Đất đắp nền đường thường phải qua bốn nhóm thí nghiệm trước khi được dùng: thành phần hạt, giới hạn chảy và giới hạn dẻo (để biết đất dính hay rời, nhạy nước đến đâu), đầm nén tiêu chuẩn hay còn gọi là thí nghiệm Proctor (để tìm độ ẩm tốt nhất và dung trọng khô lớn nhất), và CBR (để biết đất chịu lực ra sao khi đã ngấm nước). Kết quả của bốn phép này quyết định mỏ đất có được dùng không, dùng cho lớp nào của nền, và khi lu ngoài hiện trường phải tưới nước hay phơi đất tới mức nào.
Nhiều sự cố nền đường bắt đầu từ việc bỏ qua bước này: lấy đất gần nhất, đất ruộng lẫn hữu cơ, đất sét nở mạnh khi ướt, rồi lu bao nhiêu cũng không chặt hoặc chặt lúc khô mà sang mùa mưa thì nhão. Bài dưới đây giải thích từng phép thử theo cách người không làm phòng thí nghiệm vẫn hiểu được, và chỉ cách đọc những con số quan trọng nhất trên phiếu.
Thành phần hạt: đất này là cát, bụi hay sét
Phép thử đầu tiên là sàng và lắng để biết đất gồm bao nhiêu phần sỏi, cát, bụi, sét. Phần hạt thô được sàng qua bộ rây có cỡ lỗ giảm dần; phần hạt mịn hơn lỗ rây nhỏ nhất được xác định bằng phương pháp lắng trong nước (tỷ trọng kế). Kết quả vẽ thành đường cong cấp phối: trục ngang là cỡ hạt, trục đứng là phần trăm lọt qua.
Đường cong này cho biết hai điều. Thứ nhất, đất có cấp phối tốt hay không: đất nhiều cỡ hạt xen nhau dễ lu chặt vì hạt nhỏ lấp vào khe hạt lớn; đất toàn một cỡ (cát mịn đều hạt chẳng hạn) khó chặt và dễ xô. Thứ hai, hàm lượng hạt mịn cao hay thấp. Đất càng nhiều hạt sét thì càng nhạy với nước: khô thì cứng như đá, ướt thì mất sức chịu tải.
Thành phần hạt chưa đủ để phân loại đất cho nền đường. Hai loại đất có cùng tỷ lệ hạt mịn có thể cư xử rất khác nhau với nước, tuỳ khoáng vật sét bên trong. Đó là lúc cần đến giới hạn chảy và giới hạn dẻo.
Giới hạn chảy, giới hạn dẻo và chỉ số dẻo
Giới hạn chảy (WL). Là độ ẩm mà ở đó đất chuyển từ trạng thái dẻo sang trạng thái chảy như bùn. Cách làm phổ biến dùng chén Casagrande: trát đất nhão vào chén, rạch một rãnh giữa, quay tay cho chén nâng lên rồi rơi xuống đế; độ ẩm tại đó rãnh khép lại một đoạn quy định sau đúng số lần rơi tiêu chuẩn chính là giới hạn chảy. Một số tiêu chuẩn dùng côn rơi thay cho chén.
Giới hạn dẻo (WP). Là độ ẩm mà dưới đó đất không còn nặn dẻo được. Người làm thí nghiệm lăn đất thành sợi trên tấm kính; khi sợi lăn tới đường kính khoảng 3 mm thì bắt đầu nứt rạn, độ ẩm lúc đó là giới hạn dẻo. Phép thử đơn giản nhưng phụ thuộc tay nghề, nên phải làm lặp và lấy trung bình.
Chỉ số dẻo (IP = WL − WP). Là khoảng độ ẩm mà đất còn ở trạng thái dẻo. Chỉ số dẻo nhỏ là đất ít dính, gần với cát bụi; chỉ số dẻo lớn là đất sét béo, hút nước mạnh, trương nở và co ngót nhiều. Chỉ dẫn kỹ thuật thường đặt giới hạn trên cho giới hạn chảy và chỉ số dẻo của đất dùng ở phần trên của nền đường, nơi chịu ảnh hưởng của tải trọng xe nhiều nhất.
