Bài giảng Công trình thủy nâng cao: Chương 2 - PGS.TS. Nguyễn Thống

nhaân cuûa söï eùp thaûi laø do aùp löïc nöôùc khoâng ñeàu trong caùc loã roãng döôùi taùc duïng cuûa ngoaïi löïc (troïng löôïng baûn thaân, gia taûi,…).. COÂNG TRÌNH THUÛY NAÂ[r]

(1)

9/6/2014 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HCM

Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng - BM KTTNN

PGS TS.NGUYỄN THỐNG

Email: nthong56@yahoo.fr or nguyenthong@hcmut.edu.vn

Web: http://www4.hcmut.edu.vn/~nguyenthong/index

Tél (08) 38 691 592 -098 99 66 719 9/6/2014

NỘI DUNG MÔN HỌC Chương 1: Thấm qua cơng trình

Chương 2: Áp lực khe rỗng

Chương 3: Đập vật liệu địa phương Chương 3a: Mô Monte Carlo áp

dụng đánh giá ổn định mái dốc

Chương 4: Đập bê tông trọng lực Chương 4a: Đập bê tông đầm lăng (RCC)

CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO

9/6/2014

NỘI DUNG MÔN HỌC Chương 4b: Bài tốn toả nhiệt 3D

Chương 5: Phân tích ứng suất đập bê tông xảy động đất Chương 6: Đường hầm thủy công Chương 6b: Giếng điều áp

Chương 7: Đường ống áp lực – Nước va trong đường ống

CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO

9/6/2014

NỘI DUNG THỰC HÀNH

1. Hướng dẫn sử dụng phần mềm tính

nước va đường ống áp lực

WaterHammer_BK

2 Hướng dẫn sử dụng phần mềm tính khuếch tán nhiệt 3D bê tông thủy công

3. Hướng dẫn sử dụng phần mềm mô

phỏng Monte Carlo ứng dụng tính ổn định mái dốc đập vật liệu địa phương

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Giáo trình Cơng trình thủy 2 Giáo trình Cơ học đất 3 Phần mềm SIGMA 4 Phần mềm SLOPE. 5 Phần mềm SEEP

6 Phần mềm CRYSTAL BALL

NỘI DUNG

1 Giới thiệu tượng vật lý

2 Lý thuyết cố kết & áp lực khe rỗng 3 Ví dụ

(2)

2

9/6/2014

GIỚI THIỆU VẤN ĐỀ

Xét môi trường xốp:

- Dưới tác dụng ngoại lực (lực bên ngoài, trọng lượng thân,…)  nước & khí chứa mơi

trường “dần dần” bị đẩy ngồi  độ rỗng đất

giảm xuống  tượng “CỐ

KẾT” môi trường

Chương 2: Áp lực khe rỗng

PGS Dr Nguyễn Thống 9/6/2014

- Khi lỗ rỗng chứa tỷ lệ nước vừa phải (G=12-14%), cịn lại khí & khí liên thơng với khí trời  t/hợp xảy cố kết nhanh

chịu tác dụng tải trọng Vì t/hợp này khơng khí bị “ép” ngồi nhanh (các loại cát)

PGS Dr Nguyễn Thống

9/6/2014

- Khi lỗ rỗng chứa tỷ lệ nước nhiều (G>85%), cịn lại khí q ít  khí không liên thông với khí trời  khí tồn tại dạng “bóng khí”  đầm nén làm bóng khí bị nén đàn hồi “tạm thời” t/hợp xảy cố kết chậm khi chịu tác dụng tải trọng

PGS Dr Nguyễn Thống 9/6/2014 10

- Đất cát  cố kết nhanh

- Đất thiên sét  cố kết chậm

Xét mơi trường có độ ẩm lớn (khơng khí có ít & dạng bóng khí)

Q trình cố kết xuất nước từ lỗ

rỗng đất ép thải Nguyên

nhân ép thải áp lực nước không đều lỗ rỗng tác dụng ngoại lực (trọng lượng thân, gia tải,…)

