Bài giảng khái niệm về cơ học đất không bão hòa và mô hình hàm thấm genuchten GS nguyễn công mẫn

1 Khái niệm về Cơ học đất không bão hòa và mô hỡnh hàm thấm Genuchten GS. Nguyễn Công Mẫn PLAXIS FINITE ELEMENT CODES 2 Khái niệm về Cơ học đất không bão hoà LT. Chiều cao đới BH MD Cát hạt thô: h rất nhỏ Đất bụi: h có thể đạt 2m Đất sét: h có thể đạt trên 20m TH đập đất Đ ớ i k h ô n g b ã o h o à Sơ đồ hạt đất Bán kính mặt khum 0,0002 cm 0,002 cm 0,02 cm Theo thí nghiệm Độ cao dâng mao dẫn ứng với các đờng kính mặt khum khác nhau (Janssen & Dempsey, 1980) Không BH: u w và u a Khô: u = 0 Bo hoà MD: u < 0 Bo hoà: u > 0 +u -u u = w .h w +h -h (1) (2) (3) (4) 3 Khái niệm về Cơ học đất không bãohoà ứng suất có hiệu quả - u w áp lực nớc lỗ rỗng dơng LT Ư.S có hiệu quả Terzaghi Fredlund Độ hút dính ứng suất pháp thực - u w u a - u w 4 Cấu trúc thành phần của đất không bão hoà Đất bo hoà(BH) Đất bão hoà chỉ chứa hạt rắn và nớc: môi trờng 2 pha; Lỗ rỗng chứa đầy nớc; Độ bão hoà: V n /V r = 1; Độ chứa nớc thể tích: w = V n /V = V r /V = n Độ rỗng (n): n = V r /V; Đất không bo hoà (KBH) Đất không bão hoà chứa hạt rắn, khí và nớc: môi trờng 3 pha; Lỗ rỗng chứa cả khí và nớc; Độ bão hoà: V n /V r < 1; Độ chứa nớc thể tích: w = V n /V w < n Độ rỗng (n): n = V r /V; V Vn = V r V h Đất BH Vr thể tích rỗng của phân tố đất V tổng thể tích của phân tố đất Đất không BH V k khí V n nớc V h rắn Vr Vk 0 Vn 0 Vh 0 Vm 0 Sơ đồ lý thuyết ĐKBH khí nớc rắn mặt căng 5 MH dòng thấm trong đất không bão hoà Tác động pha khí: ảnh hởng tới vận tốc thấm; Mặt phân cách Nớc - Khí Tạo sức căng mặt ngoài trong hệ. Pha thứ 4. S S = 1 = 1= 1 = 1 = 1 = 1= 1 = 1 1 > S > 1 > S > S S residu residu S = S = S S residu residu Theo S. Lee Barbour, ĐH Saskatchewan S - Độ bão hoà ; S residu - Độ bão hoà d Khí Khí độ bão hòa hiệu qua theo V.Genuchten 1 = residu sat residu e SS SS S 6 anh hởng của pha khí - Khi ở trạng thái không bão hoà, đất là một hệ 4 pha: hạt đất, nớc, khí và mặt ngoài căng, đồng thời tồn tại trong lỗ rỗng của đất; - Sự tồn tại của bọt khí làm giảm tính thấm của đất bọt khí càng nhiều, lợng chứa nớc càng ít, thì tính thấm càng nhỏ và ngợc lại. Luôn tồn tại một lợng nớc trong lỗ rỗng do khí kín nhốt lại độ bão hòa d (Residual saturation) [V.Genuchten] - Mặt ngoài căng tại mặt phân cách khí - nớc tạo nên lực hút giữa các hạt đất, gọi là lực hút dính ( matric suction ) hay áp lực lỗ rỗng âm. 7 tồn tại của mặt ngoài cang và sơ đồ các lực mao dẫn tác dụng lên ống mao dẫn Nhờ có lực căng bề mặt, nhện nớc không tụt vào nớc, bọ bơi ngửa không bật khỏi mặt nớc Các côn trùng sống ở trên và dới mặt ngoài căng L.J. Milne & M. Milne ( 1978 ) Nhện nớc Côn trùng bơi ngửa Mặt nớc Sơ đồ các lực tác dụng lên ống mao dẫn T s - lực