Đọc thực tế. Một mỏ đất đồi có chỉ số dẻo vừa phải, ít hữu cơ thường là đất đắp tốt. Đất ruộng, đất bùn ao có giới hạn chảy cao, lẫn hữu cơ, gần như luôn bị loại khỏi phần trên của nền. Khi phiếu ghi chỉ số dẻo sát giới hạn cho phép, nên lấy thêm mẫu ở các vị trí khác của mỏ, vì đất trong một mỏ ít khi đồng đều.
Đầm nén Proctor: tìm độ ẩm tốt nhất và dung trọng khô lớn nhất
Thí nghiệm đầm nén trong phòng trả lời câu hỏi: với một công đầm nhất định, đất ở độ ẩm bao nhiêu thì chặt nhất. Người ta chia mẫu đất thành nhiều phần, trộn mỗi phần với lượng nước khác nhau, cho vào cối thép theo từng lớp và đầm bằng chày có khối lượng, chiều cao rơi và số nhát quy định. Sau đó cân, sấy để tính dung trọng khô của từng mẫu và vẽ đường quan hệ giữa độ ẩm và dung trọng khô.
Đường cong có dạng cái mũ: đất quá khô thì hạt cọ xát nhau, đầm không xuống; thêm nước tới một mức thì nước bôi trơn giúp hạt xếp sít lại, dung trọng khô tăng; thêm nữa thì nước chiếm chỗ, đất bắt đầu nhão và dung trọng khô giảm. Đỉnh mũ cho hai con số quan trọng nhất trên phiếu: độ ẩm tốt nhất và dung trọng khô lớn nhất.
Có hai mức công đầm. Đầm nén tiêu chuẩn dùng chày nhẹ hơn, rơi thấp hơn (theo hệ AASHTO là chày khoảng 2,5 kg rơi 305 mm); đầm nén cải tiến dùng chày nặng hơn, rơi cao hơn (khoảng 4,54 kg rơi 457 mm), mô phỏng máy lu hiện đại. Cùng một loại đất, đầm cải tiến cho dung trọng khô lớn nhất cao hơn và độ ẩm tốt nhất thấp hơn. Vì vậy khi đọc yêu cầu "độ chặt K98" phải biết K98 so với kết quả đầm nén nào; chỉ dẫn kỹ thuật dự án sẽ ghi rõ.
CBR: đất chịu lực ra sao khi đã ngấm nước
CBR (California Bearing Ratio) so sánh sức kháng xuyên của đất với sức kháng xuyên của một loại đá dăm chuẩn. Mẫu đất được đầm ở độ ẩm tốt nhất trong cối, thường ở vài mức công đầm khác nhau, rồi ngâm nước khoảng bốn ngày đêm để mô phỏng tình huống bất lợi nhất là nền đường bị ngấm nước. Trong lúc ngâm, người ta đo độ trương nở. Sau đó dùng một piston nén vào mặt mẫu với tốc độ đều, đọc lực ở các độ xuyên quy định và tính ra chỉ số CBR theo phần trăm.
CBR càng cao thì đất càng chịu tải tốt. Đất sét béo ngâm nước có thể chỉ còn CBR vài phần trăm, trong khi cát sỏi tốt cho con số cao hơn nhiều lần. Chỉ dẫn kỹ thuật thường yêu cầu CBR tối thiểu cho từng phần của nền, cao nhất ở lớp trên cùng tiếp giáp kết cấu áo đường. Người thiết kế cũng dùng CBR hoặc mô-đun đàn hồi của nền để tính chiều dày các lớp móng phía trên: nền yếu thì áo đường phải dày hơn.
Độ trương nở đo trong lúc ngâm là con số hay bị bỏ qua. Đất trương nở mạnh sẽ đội mặt đường lên khi mưa và co lại khi khô, sinh ra nứt dọc ở mép đường. Phiếu CBR ghi trương nở lớn là tín hiệu nên hỏi kỹ sư thiết kế có cần thay đất hay gia cố hay không.
