Bài giảng Cơ học đất - Chương 2: Tính chất cơ học của đất (Trần Thế Việt) cung cấp đến học viên các kiến thức về tính thấm nước của đất, khái niệm về dòng thấm trong đất, tác động của dòng thấm do lực thấm, phân loại dòng thấm, định luật Darcy, hệ số thấm và phương pháp xác định,... Mời các bạn cùng tham khảo chi tiết nội dung bài giảng!
1/23/2018 CHƯƠNG II: TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT (mechanical properties of soil) I never learn anything talking I only learn things when I ask questions Lou Holtz TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT Đất VL rời, phân biệt với VL rắn khác có tính liên tục BT, thép… ❖ Hợp thành pha ❖ Có tính rời, rỗng ❖ Cường độ L.kết hạt nhỏ nhiều so với cường độ thân hạt ❖ Dưới tác dụng tải trọng, tính rỗng đất thay đổi → tính chất học đất thay đổi theo TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT Đất khác với VL khác: ✓ Tính thấm nước ✓ Tính ép co & biến dạng ✓ Tính chống cắt ✓ Tính đầm chặt 1/23/2018 C.4 TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT T1 Tính thấm nước đất T2 Tính ép co biến dạng đất T3 Cường độ chống cắt đất T4 Tính đầm chặt đất T1 TÍNH THẤM NƯỚC CỦA ĐẤT T1 TÍNH THẤM NƯỚC CỦA ĐẤT I Khái niệm dòng thấm đất Đất MT phân tán có tính rỗng, td chênh lệch cột nước, nước xuyên qua lỗ rỗng đất & c.động từ nơi có MN cao tới nơi có MN thấp Hạt đất, nước, khí 1/23/2018 I Khái niệm dòng thấm đất Hiện tượng td chênh lệch cột nước, nước có khả c.động xuyên qua lỗ rỗng liên thông đất gọi tượng thấm đất Tính chất bị nc thấm qua gọi tính thấm đất 1.1 Ý nghĩa việc nghiên cứu dòng thấm Vấn đề nước ❖ Giảm hiệu tích nước hồ chứa ❖ Ảh đến thi công nước chảy vào hố móng Tác động dịng thấm lực thấm J = w.i ❖ Gây xói ngầm học đáy CT ❖ Chảy đất, mạch đùn, mạch sủi chỗ dịng thấm gradien thấm đạt giá trị giới hạn igh ❖ Làm môđ mái dốc thấm ngược 1.2 Phân loại dòng thấm Dòng thấm ổn định ko ổn định tùy theo điều kiện gây thấm ❖ Cột nc thấm thay đổi theo thời gian ❖ Dịng thấm mơi trường có độ lỗ rỗng thay đổi theo thời gian Dịng thấm phân ra: chiều; chiều; chiều Tùy vận tốc dòng chảy: chảy tầng, chảy rối, trạng thái độ loại 1/23/2018 1.2 Phân loại dòng thấm Phân loại dòng thấm theo vận tốc thấm 10 I Khái niệm dòng thấm đất PT Bernoulli – Năng lượng dòng thấm: Tổng lượng dòng thấm điểm gồm Động năng: Do vận tốc Áp lực nước lỗ rỗng Thế năng: Do chênh cao với mặt chuẩn