Phương pháp xác định giới hạn dẻo và giới hạn chảy

TCVN 4197:2012 còn hiệu lực không?

TCVN 4197:2012 có tên đầy đủ là Đất xây dựng – Phương pháp xác định giới hạn dẻo và giới hạn chảy trong phòng thí nghiệm. Tiêu chuẩn hiện vẫn được cơ quan tiêu chuẩn quốc gia ghi nhận còn hiệu lực và thay thế TCVN 4197:1995.

Tiêu chuẩn áp dụng cho đất dính chứa phần lớn hạt có kích thước nhỏ hơn 1 mm và có giới hạn dẻo. Tiêu chuẩn không áp dụng cho đất hữu cơ như than bùn và đất than bùn hóa.

Đối với xây dựng đường bộ, hồ sơ dự án cũng có thể viện dẫn TCVN 14134-4:2024. Phòng thí nghiệm phải áp dụng đúng tiêu chuẩn đã được nhiệm vụ, chỉ dẫn kỹ thuật hoặc hợp đồng quy định.

Giới hạn dẻo và giới hạn chảy là gì?

Đất hạt mịn thay đổi trạng thái khi độ ẩm thay đổi. Ở độ ẩm thấp, đất có thể cứng hoặc nửa cứng; khi thêm nước, đất chuyển sang trạng thái dẻo; khi lượng nước tiếp tục tăng, đất tiến gần trạng thái chảy.

Giới hạn dẻo W_P

Giới hạn dẻo là độ ẩm của đất sét có kết cấu bị phá hoại tại ranh chuyển từ trạng thái cứng sang trạng thái dẻo. Trong phép thử, đất được lăn thành que đường kính 3 mm. Khi đạt giới hạn dẻo, que bắt đầu rạn nứt ngang và tự đứt thành các đoạn dài khoảng 3–10 mm.

Giới hạn chảy W_L

Giới hạn chảy là độ ẩm tại ranh chuyển từ trạng thái dẻo sang trạng thái chảy. Theo phương pháp quả dọi hình nón, mẫu đạt giới hạn chảy khi quả dọi tự lún đúng 10 mm dưới trọng lượng bản thân sau 10 giây.

Ý nghĩa của giới hạn Atterberg trong xây dựng

Giới hạn dẻo và giới hạn chảy thường được gọi chung là giới hạn Atterberg. Các chỉ tiêu này hỗ trợ:

• Phân loại đất hạt mịn theo tiêu chuẩn áp dụng.
• Đánh giá phạm vi độ ẩm mà đất thể hiện tính dẻo.
• So sánh mức độ nhạy cảm với nước giữa các lớp đất.
• Tính chỉ số dẻo và chỉ số sệt.
• Nhận diện sơ bộ đất có khả năng co ngót, trương nở hoặc biến đổi trạng thái mạnh.
• Hỗ trợ lựa chọn chương trình thí nghiệm địa kỹ thuật tiếp theo.
• Kiểm soát một số loại đất và bột khoáng dùng trong xây dựng.

Chỉ tiêu Atterberg không đủ để thiết kế nền móng. Kỹ sư còn phải xem xét thành phần hạt, độ ẩm tự nhiên, khối lượng thể tích, sức chống cắt, tính nén lún, thấm, hàm lượng hữu cơ và điều kiện nước dưới đất.

“Chỉ số dẻo cao không tự động có nghĩa đất yếu và chỉ số dẻo thấp cũng không tự động có nghĩa nền tốt. Kết quả phải được đọc cùng độ ẩm tự nhiên, trạng thái đất, sức chống cắt và tính nén lún của đúng lớp đất tại công trình.”

Kỹ sư Phan Việt Tuyên

Chỉ số dẻo và chỉ số sệt được tính thế nào?

Chỉ số dẻo I_P

Chỉ số dẻo biểu thị khoảng độ ẩm mà đất tồn tại ở trạng thái dẻo:

I_P = W_L − W_P

Trong đó W_L và W_P được tính bằng phần trăm. I_P càng lớn cho thấy khoảng trạng thái dẻo càng rộng. Tuy nhiên, việc xếp tên loại đất phải theo tiêu chuẩn phân loại đang được dự án áp dụng.