9/6/2014 11

- Do đó, loại đất có độ rỗng bé (sét, sét…)  ép thải nước khó, chậm  áp lực nước phân bố không kẽ rỗng lớn

 Áp lực nước xuất kẽ rỗng trong trình cố kết gọi “ÁP LỰC KẼ RỖNG” hay gọi áp lực (suất) dư

- Thời gian kéo dài áp lực kẽ rỗng hàng năm đến nhiều năm

- Áp lực khe rỗng thay đổi theo trình ép thải nước ngày giảm dần

- Có thể xem trình thấm không ổn

định mơi trường rỗng biến dạng  lý

thuyết tượng thấm “cổ điển” không

thể sử dụng  thiết lập p/trình mơ

tả tượng giải theo hướng khác

CÔNG TRÌNH THỦY NAÂNG CAO

(3)

9/6/2014 13

- Nội dung lý thuyết cố kết nghiên cứu sự phân bố tải trọng tác dụng lên khối đất đối với pha rắn pha lỏng diễn nào theo không gian thời gian

- Chỉ có tải trọng truyền lên pha rắn  tạo nội ma sát đất  tạo cố kết đất & khả chịu tải (tức cuờng độ) đất

- Gọi h ứng suất pháp trung bình tác dụng lên

hạt đất (pha rắn), gọi ứng suất hiệu quả

- Gọi tr ứng suất pháp trung bình truyền cho

nước (pha lỏng), gọi ứng suất trung hồ

hay cịn gọi ÁP LỰC KHE RỖNG

- Gọi  ứng suất tổng:

tr h 

  

9/6/2014 15

 Vì module nén thể tích nước >> so với

module nén thể tích đất  nước không

nén

 Khi tải trọng bắt đầu tác dụng lên khối

đất pha (t=0):

h=0 (hạt) & tr=  (nước)

- Khi t>0 : h > & tr< 

- Khi t >>1 : h =  & tr =0  pha rắn nhận

tồn tải trọng ngoại lực

Đối với pha lỏng, sau tiếp nhận tải trọng

 nước “từ từ” tiết khỏi phạm vi khối

đất chịu tải Hiện tượng kéo dài phụ thuộc hệ số thấm đất

Aùp lực trung hoà (áp lực lỗ rỗng) giảm dần từ

tr = tr =0

 Về lý thuyết, tượng giảm áp lực khe

rỗng kéo dài vô tận (t>>1)

Xét đến áp lực khe rỗng, định luật Coulomb có dạng:

 Ưùng suất tiếp,  góc nội ma sát, c lực dính

đơn vị

 Với mơ hình pha, t=0 tr< , khơng khí bị nén  tạo phần ứng

suất pha rắn  hệ số nước bão hồ

c tg c

tg h

tr   

   

 ( )

SƠ ĐỒ CỐ KẾT THẤM HƯỚNG

dz z q q

 

 p

tr,t

p

0<t t>>1 tr,t

h,t

p p

h,t

Tầng không thấm dh

(4)

4

9/6/2014 19

MỘT SỐ KÝ HIỆU QUY ƯỚC

MOÄT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN

Trọng lượng riêng:

Trọng lượng riêng ướt:

Trọng lượng

Theå tích Vk Vn Vh

Vr

Wh Wn

Wk

V W

Hạt Nước Khí

) m / kN ( V

W

 

) m / kN ( V

W

Wh n

 

9/6/2014 21

Trọng lượng riêng bão hòa:

Với Wn’ trọng lượng nước chiếm đầy Vr

Trọng lượng riêng đẩy nổi:

Chứng minh:

) m / kN ( V

W

Wh n

bh



  

) m / kN ( V

V

Wh n h

dn

   

1 bh dn 



9/6/2014 22

Độ ẩm đất: Tỷ lệ nước đất

trọng lượng hạt

Độ bão hoà đất:

G<0,5  đất ẩm 0,5<G<0,8  đất ẩm G>0,8  đất bão hoà

% W W 100 %

h n

 

r n

V V G

9/6/2014 23

Độ rỗng: Tỷ lệ thể tích lỗ rỗng tổng thể

tích mẫu

Hệ số rỗng:

% V V 100 %

n  r

h r

V V e

9/6/2014 24

KHÁI NIỆM VỀ VẬN TỐC THẤM TRUNG BÌNH VÀ THỰC TRONG

MƠI TRƯỜNG RỖNG

(5)

9/6/2014 25 Kí hiệu n, m, s tỷ số thể tích

thành phần tương ứng nước, hạt và khí đơn vị thể tích đất: Vn, Vm, Vs thể tích thành phần tương ứng nước, hạt rắn khí tồn thể tích khối đất V

Với môi trường pha: n+m+s=1 môi trường pha n+m=1

V V s V V m V V

n n ;  m;  s

9/6/2014 26

Quan hệ vận tốc trung bình vận tốc thực thành phần NƯỚC: Vận tốc thấm trung bình u qua

tiết diện  là: Vận tốc thấm thực u’:

   

Q Q u

u

n n

u Q Q

u   

  

Tiết diện thành phần nước

9/6/2014 27



Trong không gian chiều:

u n u V V u

u n  n  

  

z z

y y

x x

u n u

 

9/6/2014 28

Tương tự cho thành phần hạt:

z z

y y

v x

v m v

 

9/6/2014 29

 Đối với thành phần khí (bong bóng khí) tương tự w=sw’

 Mặt khác, giả thiết bóng khí trộn lẫn với hạt rắn có vận tốc chuyển động hạt rắn  w’ = v’

z z

y y

x x

v m

s v s w s w

v m

s v s w s w

v m

s v s w s w

    

(6)

6

9/6/2014 31

QUAN HỆ NÉN ÉP

Bỏ qua từ biến:

 hệ số rỗng

a hệ số cố kết,  ứng suất Môi trường pha:

(vì m+n+s=1)

Mơi trường pha:

(vì m+n=1)

const a

  

      

1 1

m m

s n

    



1 1

m m

n

9/6/2014 33

ĐỊNH LUẬT CÂN BẰNG GIỚI HẠN

PGS Dr Nguyễn Thống h

W q

Z p 

q ngoại lực

W áp lực nước

, p ứng suất sườn đất áp suất nước tại đáy trụ vi phân t

Hình trụ vi phân

KHƠNG THẤM

9/6/2014 35

Gọi ’ p’ giá trị tương ứng thời điểm cố kết hồn tồn

Xét hình trụ vi phân (xét cho đv diện tích nằm ngang), phương trình cân giới hạn trình cố kết:

Khi cố kết hoàn toàn:

p Z

h W

q bh(  )

p Z

h W

q bh(  ) 

Trọng lượng cột đất hình trụ vi phân

9/6/2014 36

Từ đó:

 hình chiếu p/t xuống phương:

p p 

 

yz yz z

z

xy xy y

y

zx zx x

x

p p

        

; ) (

(7)

9/6/2014 37

LÝ THUYẾT

DARCY

Lý thuyết Darcy

Trong trường hợp thấm qua môi trường không biến dạng:

us vận tốc thấm trung bình theo phương s, n hệ số rỗng, k hệ số thấm

u’

svận tốc thấm thực

s H n k n u u s H k u s s s           

9/6/2014 39

Trong môi trường biến dạng, sườn đất chuyển động phương dòng nước 

vận tốc thấm tương đối nước so với sườn đất:

s H n k m v n u v

u s s

s s          s H k v m n

us s

     

9/6/2014 40

Lyù thuyết Darcy

Trong mơi trường hai pha ta có:

       1 1 ; 1 m n x H k v

ux x x

       ) ( );

( hai pha

m n pha ba m s

n 

 

Tương tự cho phương lại:

y H k v

uy y y

       z H k v

uz z z

      

Nếu thấm qua mơi trường khơng biến dạng, có kể đến ảnh hưởng của gradient thấm ban đầu i0, vận tốc thấm trung bình thực sau:

                       

 0 i0