Bốn phép thử và quyết định mà mỗi phép dẫn tới
Tóm lược để bạn đọc phiếu nhanh hơn. Ngưỡng cụ thể theo chỉ dẫn kỹ thuật của từng dự án, bảng chỉ nêu loại quyết định:
| Phép thử | Con số chính trên phiếu | Quyết định dẫn tới |
|---|---|---|
| Thành phần hạt | Phần trăm lọt qua từng cỡ rây, hàm lượng hạt mịn | Phân loại đất, dự đoán khả năng lu chặt |
| Giới hạn chảy, dẻo | WL, WP, chỉ số dẻo IP | Đất có được dùng cho phần trên của nền không |
| Đầm nén Proctor | Độ ẩm tốt nhất, dung trọng khô lớn nhất | Mốc để tính độ chặt K ngoài hiện trường, mức tưới nước hay phơi |
| CBR | CBR ở độ chặt yêu cầu, độ trương nở | Đất đủ sức chịu tải chưa, có cần thay đất, gia cố không |
| Hàm lượng hữu cơ (khi nghi ngờ) | Phần trăm hữu cơ | Loại đất lẫn rễ, bùn khỏi nền đường |
Một điểm hay bị hiểu sai: dung trọng khô lớn nhất là của từng loại đất, không phải hằng số của cả công trình. Khi chuyển sang mỏ đất khác, hay cùng mỏ mà đất thay đổi màu, độ dính rõ rệt, phải làm lại thí nghiệm đầm nén. Dùng dung trọng khô lớn nhất của đất cũ để tính độ chặt cho đất mới là cách nhanh nhất để có những con số K "đạt" mà nền vẫn lún.
Lấy mẫu đất ở mỏ: những lỗi làm thí nghiệm vô nghĩa
Kết quả phòng thí nghiệm chỉ tốt bằng mẫu đưa vào. Với mỏ đất đắp, các lỗi hay gặp là:
- Lấy mẫu ở mặt mỏ, nơi đất đã bị phơi nắng, rửa trôi, trong khi đất dùng thật nằm sâu hơn vài mét.
- Lấy một mẫu cho cả mỏ rộng nhiều héc-ta, trong khi đất thay đổi theo vị trí và theo độ sâu. Nên lấy nhiều điểm, mỗi điểm có ghi tọa độ và độ sâu.
- Bỏ qua lớp đất phủ có rễ cây, hữu cơ; lớp này phải bóc bỏ khi khai thác và không được lẫn vào mẫu.
- Không ghi lại độ ẩm tự nhiên của đất tại mỏ, nên không biết trước mùa mưa đất sẽ ướt hơn độ ẩm tốt nhất bao nhiêu và phải phơi bao lâu.
- Đóng bao mẫu hở, để ngoài nắng nhiều ngày rồi mới đưa về phòng, làm sai các phép cần độ ẩm tự nhiên.
Đất đắp cho đường còn phụ thuộc thủ tục khai thác mỏ hợp pháp theo quy định hiện hành về khoáng sản làm vật liệu san lấp; phần đó nằm ngoài chuyện thí nghiệm, nhưng nhà thầu nên chứng minh được nguồn đất cùng với phiếu thí nghiệm.
Đất đồi sỏi sạn, cát và vật liệu tận dụng: thí nghiệm có gì khác
Đất đồi lẫn sỏi sạn laterit, phổ biến ở trung du và Tây Nguyên, là vật liệu đắp tốt nếu tỷ lệ hạt mịn và chỉ số dẻo hợp lý. Điểm cần chú ý là hạt sỏi laterit có thể vỡ vụn khi lu, làm thành phần hạt thay đổi giữa lúc thí nghiệm trong phòng và sau khi lu ngoài hiện trường. Vì vậy với loại đất này, phòng thí nghiệm nên làm thêm thành phần hạt sau đầm để biết đất sẽ cư xử ra sao sau khi bị lu.