Chỉ số sệt B

Theo ký hiệu trong TCVN 4197:2012, chỉ số sệt được tính từ độ ẩm tự nhiên W:

B = (W − W_P) / (W_L − W_P) = (W − W_P) / I_P

Chỉ số này thể hiện vị trí độ ẩm tự nhiên của đất trong khoảng giữa giới hạn dẻo và giới hạn chảy. Muốn tính B có ý nghĩa, mẫu xác định độ ẩm tự nhiên và mẫu thử giới hạn phải đại diện cho cùng lớp đất.

Dụng cụ thí nghiệm theo TCVN 4197:2012

Dụng cụ xác định giới hạn chảy

• Quả dọi thăng bằng có bộ phận hình nón bằng thép không gỉ.
• Góc đỉnh hình nón 30°, chiều cao hình nón 25 mm.
• Vạch dấu nằm cách đỉnh nón 10 mm.
• Khối lượng toàn bộ dụng cụ 76 ± 0,2 g.
• Khuôn hình trụ kim loại không gỉ, đường kính lớn hơn 40 mm và cao hơn 20 mm.
• Đế gỗ để đặt khuôn.

Dụng cụ xác định giới hạn dẻo

• Tấm kính nhám hoặc bề mặt có khả năng hút nước.
• Diện tích làm việc đủ để lăn que đất đều.
• Dao nhỏ để nhào và chia đất.

Dụng cụ dùng chung

• Rây lỗ 1 mm.
• Cối sứ và chày có đầu bọc cao su.
• Bình thủy tinh có nắp.
• Cân kỹ thuật có độ chính xác đến 0,01 g.
• Hộp nhôm hoặc cốc thủy tinh có nắp để xác định độ ẩm.
• Tủ sấy điều chỉnh nhiệt độ.
• Bát sắt tráng men hoặc bát sứ.
• Nước cất hoặc nước được tiêu chuẩn cho phép sử dụng.

Yêu cầu lấy và chuẩn bị mẫu đất

Phần mẫu dùng xác định W_P và W_L phải đại diện cho toàn mẫu và đúng lớp đất cần đánh giá. Người đọc có thể tham khảo quy trình khoan địa chất và lấy mẫu đất để hiểu vì sao vị trí, chiều sâu và bảo quản mẫu ảnh hưởng đến kết quả.

Đối với đất hong khô tự nhiên

1. Lấy phần mẫu đại diện

   Dùng phương pháp chia tư để lấy khoảng 300 g đất.

2. Loại vật liệu không phù hợp

   Loại di tích thực vật lớn hơn 1 mm, nghiền nhẹ bằng chày đầu cao su và cho qua rây 1 mm.

3. Trộn với nước

   Rót nước cất hoặc nước ngầm nơi lấy mẫu theo điều kiện được tiêu chuẩn cho phép, rồi nhào thành hồ đặc.

4. Ủ mẫu

   Cho mẫu vào bình thủy tinh, đậy kín và để không ít hơn 2 giờ trước khi thử.

Đối với đất ẩm tự nhiên

Lấy khoảng 150 cm³ đất, nhào kỹ và loại phần hạt hoặc di tích thực vật lớn hơn 1 mm. Mẫu sau khi trộn cũng được đậy kín không ít hơn 2 giờ trước khi thí nghiệm.

Nếu phần hạt lớn hơn 1 mm bị loại vượt quá 10% khối lượng mẫu, cần thực hiện hiệu chỉnh và phân tích thành phần hạt theo quy định. Kết quả nên ghi rõ đang phản ánh phần đất lọt rây hay đã được quy đổi cho đất tự nhiên.

Phương pháp xác định giới hạn dẻo

1. Nhào mẫu

   Nhào kỹ đất với lượng nước vừa đủ để có thể lăn. Nếu mẫu quá ướt, dùng vật sạch có khả năng hút nước để giảm ẩm.

2. Lăn que đất

   Lấy một lượng nhỏ và lăn nhẹ trên kính nhám đến đường kính 3 mm.

3. Kiểm tra trạng thái

   Nếu que 3 mm vẫn dẻo và liền, vo lại rồi tiếp tục lăn. Trạng thái đạt yêu cầu khi que bắt đầu nứt ngang và đứt thành đoạn dài khoảng 3–10 mm.

4. Thu mẫu xác định độ ẩm

   Cho ngay các đoạn đất vào hộp đã biết khối lượng và đậy kín để hạn chế mất nước.

