Đặc trưng đất xây dựng Tính chất vật lý học icủat đất Phân loạ đấ Do có hai loại đối tượng đất (1) Đất tự nhiên làm công trình; (2) Công trình làm đất, nhân tạo (con người chế tạo lại đất tự nhiên) bối cảnh công trình chịu tác động môi trường Có số yếu tố ảnh hưởng đến tính chất học đất, kể vắn tắt sau: - Từ loại đất: đất rời đất dính (sự phân bố khả tiếp thụ tải trọng khác nhau); - nh hưởng rung động, động đất, tính lún sụt trương nở; - Lũ lụt, mưa lũ kéo dài (độ ẩm dẫn đến giảm thiểu độ bền) - Hóa chất lan truyền lòng đất (Ô nhiễm) - Những phương pháp nghiên cứu tổng quát khác cho trị số độ bền khác (mẫu đem nghiên cứu không đại diện) Tính lưu biến đất Có thể nêu lên hai tính lưu biến chính: Từ biến biến dạng sườn cấu trúc theo thời gian tải trọng không thay đổi, tải trọng nén cắt Tính chùng ứng suất (relaxation) trình sụt giảm ứng suất đất biến dạng không thay đổi Cả hai có liên quan đến liên kết dính nhớt phần tử sườn cấu trúc Thảo luận: Dưới tải trọng lớn vô hạn, đất lại có độ bền định, gọi độ bền dài hạn Trong điều kiện giáo trình này, không sâu trình bày vấn đề này, giới thiệu Dòng thấm Tính thấm thấm CHƯƠNG DÒNG LƯU CỦA NƯỚC TRONG ĐẤT – TÍNH THẤM VÀ SỰ THẤM Mục tiêu chương này: - Biết chế hình thành dòng lưu đất có thấm Sự phát sinh dòng thấm đất tùy thuộc vào loại đất Biết cách xác định hệ số thấm cách dựng lưới thấm đồ giải Casagrande để tính toán lưu lượng áp lực dòng thấm đất - Hiểu : dòng thấm ảnh hưởng lên ứng suất hữu hiệu (là đại lượng chủ yếu tính toán độ lún, thời gian hoàn tất lún, lực đẩy tác dụng lên đê đập công trình thủy, hệ số áp lực hông…) Dòng thấm đất nói chung gây ảnh hưởng bất lợi cho công trình nhân tạo hay mái dốc tự nhiên - Làm sau học xong chương ? Đo áp lực nước lỗ rỗng đất ống đứng hở (piezometer); Tính áp lực đẩy công trình đê đập, tường cừ chắn đất hố đào, đánh giá nguy bùng xuất dòng thấm… Người học tính toán ứng suất hữu hiệu loại đất khác nhau, phân tích để liệt kê cách đầy đủ định lượng trị số áp lực dòng thấm xung quanh hố móng, công trình thủy lợi dân dụng cầu đường… § DÒNG LƯU CỦA NƯỚC TRONG ĐẤT – TÍNH THẤM Một số khái niệm ban đầu dòng lưu đất Đất môi trường pha (rắn lỏng khí), có lỗ rỗng hạt nước tự lưu qua lỗ rỗng từ điểm có lượng cao sang điểm có lượng thấp (thế năng) Chúng ta học ứng suất đất, chịu hay không chịu chi phối lưu nước tự qua lỗ rỗng đất 1.1 Tại cần học lưu nước môi trường rỗng? - Để ước tính lượng dòng thấm đất - Để xác định lượng nước thoát từ công trình thủy (đê đập), hố móng - Để xác định áp lực nước lỗ rỗng (pore water pressure)/ ứng suất hữu hiệu trọng lượng thân đất (effective geostatic stresses) - Để xác định thay đổi thể tích lớp đất (cố kết đất _ soil consolidation) độ lún móng 1.2 Dòng lưu nước đất phụ thuộc vào: 1- Độ rỗng đất 2- Loại đất (Cỡ hạt độ lèn chặt hạt – particle shape - degree of packing) 3- Độ nhớt lưu chất đất - Nhiệt độ –Những thành phần hóa học; 4- Sự chênh lệch lượng thể cột nước tổng cộng (chiều cao cột nước tổng cộng tổng chiều cao Cột nước áp lực+ Cột nước vận tốc (velocity head) + Cột nước độ cao (Elevation head ) Dòng thấm Tính thấm thấm Do hệ số thấm nhỏ, lưu nước thuộc chế độ chảy tầng, nên bỏ qua cột nước vận tốc biểu thức tổng quát cột nước tổng cộng 1.3 Gradient thủy lực ? Là tỉ số chiều cao cột nước áp lực tổng chia cho chiều dài dòng thấm p v2 H = z + + γW g Phương trình Bernouli's đất cột áp tổng: (2-1) Dòng lưu nước đất 2.1Cột nước thủy lực đất: Cột nước tổng cộng = Cột nước áp lực + Cột nước độ cao (Bỏ qua cột nước vận tốc) ht = hp + he Cột nước độ cao điểm = Độ nhấc điểm tính từ mức chuẩn (datum) Cột nước áp lực điểm = Chiều cao nước dâng ống đo piezometer bên điểm Cột nước áp lực lỗ rỗng điểm = P.W.P = gwater hp A A E C F B B Datum (mức chuẩn) D (a) ng (a) (b) Giả