Bài giảng Địa kỹ thuật - Chương 2: Tính chất cơ học của đất

1/23/2018
1
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 là VL rời, phân biệt với các VL rắn khác có tính
liên tục như BT, thép
❖ Hợp thành bởi 3 pha
❖ Có tính rời, 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
thay đổi → tính chất cơ học của đất thay đổi theo
2
TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT
3
Đất khác với các VL khác:
✓ Tính thấm nước
✓ Tính ép co & biến dạng
✓ Tính chống cắt
✓ Tính đầm chặt
1/23/2018
2
T1. Tính thấm nước của đất
T2. Tính ép co và biến dạng của đất
T3. Cường độ chống cắt của đất
T4. Tính đầm chặt 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 của chênh 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
6
1/23/2018
3
Hiện tượng dưới td của chênh lệch cột nước, nước có
khả năng c.động xuyên qua lỗ rỗng liên thông nhau
trong đất gọi là hiện tượng thấm của đất. Tính chất bị nc
thấm qua gọi là tính thấm của đất
I. Khái niệm về dòng thấm trong đất
7
1. Vấn đề mất nước
❖ Giảm hiệu quả tích nước của hồ chứa.
❖ Ảh đến thi công do nước chảy vào hố móng.
2. Tác động của dòng thấm do lực thấm J = w.i
❖ Gây xói ngầm cơ học dưới đáy CT
❖ Chảy đất, mạch đùn, mạch sủi tại chỗ dòng thấm
thoát ra khi gradien thấm đạt giá trị giới hạn igh
❖ Làm môđ mái dốc do thấm ngược
1.1 Ý nghĩa của việc nghiên cứu về dòng thấm
8
1.2 Phân loại dòng thấm
1. Dòng thấm ổn định hoặc ko ổn định tùy theo điều
kiện gây thấm
❖ Cột nc thấm thay đổi theo thời gian
❖ Dòng thấm trong môi trường có độ lỗ rỗng thay đổi
theo thời gian
2. Dòng thấm có thể phân ra: 1 chiều; 2 chiều; 3 chiều.
3. Tùy vận tốc dòng chảy: chảy tầng, chảy rối, và trạng
thái quá độ giữa 2 loại
9
1/23/2018
4
Phân loại dòng thấm theo vận tốc thấm
1.2 Phân loại dòng 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
I. Khái niệm về dòng thấm trong đất
Tổng năng lượng của dòng thấm tại 1 điểm gồm
Z
g
vu
hA 
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
12
1/23/2018
5
Example 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 dòng chảy 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

Au

Bu
ZA
ZB
h L
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 lực tỷ lệ
với nhau
𝒗 = 𝒌. 𝒊 (2.1)
2.1 Nội dung định luật
15
1/23/2018
6
II. ĐỊNH LUẬT DARCY
Theo ĐL 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
2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số thấm
1. Kích thước & cấp phối
hạt (mức độ đều hạt)
Theo công thức 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
này đặc biệt rõ với đất dính.
4. Bọc khí kín trong đất
“AH của hạt bụi
& hạt sét đến hệ
số thấm K”
1/23/2018
7
2.3 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..) vthấm rất
lớn. Nếu vthấm > Vgh thì v & i có quan hệ phi tuyến,
biểu thị quy luật chảy rối
- Với đất cát và đất sét kém chặt, quy luật thấm rất
phù hợp với ĐL Darcy
19
II. ĐỊNH LUẬT DARCY
2.3 Phạm vi ứng dụng của ĐL Darcy
Với đất sét chặt, do sự cản trở của 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 và phương pháp xác định
☺) TN trong phòng: dùng thiết 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
21
1/23/2018
8
3.1 thí nghiệm 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) trong thời 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 thí nghiệm cột nước không đổi
24
1/23/2018
9
VD1
- Diện tích MC ngang của mẫu
3.1 thí nghiệm cột nước không đổi
𝑨 =
𝝅.𝑫𝟐
𝟒
= 
𝝅
𝟒
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
qua mẫu đất là dQ ứng
với cột nước trong ống
(tiết diện a) hạ xuống dh
3.2 Thí nghiệm với cột nước giảm dần
26
3.2 Thí nghiệm với cột nước giảm dần
𝒊 =
𝒉
𝑳
Theo ĐL Darcy,
𝒅𝑸 = 𝒌𝒊𝑨𝒅𝒕 = 𝒌
𝒉
𝑳
𝑨𝒅𝒕
𝒅𝒕 = −
𝒂𝑳𝒅𝒉
𝒌𝑨𝒉
Lưu lượng chảy vào mẫu
dQ = - adh (1)
Dấu (-) biểu thị Q thấm qua mẫu tăng
khi h hạ thấp.
Ở thời điểm t, cột nc khi đó là h,
Gradien thủy lực khi đó:
27
1/23/2018
10
Lấy tích phân 2 vế PT trên
3.2 thí nghiệm với cột nước giảm dần
1 2
2 1
h t
h t
dh A
a k dt
h L
  
𝒌 =
𝒂𝑳
𝑨∆𝒕
𝒍𝒏
𝒉𝟏
𝒉𝟐
(Với 𝛥t = t2 – t1)
2
1
10log3,2
h
h
tA
aL
k


Tính theo Log 10:
28
TN với cột nước ko đổi phù
hợp với đất có tính thấm lớn (k 
> 10-3 cm/s) VD cát; còn TN cột
nc thay đổi dùng cho đất có
tính thấm bé ( k < 10-3 cm/s) 
3.2 thí nghiệm 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 cm
2; 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 thí nghiệm cột nước giảm dần
30