căng bề mặt của nớc R s - bán kính cong của mặt khum ứng suất nén lên thành ống ứng suất nén lên thành ống ( ) s s wa R T uu 2 = không khí Ts Ts ống thuỷ tinh mao dẫn nớc 8 lực hút dính và lực cang mao dẫn Điều kiện cân bằng: T st - trọng lợng cột nớc hc hay 2 .r.T s .cos = .r 2 w. g.h c w .g. h c = 2T s /R s h c = 2T s / w .g. R s h c 1/r T st =T s .cos ; R s = r/cos Điều kiện biên u a (C) = 0 u w (B) = u w (A) = 0 u w (C) = - w .g. h c u a (c) - u w (c) = w .g. h c = 2T s /R s matric = u a - u w lực hút dính ống thuỷ tinh mao dẫn áp suất khí quyển u a = 0 Mặt khum u w (A) = u w (B) = 0 Phân bố áp suất nớc hc - (-) (+) Mặt nớc B T s R s T st T s C w 2r A 9 độ bền chống cắt do lực hút dính tạo nên ( ) s s wamatric R T2 uu == b matricmatric tan. = ( ) wamatric uu = Thành phần lực hút dính này rất quan trọng trong cơ học đất không bão hoà, nó góp phần mở rộng phát triển nguyên lý ứng suất có hiệu quả của Terzaghi trong CHĐ cổ điển cho đất bão hoà. Nó ảnh hởng lớn đến tính thấm và chống cắt của đất. áp suất tiếp xúc matric matric Lực hút mao dẫn T s hạt đất T s hạt đất Nguyễn Công Mẫn, 1999 10 C¸c biÕn tr¹ng øng suÊt trong ®Êt KBH Y X Z σ y - u a σ z - u a u a - u w u a - u w σ x - u a u a - u w τ xz τ xy τ yx τ yz τ zx τ zy (σ x - u a ) τ xz (σ y - u a) (σ z - u a ) τ xy τ yz τ yx τ zx τ zy Tens¬ øng suÊt (u a - u w ) 0 0 0 0 0 0 (u a - u w ) (u a - u w ) Tens¬ cÇu øng suÊt ¸p suÊt tø phÝa [...]... & Xing 17 v MH Van Genuchten PLAXIS V Genuchten đờng cong đặc trng nớc - đất SWCC Dạng của SWCC phụ thuộc phân bố cỡ lỗ rỗng trong đất Đất hạt thô, đồng đều Đất hạt mịn, cấp phối tốt qw qw Suction (kPa) Nhân tố ảnh hởng đến SWCC Suction (kPa) Cỡ v phân bố cỡ hạt Cấu trúc của đất Biến thiên thể tích (hệ số rỗng) Hysteresis 18 ặc trng thấm trong vùng không b o ho 1,0 độ bão hòa (-) PLAXFLOW SEEP/W... với lúc nớc chứa trong các lỗ rỗng không liên thông 60 40 Độ ẩm d d- 20 B 0 0.1 1 100 10.000 1.000.000 Độ hút của đất ( suction ) ( kPa ) 15 đờng cong đặc trng đất - Nớc v H m thấm đờng cong đặc trng đất - Nớc (SWCC) - Mô ta lợng chứa nớc trong đất theo lực hút dính - Dạng đờng cong có quan hệ với độ lớn v phân bố kích cỡ lỗ rỗng, H m thấm - Mô ta biến thiên hệ số thấm theo lực hút dính; - Phan ánh... ban chất v có dạng của SWCC; Xác định h m thấm - Dự tính từ đờng cong SWCC v biểu thức GT; - đo bằng buồng áp lực ( TEMPE - Soil moisture Equip Corp.in Santa Barbara, Calif.USA ) 16 Hàm thấm Có thể dự tính h m thấm từ đờng cong nớc - đất k S=1 Hệ số thấm ( thang độ log10 ) Đất b o ho k = constant Giá tri khí v o tới hạn - th = f (uw) K = g ( ) K = h (uw) Đất không b o ho k = f [ S, , (ua uw)] S S > Sr Bão ho V Vn = Vn V S=1 r ( Sr ) - độ ẩm d Không bão ho mw = mw uw uw 0 Lực hút dính S = Sr 13 