hA u Cột áp v2 Z 2g Cột tốc độ Cột cao độ 11 I Khái niệm dòng thấm đất Do d.chảy đất, vân tốc bé 𝑪ộ𝒕 𝒏𝒄 𝒍ư𝒖 𝒕ố𝒄 + Tổng cột nc = 𝑪ộ𝒕 𝒏𝒄 á𝒑 𝒍ự𝒄 + 𝑪ộ𝒕 𝒏𝒄 𝒄𝒂𝒐 độ 𝑯= 𝒖 +𝒁 𝜸𝒘 Tổng cột nc = Cột nc áp lực + cột nước cao độ 𝐻= 𝑢 +𝑧 𝛾 12 1/23/2018 Example Sơ đồ thấm đáy đập bê tong thể hình P điểm đường thấm nằm cách mặt chuẩn 6m, áp lực nước lỗ rỗng P 42 kPa Xác định cột nước tổng P 13 II ĐỊNH LUẬT DARCY i h uA h L uB hA hB ZA ZB Mặt chuẩn Chú ý: Khi dòng chảy chảy từ A B, cột nc tổng A > B, lượng bi tiêu hao để thắng sức cản đất giảm theo chiều dịng chảy 14 II ĐỊNH LUẬT DARCY 2.1 Nội dung định luật Năm 1856, Darcy dựa vào KQ TN với đất cát trạng thái chảy tầng ra: vận tốc thấm & gradien thủy lực tỷ lệ với 𝒗 = 𝒌 𝒊 (2.1) 15 1/23/2018 II ĐỊNH LUẬT DARCY Theo ĐL bảo toàn khối lượng học CL, với d.chảy ổn định, ko nén đc: 𝒒 = 𝒗𝟏 𝑨𝟏 = 𝒗𝟐 𝑨𝟐 = 𝒄𝒐𝒏𝒔𝒕𝒂𝒏𝒕 (𝟐 𝟐) Vậy, viết lại ĐL Darcy dạng 𝒒 = 𝒗 𝑨 = 𝒌 𝒊 𝑨 = 𝒌 ∆𝒉 𝑨 (𝟐 𝟑) 𝑳 q – lưu lượng thấm đv thời gian qua mặt cắt A A – diện tích mặt cắt T”, vng góc với dịng thấm (m2) k – hệ số thấm Darcy (m/s) 16 Chú ý Khi i = v = k, ⇒ k vận tốc thấm gradien thủy lực đơn vị Q.hệ tuyến tính v & i đc thực tế chứng minh Đó ĐL thấm nước đất- ĐL Darcy Nước thấm qua lỗ rỗng ko phải tồn diện tích MC ngang, (2.1) vthực tế > v Tuy vậy, để đơn giản, thiết kế CT, ĐL Darcy đc áp dụng 17 2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số thấm Kích thước & cấp phối hạt (mức độ hạt) Theo công thức kinh nghiệm Hệ số rỗng: Nhân tố ah có t.chất q.định đến k Nc kết hợp mặt hạt đất: Sự tồn màng nc bao quanh hạt đất làm lỗ rỗng bi thu hẹp, làm giảm k AH đặc biệt rõ với đất dính “AH hạt bụi & hạt sét đến hệ số thấm K” Bọc khí kín đất 1/23/2018 2.3 Phạm vi ứng dụng ĐL Darcy Nhiều KQ TN cho thấy ĐL Darcy với số loại đất định - Với đất hạt thô (nền cuội sỏi, đập đá đổ ) vthấm lớn Nếu vthấm > Vgh v & i có quan hệ phi tuyến, biểu thị quy luật chảy rối - Với đất cát đất sét chặt, quy luật thấm phù hợp với ĐL Darcy 19 II ĐỊNH LUẬT DARCY 2.3 Phạm vi ứng dụng ĐL Darcy Với đất sét chặt, cản trở nước màng bao quanh, quy luật thấm đổi khác so với ĐL thấm Darcy v = k2(i-io) với i i1 v = k1i n với i < i1 n hệ số phụ thuộc loại đất i0: độ dốc thủy lực ban đầu 20 III Hệ số thấm phương pháp xác định ☺) TN phòng: dùng thiết bị máy đo thấm, 2TH ✓ Cột nước khơng đổi (đất có tính thấm lớn) ✓ Cột nước giảm dần ( đất có tính thấm bé) ☺) TN trường: Thường sử