thiết loại đất ng (b) Cột Cột Tổng Cột Cột Tổng nước cộng nước nước nước cộng áp áp Điểm C AC BC AB AB AE BE Ñieåm E D -BF BD - BD 0 BF F Tại Điểm D: Vì nằm mực chuẩn, nên cột BD lấy dấu (–) Tại điểm F: Vì nằm mực chuẩn, nên cột áp BF lấy dấu (–) , cột dấu + Kết luận: Nói cột áp: Trên mức chuẩn Datum, lấy dấu (+) ; ngược lại Nói cột thế: Dưới mức chuẩn Datum, lấy dấu (–) ; ngược lại Lưu ý: Tầm quan trọng Kết luận minh họa rõ qua thí dụ tính áp lực thấm đê đập Dòng thấm Tính thấm thấm Đo cột nước áp lực ống đo piezometer Piezometer ống đứng hở cài vào hố khoan, có đầu sứ (piezo) xốp có hệ số thấm khoảng k = a.10-3 cm/s nước dễ dàng thấm qua Sau tạo hố khoan đất, người ta cho đầu sứ (dài độ 30cm) nối dài lên mặt đất loại ống nhựa PVC (loại hay dùng làm ống nước) Sau hố khoan có ống đứng hở niêm xi măng đổ ống để không cho nước ống thông với bên ống Khi lỗ rỗng đất có áp lực, nước dâng lên ống đứng hở Nếu so với mực nước ngầm (áp suất khí trời) xác định áp lực nước lỗ rỗng Trình tự để đo áp lực dòng thấm (bằng cột nước) 1- Giả thiết dòng thấm hệ thống (Trước có thấm qua đất) 2- Giả thiết đo cột áp lực nước lỗ rỗng điểm đangxét 3- Cột nước ống đứng hở trước có dòng thấm = hp (trước) 4-Khi có thấm: Đo lượng sụt chiều cao cột nước ống đứng hở (Dh) 5- Chiều cao cột nước áp lỗ rỗng trình diễn dòng thấm hp(khi có thấm) = hp (trước thấm) - Dh ∆h1 ∆H ∆h2 Đất L1 q1 = k1 q2 = k2 ∆h1 L1 ∆h2 L2 Đất Hình 2.2:Các đại lượng thấm L2 Ta có H = ∆h1 + ∆h2 ⇒ Vì q1 = q2 nên ta có: k1 ∆h1 ∆h = k2 L1 L2 Mức nước chênh lệch 10 m so với mực nước ngầm tương ứng với độ chênh áp lực 10 T/ m2 , biểu diễn phải viết 100kN/m2 Như vậy, ta thấy có độ chênh nước ống so với mức nước ngầm 1m, ta hiểu có chênh lệch áp lực T/m2, hay 10 kN/m2 Sự thấm quan trọng việc giữ cho đê đập, kè công trình thủy lợi… an toàn trước nguy bị đẩy nổi, dẫn đến trôi đập, sập kè… Dòng thấm p lực nước dòngthấm §2 ÁP LỰC CỦA NƯỚC DO DÒNG THẤM Tính thấm & phương pháp xác định hệ số thấm (trong phòng trường) 1.1 Phương pháp phòng (phương pháp chiều cao cột nước không đổi) Một dòng chảy đặn qua cột đất (được đỡ lưới mịn)mà trì bên cột đất chiều cao cột nước không đổi Bằng ký hiệu gradien thủy lực i=h / l (2-2) Theo định luật Darcy: v = ki (2-3) ta có q = A.v lưu lượng nước chảy qua diện tích A với vận tốc lưu v Ta tính hệ số thấm (hay nói cách khác, hệ số thấm đại lượng tính ra, không đo được) Hình 2-2:Thí nghiệm xác định hệ số thấm a) cột nước không đổi; b)cột nước tụt [1] 1.2 Phương pháp thông dụng trường Phương pháp xác song phức tạp, người đọc tham khảo thêm thuật ngữ “phương pháp giếng bơm (well pump test)” [1] Có thể tóm tắt hình 2-3 bên dướiau: r2 Bơm nước với lưu lượng đo q r1 k= h1 h2 2,3q π (h2 − h12 ) log r2 r1 Hình 2.3 Thí nghiệm bơm trường để xác định hệ số thấm Lý thuyết Dòng thấm 2.1 Khái niệm dòng thấm: Dòng thấm gây áp lực thủy động 2.1.1 Dựa vào lược đồ mối liên hệ pha, lập công thức dung trọng Dòng thấm p lực nước dòngthấm Thể tích V Thể tích riêng S ε V 1+ ε ε Phía trọng lượng Phần nước Wn = G +1 Se S ε W γw = Vγ V γ wG = V γ S V= 1+ ε 1+ ε 1+ ε Phần rắn W hat = Hình 2.2:Lược đồ mối liên hệ pha đất (thể tích phần rắn không đổi lấy 1) 1 Vγ w G = V γ S 1+ e 1+ e G + S e Vγ nuoc 1+ e G + S e γ nV W G + S e 1+ e theo định nghóa dung trọng tự nhiên: γ = = = V V 1+ e W= ⇒ theo định nghóa độ ẩm: ω= Wn What công thức liên hệ hệ số rỗng ε, tỷ trọng hạt G độ bão hòa S: γ = Ta biến đổi biểu thức rút 2.1.2 Dung trọng đẩy 1+ ω G.γ n 1+ e γđn = γ - γnước Một cách đơn giản e= γđn = Sau công thức vào, ta có : Gω S G −1 γ nuoc 1+ e (2-4) Đây công thức thống (chỉ dùng S = 100% tức bão hoà nước hoàn toàn) để tính dung trọng đẩy có dòng thấm hay đất mực nước ngầm (khi dòng thấm) 2.1.3 Hiện tượng cát sôi Cho nước vào Đất ẩm S