Cát đắp nền, nhất là ở đồng bằng sông Cửu Long nơi đất đắp khan hiếm, cần thêm hai việc: kiểm hàm lượng hạt mịn và hàm lượng hữu cơ, và tính đến chuyện cát dễ bị xói, trôi khi không được bao bọc. Nền đắp cát thường phải có lớp bao hai bên mái taluy và lớp đất dính hoặc vật liệu phù hợp ở phía trên theo thiết kế. Thí nghiệm đầm nén với cát sạch có đường cong khá phẳng, đỉnh không rõ, nên người làm thí nghiệm phải theo đúng hướng dẫn riêng cho vật liệu rời.
Vật liệu tận dụng như đất đào từ chính tuyến, phế thải xây dựng nghiền, tro xỉ nhiệt điện đã qua xử lý đang được dùng nhiều hơn để giảm khai thác mỏ. Nguyên tắc với chúng không khác đất thường: phải có thí nghiệm đủ chỉ tiêu theo hướng dẫn kỹ thuật riêng cho loại vật liệu đó, được thiết kế chấp thuận, và tần suất kiểm thường dày hơn vì vật liệu kém đồng đều hơn đất mỏ.
Câu hỏi thường gặp
Độ ẩm tốt nhất có phải là độ ẩm phải giữ đúng tuyệt đối khi lu không?
Không. Chỉ dẫn kỹ thuật thường cho phép một khoảng dao động quanh độ ẩm tốt nhất. Đất khô hơn khoảng đó thì phải tưới thêm nước và trộn đều; ướt hơn thì phải phơi, cày xới cho bay hơi trước khi lu. Lu đất quá ướt dễ sinh hiện tượng lò xo, mặt đất nhún lên xuống dưới bánh lu.
Đất có chỉ số dẻo cao có bị loại hoàn toàn không?
Không nhất thiết. Đất dính có thể dùng cho phần dưới của nền, nơi ít chịu tác động của tải trọng và nước, hoặc được gia cố bằng vôi, xi măng theo thiết kế. Phần trên của nền thường có yêu cầu chặt hơn. Quyết định thuộc về kỹ sư thiết kế dựa trên toàn bộ kết quả thí nghiệm.
Vì sao CBR phải ngâm nước bốn ngày?
Vì nền đường trong thực tế sẽ có lúc bị ngấm nước do mưa, nước ngầm dâng hay rãnh thoát nước kém. Đất dính khi khô rất cứng nhưng ngâm nước thì mất sức chịu tải nhanh. Ngâm mẫu mô phỏng trạng thái bất lợi đó, giúp thiết kế không dựa vào sức chịu tải của đất lúc khô ráo.
Có làm được Proctor và CBR ngay ở phòng thí nghiệm hiện trường không?
Phần lớn phòng hiện trường làm được đầm nén vì thiết bị gọn. CBR cần máy nén có tốc độ đều và thời gian ngâm mẫu nhiều ngày, nhiều phòng hiện trường có đủ, một số nơi gửi về phòng gốc. Nên tính thời gian chờ kết quả vào kế hoạch mở mỏ đất.
Đất cát có cần thí nghiệm giới hạn chảy dẻo không?
Cát sạch gần như không có tính dẻo, phép thử giới hạn dẻo không thực hiện được và phiếu sẽ ghi không dẻo. Nhưng cát vẫn cần thành phần hạt, đầm nén và thường cả hàm lượng hạt mịn, vì cát lẫn nhiều bụi sét sẽ cư xử khác hẳn cát sạch khi gặp nước.
Một mỏ đất cần làm lại thí nghiệm bao lâu một lần?
Chỉ dẫn kỹ thuật thường quy định theo khối lượng khai thác, ví dụ cứ một khối lượng nhất định thì làm lại một tổ mẫu, và làm lại ngay khi đất đổi màu, đổi độ dính hay chuyển sang khu khai thác khác. Đừng dùng một phiếu thí nghiệm từ đầu dự án cho cả năm khai thác.