5. Cân đủ khối lượng

   Khi lượng đất trong hộp đạt tối thiểu 10 g, xác định độ ẩm theo TCVN 4196:2012.

6. Thử song song

   Thực hiện không ít hơn hai lần. Sai lệch độ ẩm giữa các lần song song không được lớn hơn 2%.

7. Tính kết quả

   Lấy trung bình cộng các kết quả đạt yêu cầu làm giới hạn dẻo của mẫu.

Nếu mẫu không thể lăn thành que đường kính 3 mm mà chỉ rời ra, tiêu chuẩn cho phép xem đất không có giới hạn dẻo. Không nên cố thêm nước vô hạn để tạo một kết quả W_P không phản ánh bản chất mẫu.

Phương pháp xác định giới hạn chảy bằng quả dọi hình nón

1. Nhồi mẫu vào khuôn

   Chia đất thành lớp và gõ nhẹ khuôn lên bề mặt đàn hồi để hạn chế hốc khí. Gạt mặt mẫu bằng mép khuôn, tránh gạt qua lại nhiều lần.

2. Chuẩn bị quả dọi

   Lau sạch hình nón và bôi một lớp mỡ hoặc vazơlin mỏng theo tiêu chuẩn.

3. Đặt mũi nón tiếp xúc mặt đất

   Đưa quả dọi thẳng đứng sao cho mũi nón vừa chạm bề mặt mẫu.

4. Thả nón tự lún

   Để dụng cụ lún dưới trọng lượng bản thân trong 10 giây.

5. Điều chỉnh độ ẩm

   Nếu lún dưới 10 mm, trộn thêm một ít nước. Nếu lún trên 10 mm, nhào mẫu để giảm ẩm rồi thử lại.

6. Xác nhận giới hạn chảy

   Khi hình nón lún đúng 10 mm sau 10 giây, độ ẩm của mẫu đạt giới hạn chảy theo phương pháp này.

7. Lấy mẫu độ ẩm

   Lấy ít nhất 10 g đất trong khuôn, cho vào hộp có nắp và xác định độ ẩm.

8. Thử song song và báo cáo

   Thực hiện ít nhất hai lần; sai lệch độ ẩm không lớn hơn 2%; lấy trung bình các kết quả đạt yêu cầu.

Độ ẩm của mẫu được xác định theo TCVN 4196:2012. Mặt mẫu không được có hốc khí đáng kể vì khoảng rỗng có thể làm hình nón lún khác trạng thái thực của hồ đất.

Phương pháp Casagrande trong TCVN 4197:2012

Phụ lục A của tiêu chuẩn hướng dẫn phương pháp Casagrande. Mẫu đất được đặt trong chén đồng, tạo rãnh chuẩn rồi quay đập. Giới hạn chảy theo Casagrande là độ ẩm tại đó phần dưới của rãnh khép lại khoảng 13 mm sau 25 nhát đập.

Quy trình yêu cầu xác định ít nhất bốn cặp giá trị độ ẩm–số nhát đập trong khoảng 12–35 nhát, sau đó vẽ đường chảy trên hệ tọa độ nửa logarit. Độ ẩm ứng với 25 nhát được lấy làm giới hạn chảy theo Casagrande.

TCVN 4197:2012 lưu ý kết quả Casagrande có xu hướng lớn hơn kết quả quả dọi hình nón và cung cấp quan hệ thực nghiệm để quy đổi trong phạm vi nhất định. Báo cáo phải ghi rõ phương pháp đã sử dụng.

Vì sao hai phòng thí nghiệm có thể cho kết quả khác nhau?

Ngay cả khi thử cùng một mẫu, kết quả có thể khác do:

Khi đối chiếu kết quả giữa các dự án hoặc phòng thí nghiệm, cần so sánh tiêu chuẩn, cách chuẩn bị mẫu, phương pháp xác định W_L và phần cỡ hạt được thử. Chỉ nhìn hai con số W_L, W_P mà bỏ qua phương pháp có thể dẫn đến kết luận sai.

