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!
Trang 1CHƯƠNG 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 là VL rời, phân biệt với các VL rắn khác có tính
liêntục như BT, thép…
❖Hợp thành bởi 3 pha
❖Có tínhrời, rỗng
❖Cường độ L.kết giữa các hạt nhỏ hơn nhiều so
với cường độ bản thân hạt
❖Dưới tác dụng của tải trọng, tính rỗng của đất
thayđổi → tính chất cơ học của đất thay đổi theo
2
TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT
Đất khác với các VL khác:
✓ Tínhthấm nước
✓ Tính ép co &biến dạng
✓ Tínhchống cắt
✓ Tínhđầm chặt
Trang 2T1 Tính thấm nước của đất
T3 Cường độ chống cắt của đất
C.4 TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT
4
T1 TÍNH THẤM NƯỚC CỦA ĐẤT
5
T1 TÍNH THẤM NƯỚC CỦA ĐẤT
I Khái niệm về dòng thấm trong đất
Đất là MT phân tán có tính rỗng, dưới td củachênh lệch cột
nước,nước có thể xuyên qua lỗ rỗng trong đất & c.động từ
nơi có MN cao tới nơi có MN thấp
Hạt đất, nước, khí
Trang 3Hiện tượng dưới td củachênh lệch cột nước,nước có
khả năng c.động xuyên qua lỗ rỗng liên thông nhau
trongđất gọi làhiện tượng thấmcủa đất Tính chất bị nc
thấm qua gọi làtính thấm của đất
7
1 Vấn đề mất nước
❖ Giảmhiệu quả tích nướccủa hồ chứa
❖ Ảh đến thi công do nước chảy vào hố móng
❖ Gâyxói ngầm cơ họcdưới đáy CT
❖Chảy đất, mạch đùn, mạch sủi tại chỗ dòng thấm
thoát ra khi gradienthấm đạt giá trị giới hạn igh
❖ Làmmôđ mái dốc do thấm ngược
8
1 Dòngthấm ổn định hoặc ko ổn định tùy theo điều
kiện gây thấm
❖ Cột nc thấm thay đổi theo thời gian
❖ Dòngthấm trong môi trường có độ lỗ rỗng thay đổi
theothời gian
2 Dòngthấm có thể phân ra: 1 chiều; 2 chiều; 3 chiều
3 Tùyvận tốc dòng chảy: chảy tầng, chảy rối, và trạng
thái quáđộ giữa 2 loại
Trang 4Phân loại dòng thấm theo vận tốc thấm
10
PT Bernoulli – Năng lượng của dòng thấm:
Động năng: Do vận tốc
Áp lực nước lỗ rỗng
Thế năng: Do chênh cao với
mặt chuẩn
Tổng năng lượng của dòng thấm tại 1 điểm gồm
Z g
v
u
2
2
Cột
áp Cột
tốc độ
Cột cao độ
11
I Khái niệm về dòng thấm trong đất
𝐻 = 𝑢
𝛾 + 𝑧
Do d.chảy trong đất, vân tốc rất bé
Tổng cột nc =
𝑪ộ𝒕 𝒏𝒄 𝒍ư𝒖 𝒕ố𝒄 + 𝑪ộ𝒕 𝒏𝒄 á𝒑 𝒍ự𝒄 + 𝑪ộ𝒕 𝒏𝒄 𝒄𝒂𝒐 độ
Tổng cột nc = Cột nc áp lực + cột nước cao độ
𝑯 = 𝒖
𝜸𝒘+ 𝒁
Trang 5Example 1
Sơ đồ thấm dưới đáy một đập bê tong được thể hiện
như hình P là một điểm trên đường thấm nằm cách mặt
chuẩn 6m, áp lực nước lỗ rỗng tại P là 42 kPa Xác định
cột nước tổng tại P
13
II ĐỊNH LUẬT DARCY
Chú ý:
Khi dòngchảy chảy từ A B, cột nc tổng tại A > B, năng
lượng bi tiêu hao để thắng sức cản của đất nó giảm theo
chiều dòng chảy
Mặt chuẩn
hA
hB
A
u
B
u
Z A
Z B
h
i
14
II ĐỊNH LUẬT DARCY
Năm 1856, Darcy dựa
vào KQ TN với đất cát
sạch ở trạng thái chảy
tầng chỉ ra:vận tốc thấm
& gradien thủy lựctỷ lệ
với nhau
𝒗 = 𝒌 𝒊 (2.1)
Trang 6II ĐỊNH LUẬT DARCY
TheoĐL bảo toàn khối lượng trong cơ học CL, với
d.chảy ổn định, ko nén đc:
𝒒 = 𝒗𝟏 𝑨𝟏= 𝒗𝟐𝑨𝟐= 𝒄𝒐𝒏𝒔𝒕𝒂𝒏𝒕 (𝟐 𝟐)
Vậy, có thể viết lại ĐL Darcy dưới dạng
𝒒 = 𝒗 𝑨 = 𝒌 𝒊 𝑨 = 𝒌.∆𝒉
𝑳 𝑨 (𝟐 𝟑)
q– lưu lượng thấm trong 1 đv thời gian qua mặt cắt A
A– diện tích mặt cắt T”, vuông góc với dòng thấm (m2)
k– hệ số thấm Darcy (m/s)
16
Chú ý