dụng thiết bị bơm TN ✓ Cột nước ko đổi ✓ Cột nước giảm dần 21 1/23/2018 3.1 thí nghiệm cột nước khơng đổi Thể tích nc thu đc thời gian t 𝑸 = 𝑨 𝒗 𝒕 Theo Darcy 𝒗 = 𝒌 𝒊 = 𝒌 𝒉 𝑳 𝒌= 𝑸 𝑳 𝒉 𝑨 𝒕 Q: tổng thể tích nước (m3) thời gian t(s) A: Diện tích MC ngang mẫu 22 23 3.1 thí nghiệm cột nước không đổi VD1 - Một mẫu đất hình trụ trịn, đường kính 8cm, dài 20cm, thí nghiệm với thiết bị đo thấm có cột nước ko đổi Cột nước 75cm trì suốt thời gian diễn TN Sau 1’ TN, thu đc tổng cộng 910 cm3 nước - Yc: Tính hệ số thấm mẫu đất? 24 1/23/2018 3.1 thí nghiệm cột nước khơng đổi VD1 - Diện tích MC ngang mẫu 𝑨= 𝝅.𝑫𝟐 𝟒 𝝅 = 𝟒 𝟖𝟐 = 𝟓𝟎 𝟐𝟒𝒄𝒎𝟐 - Vậy hệ số thấm mẫu đất 𝒌= 𝑸 𝑳 𝟗𝟏𝟎𝒄𝒎𝟑 ∗ 𝟐𝟎𝒄𝒎 = = … 𝒄𝒎/𝒔 𝒉 𝑨 𝒕 𝟕𝟓𝒄𝒎 ∗ 𝟓𝟎 𝟐𝟒𝒄𝒎𝟐 ∗ 𝟔𝟎𝒔 25 3.2 Thí nghiệm với cột nước giảm dần - Trong trình TN cột nước thay đổi theo thời gian: - Tại thời điểm t cột nc h - Sau dt, thể tích nc ngấm qua mẫu đất dQ ứng với cột nước ống (tiết diện a) hạ xuống dh 26 3.2 Thí nghiệm với cột nước giảm dần Lưu lượng chảy vào mẫu dQ = - adh (1) Dấu (-) biểu thị Q thấm qua mẫu tăng h hạ thấp Ở thời điểm t, cột nc h, Gradien thủy lực đó: 𝒉 𝒊= 𝑳 Theo ĐL Darcy, 𝒉 𝒅𝑸 = 𝒌𝒊𝑨𝒅𝒕 = 𝒌 𝑨𝒅𝒕 𝑳 𝒅𝒕 = − 𝒂𝑳𝒅𝒉 𝒌𝑨𝒉 27 1/23/2018 3.2 thí nghiệm với cột nước giảm dần Lấy tích phân vế PT h1 a h2 t dh A2 k dt h L t1 𝒌= 𝒂𝑳 𝒉𝟏 𝒍𝒏 𝑨∆𝒕 𝒉𝟐 (Với 𝛥t = t2 – t1) Tính theo Log 10: k 2,3 aL h log10 At h2 28 3.2 thí nghiệm với cột nước giảm dần TN với cột nước ko đổi phù hợp với đất có tính thấm lớn (k > 10-3 cm/s) VD cát; TN cột nc thay đổi dùng cho đất có tính thấm bé ( k < 10-3 cm/s) 29 3.1 thí nghiệm cột nước giảm dần VD2 TN cột nc giảm dần tiến hành với cát lẫn sỏi thu đc KQ sau: a = 6.25 cm2; h1 = 160.2 cm; A = 10.73 cm2; h2 = 80.1 cm; L = 16.28 cm; 𝛥t = 90s Cho cột nc giảm từ h1 → h2 Y/c: Tính hệ số thấm mẫu đất 30 10 ...1/23/2018 C.4 TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT T1 Tính thấm nước đất T2 Tính ép co biến dạng đất T3 Cường độ chống cắt đất T4 Tính đầm chặt đất T1 TÍNH THẤM NƯỚC CỦA ĐẤT T1 TÍNH THẤM NƯỚC CỦA ĐẤT I Khái... rỗng liên thông đất gọi tượng thấm đất Tính chất bị nc thấm qua gọi tính thấm đất 1.1 Ý nghĩa việc nghiên cứu dòng thấm Vấn đề nước ❖ Giảm hiệu tích nước hồ chứa ❖ Ảh đến thi cơng nước chảy vào... thấm đất Đất MT phân tán có tính rỗng, td chênh lệch cột nước, nước xuyên qua lỗ rỗng đất & c.động từ nơi có MN cao tới nơi có MN thấp Hạt đất, nước, khí 1/23/2018 I Khái niệm dòng thấm đất Hiện