đờng cong đặc trng nớc - đất. .. SWCC phụ thuộc phân bố cỡ lỗ rỗng trong đất Đất hạt thô, đồng đều Đất hạt mịn, cấp phối tốt qw qw Suction (kPa) Nhân tố ảnh hởng đến SWCC Suction (kPa) Cỡ v phân bố cỡ hạt Cấu trúc của đất Biến thiên thể tích (hệ số rỗng) Hysteresis 14 đờng cong Nớc - đất khái quát hoá 100 A Giá trị khí v o tới hạn th 80 Độ ẩm thể tích ( % ) th - h m của cỡ lỗ rỗng max trong đất, biến đổi do sự phân bố cỡ lỗ rỗng;... o hòa - cột ápQH - độ hút dính -1,0 0,5 Cột áp (m) 0 độ th m tng ủ i (-) 1,0 QH HS thấm tđ - cột áp 0,5 QH K - độ hút dính -1,0 0,5 Cột áp (m) 0 19 Mô hỡnh vật liệu theo PlaxFlow Lập quan hệ tuyến tính hóa MH h m thấm Genuchten 1 S(p) = 1+ 0 n u p 0 p ps n u ps < p< 0 n u p ps 1 4 v p krel(p) = 10 pk 10-4 n u p 0 n u pk < p< 0 n u p pk ps - cột áp tùy thuộc vật liệu, xác định phạm vi vùng không. .. liệu, xác định phạm vi vùng không bão hòa trong đk thủy tĩnh Dới giá trị ngỡng này, GT S(p) = 0 Theo gia định trên, lập QH tuyến tính-log gia HS thấm tơng đối trong vùng chuyển tiếp, tại đó cột áp pk ứng với krel(pk) = 10-4 20 MH lý thuyết van Genuchten 21 MH lý sấp xỉ van Genuchten 22 Cách lập d liệu tính toán của PlaxFlow Dựa v o lợng chứa tơng đối gi a các nhóm hạt, đất đợc phân l m 5 nhóm: coarse,... giác Feret, v đã dùng 3 hệ phân loại đất Hypres, USDA v Staring v i các d liệu về các thông số MH Các thông số cho trong hai Standard Series Relative permeability v Relative saturation Standard series, Relative permeability tab sheet Standard series, Relative Saturation tab23 sheet Phân loại đất theo PP tam giác Feret H 24 Phân loại đất theo hệ HYPRES HYPRES l hệ PL đất quốc tế đợc lập theo một dự án... tam giác Feret H 24 Phân loại đất theo hệ HYPRES HYPRES l hệ PL đất quốc tế đợc lập theo một dự án do EU t i trợ PlaxFlow đã dùng bộ d liệu n y suy ra các thông số thuỷ lực để mô hinh hoá các NC về môi trờng v quy hoạch sử dụng đất [Hydraulic properties of European Soil] 1àm = 10-4mm 25 26 ...Một số định nghĩa cơ ban Design Standard - Embankment Dams Chapt 8 - Seepage Analysis & Control-1987 Saturated Flow ( SF ): Dòng chay trong MT rỗng tại vùng có AL lỗ rỗng dơng phía dới đờng mặt thoáng - dọc theo đó, AL . 1 Khái niệm về Cơ học đất không bão hòa và mô hỡnh hàm thấm Genuchten GS. Nguyễn Công Mẫn PLAXIS FINITE ELEMENT CODES 2 Khái niệm về Cơ học đất không bão hoà LT. Chiều cao. nhau (Janssen & Dempsey, 1980) Không BH: u w và u a Khô: u = 0 Bo hoà MD: u < 0 Bo hoà: u > 0 +u -u u = w .h w +h -h (1) (2) (3) (4) 3 Khái niệm về Cơ học đất không bãohoà ứng suất có hiệu. trong cơ học đất không bão hoà, nó góp phần mở rộng phát triển nguyên lý ứng suất có hiệu quả của Terzaghi trong CHĐ cổ điển cho đất bão hoà. Nó ảnh hởng lớn đến tính thấm và chống cắt của đất.