Khi i = 1 thì v = k,⇒ k là vận tốc thấm khi gradien thủy
lực bằng đơn vị
Q.hệ tuyến tính giữa v & i đã đc thực tế chứng minh
Đó là ĐL thấm cơ bản của nước trong đất- ĐL Darcy
Nước chỉ thấm qua các lỗ rỗng chứ ko phải toàn bộ
diện tích MC ngang, do đó trong (2.1) vthực tế> v Tuy
vậy, để đơn giản, trong thiết kế CT, ĐL Darcy vẫn đc áp
dụng
17
hạt (mức độ đều hạt)
Theo côngthức kinh nghiệm
2 Hệ số rỗng: Nhân tố ah có
t.chất q.định đến k
3 Nc kết hợp mặt ngoài hạt
đất: Sự tồn tại của các màng
nc bao quanh hạt đất làm lỗ
rỗng bi thu hẹp, làm giảm k AH
nàyđặc biệt rõ với đất dính
Bọc khí kín trong đất
“AH của hạt bụi
& hạt sét đến hệ
số thấm K”
Trang 72.3 Phạm vi ứng dụng của ĐL Darcy
Nhiều KQ TN cho thấy ĐL Darcy chỉ đúng với 1 số
loại đất nhất định
- Với đất hạt thô (nền cuội sỏi, đập đá đổ ) vthấmrất
lớn Nếu vthấm >Vghthì v & i có quanhệ phi tuyến,
biểu thị quy luật chảy rối
- Với đất cát và đất sét kém chặt, quy luật thấm rất
phùhợp với ĐL Darcy
19
II ĐỊNH LUẬT DARCY
Với đất sét chặt, do sự cản trở của nước màng bao
quanh, quyluật thấm đổi khác so với ĐL thấm Darcy
v = k2(i-io) với i i1
v = k1i nvới i < i1
nhệ số phụ thuộc loại đất
i0:độ dốc thủy lực ban đầu
20
III Hệ số thấm và phương pháp xác định
☺) TN trong phòng: dùngthiết bị máy đo thấm, 2TH
✓ Cột nước không đổi(đất có tính thấm lớn)
✓ Cột nước giảm dần (đất có tính thấm bé)
☺) TN hiện trường: Thường sử dụng các thiết bị bơm
trong các TN
✓ Cột nước ko đổi
✓ Cột nước giảm dần
Trang 83.1 thínghiệm cột nước không đổi
Thể tích nc thu đc trong 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 thoát ra
(m3) trongthời gian t(s)
A:Diện tích MC ngang của mẫu
22
23
VD1
- Một mẫu đất hình trụ tròn, đường kính 8cm, dài 20cm,
được thí nghiệm với thiết bị đo thấm có cột nước ko
đổi Cột nước 75cm được duy trì trong suốt thời gian
diễn ra TN Sau 1’ TN, thu đc tổng cộng 910 cm3
nước
- Yc: Tính hệ số thấm của mẫu đất?
3.1 thínghiệm cột nước không đổi
Trang 9- Diện tích MC ngang của mẫu
3.1 thínghiệm cột nước không đổi
𝑨 =𝝅.𝑫𝟐
𝟒 = 𝝅𝟒 𝟖𝟐 = 𝟓𝟎 𝟐𝟒𝒄𝒎𝟐
- Vậy hệ số thấm của mẫu đất
𝒌 = 𝑸 𝑳
𝒉 𝑨 𝒕=
𝟗𝟏𝟎𝒄𝒎𝟑∗ 𝟐𝟎𝒄𝒎 𝟕𝟓𝒄𝒎 ∗ 𝟓𝟎 𝟐𝟒𝒄𝒎𝟐∗ 𝟔𝟎𝒔= … 𝒄𝒎/𝒔
25
- Trong quá trình TN cột
nước sẽ thay đổi theo
thời gian:
- Tại thời điểm t cột nc là h
- Sau dt,thể tích nc ngấm
quamẫu đất là dQ ứng
với cột nước trong ống
(tiết diện a) hạ xuống dh
3.2 Thínghiệm với cột nước giảm dần
26
3.2 Thínghiệm với cột nước giảm dần
𝒊 =𝒉
𝑳 TheoĐL Darcy,
𝒅𝑸 = 𝒌𝒊𝑨𝒅𝒕 = 𝒌𝒉
𝑳𝑨𝒅𝒕
𝒅𝒕 = −𝒂𝑳𝒅𝒉 𝒌𝑨𝒉
Lưu lượng chảy vào mẫu
Dấu (-) biểu thị Q thấm qua mẫu tăng
khi hhạ thấp
Ở thời điểm t, cột nc khi đó là h,
Gradienthủy lực khi đó:
Trang 10Lấy tích phân 2 vế PT trên
3.2 thínghiệm với cột nước giảm dần
𝒌 = 𝒂𝑳
𝑨∆𝒕𝒍𝒏
𝒉𝟏
𝒉𝟐
(Với 𝛥t = t2– t1)
2
1 10 log 3
,
2
h
h t
A
aL
k
Tính theo Log 10:
28
TN với cột nước ko đổi phù hợp với đất có tính thấm lớn (k
> 10-3cm/s) VD cát; còn TN cột
nc thay đổi dùng cho đất có tính thấm bé ( k < 10-3cm/s) 3.2 thínghiệm với cột nước giảm dần
29
VD2
TN cột nc giảm dần tiến hành với cát lẫn sỏi thu đc
KQ như 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 của mẫu đất
3.1 thínghiệm cột nước giảm dần