Cách kiểm tra phiếu kết quả thí nghiệm

Phiếu kết quả đáng tin cậy nên thể hiện:

• Tên công trình, vị trí và ký hiệu mẫu.
• Số hố khoan, chiều sâu lấy mẫu và lớp đất.
• Ngày nhận mẫu và ngày thử.
• Tiêu chuẩn và phương pháp xác định giới hạn chảy.
• Độ ẩm tự nhiên nếu dùng để tính chỉ số sệt.
• Kết quả W_P, W_L, I_P và B nếu có.
• Thông tin hiệu chỉnh phần hạt trên rây 1 mm khi cần.
• Ghi chú đất không có giới hạn dẻo nếu không lăn được que chuẩn.
• Người thử, người kiểm tra và phòng thí nghiệm thực hiện.

Khối lượng và vị trí lấy mẫu phải phù hợp với chương trình khảo sát. Bài số lượng và bố trí hố khoan khảo sát địa chất giải thích vì sao một kết quả phòng thí nghiệm chỉ có ý nghĩa khi mẫu đại diện cho nền công trình.

Những hiểu nhầm cần tránh

• Cho rằng W_L và W_P là các hằng số tuyệt đối không phụ thuộc phương pháp.
• Dùng chỉ số dẻo để thay thế hoàn toàn thí nghiệm sức chống cắt và nén lún.
• Kết luận đất tốt hoặc xấu chỉ từ một giá trị I_P.
• So sánh kết quả quả dọi hình nón với Casagrande mà không ghi phương pháp.
• Thử trên mẫu đã bị mất nước hoặc trộn lẫn nhiều lớp đất.
• Bỏ qua phần hạt lớn hơn 1 mm mà không xem xét hiệu chỉnh.
• Tự thực hiện tại công trường rồi dùng kết quả thay cho phòng thí nghiệm đủ năng lực.
• Nhầm “giới hạn chảy” với hiện tượng đất hóa lỏng do động đất.

Ứng dụng kết quả trong phân loại đất

TCVN 5746:2024 hiện là tiêu chuẩn phân loại đất, đá xây dựng còn hiệu lực, thay thế tiêu chuẩn phân loại cũ năm 1993. Khi dùng W_L, W_P và I_P để đặt tên hoặc phân nhóm đất, kỹ sư cần áp dụng đúng bảng và tiêu chí của tiêu chuẩn phân loại đang được hồ sơ dự án viện dẫn.

Kết quả Atterberg thường được đọc cùng:

• Phần trăm sét, bụi, cát và sạn sỏi.
• Hàm lượng hữu cơ.
• Độ ẩm và trạng thái tự nhiên.
• Khối lượng riêng, khối lượng thể tích.
• Sức chống cắt và tính nén lún.
• Nguồn gốc địa chất và cấu trúc đất.

Đối với nền đường, vật liệu đắp hoặc bột khoáng, giới hạn dẻo và chỉ số dẻo còn có thể được dùng trong tiêu chuẩn vật liệu riêng. Không nên lấy yêu cầu của một loại vật liệu áp dụng cho mọi lớp đất nền.

Dịch vụ khảo sát và thí nghiệm địa chất

Hợp Nhất Bách Việt tiếp nhận khảo sát địa chất công trình, khoan lấy mẫu, lập chương trình thí nghiệm và tổng hợp chỉ tiêu địa kỹ thuật phục vụ thiết kế. Phạm vi cụ thể được trình bày tại trang dịch vụ khảo sát địa chất.

• Khoan, mô tả địa tầng và lấy mẫu đất.
• Xác định độ ẩm, khối lượng riêng và khối lượng thể tích.
• Xác định W_P, W_L, I_P và chỉ số sệt.
• Phân tích thành phần hạt.
• Thí nghiệm sức chống cắt và nén lún.
• Thí nghiệm SPT, CPT hoặc cắt cánh khi phù hợp.
• Lập hình trụ hố khoan, mặt cắt và báo cáo địa kỹ thuật.

Câu hỏi thường gặp về TCVN 4197:2012

Kết luận

TCVN 4197:2012 là tiêu chuẩn còn hiệu lực về xác định giới hạn dẻo và giới hạn chảy của đất trong phòng thí nghiệm. Phương pháp chính dùng quả dọi thăng bằng hình nón; phương pháp Casagrande được hướng dẫn trong phụ lục tham khảo.

Kết quả chính xác phụ thuộc tính đại diện của mẫu, chuẩn bị mẫu, dụng cụ, thao tác, thử song song và cách báo cáo. W_P, W_L, I_P và chỉ số sệt cần được sử dụng cùng các thí nghiệm khác, không nên dùng riêng lẻ để kết luận nền đất an toàn hay lựa chọn móng.