≥ 6 và 1 ≤  Cc ≤  3 là cát có cấp phối tốt, cát có C_u < 6, 1 > C_c : 3 là không tốt về cấp phối. Theo hệ thống phân loại đất xây dựng của Anh thì mức độ tốt xíu của cấp phối hạt của đất hạt thô được căn cứ vào lượng chứa các nhóm hạt.

Đất cấp phối tốt có cỡ hạt to nhỏ dàn đểu, nên lỗ rỗng giữa các hạt lớn hơn được các hạt nhỏ lấpút do đó đất có tính thấm nhỏ, tính nén lún nhỏ và cường độ chống cắt thường cao.