Issuu on Google+

ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA BÀI GIẢNG CHO LỚP CAO HỌC (12 TIẾT) GIẢNG VIÊN: PHẠM QUANG HƯNG

Tháng 3 năm 2007


CHƯƠNG TRÌNH HỌC • CHƯƠNG TRÌNH: – Đất không bão hòa – Một số mô hình nền

• THỜI GIAN: – – – –

Đất không bão hòa (60 tiết  8 tiết): 3 buổi Một số mô hình nền (60 tiết  4 tiết): 1 buổi Bài giảng chỉ mang tính chất giới thiệu Để hiểu rõ các vấn đề, các học viên cần tự đọc tài liệu tham khảo – Nếu cần trao đổi thêm, có thể liên hệ với giáo viên ngoài giờ học

• TÀI LIỆU: – Sách cơ học đất cho đất không bão hòa – Một số tài liệu khác  khuyến khích đọc tiếng Anh


CƠ HỌC ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA (12 tiết) • Giới thiệu đất không bão hòa • Một số chỉ tiêu cơ lý của đất không bão hòa • Các biến ứng suất sử dụng trong đất không bão hòa • Đường đặc trưng đất – nước • Cường độ của đất không bão hòa • Hệ số thấm của đất không bão hòa • Biến dạng của đất không bão hòa • Một số ứng dụng


CƠ HỌC ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA CƠ HỌC ĐẤT

CƠ HỌC ĐẤT BÃO HÒA UW ≥ 0 • ĐẤT TRONG TỰ NHIÊN • ĐẤT DƯỚI MỰC NƯỚC NGẦM Có 2 pha: rắn và lỏng

CƠ HỌC ĐẤT BÃO KHÔNG HÒA UW ≤ 0 • ĐẤT TRONG TỰ NHIÊN • ĐẤT TRÊN MỰC NƯỚC NGẦM • ĐẤT Ở VÙNG ĐỒI NÚI • ĐẤT THI CÔNG ĐẦM NÉN Có 3 pha: rắn, lỏng và khí


PHÂN BỐ CỦA ĐẤT KHÔ CẰN • Đất khô cằn và bán khô cằn chiếm 33% diện tích trái đất

Đất khô cằn là vùng đất có lượng nước mưa thấp hơn lượng nước bay hơi.

• Tuy vậy cơ học đất không bão hòa có thể áp dụng ở hầu hết mọi nơi trên thế giới – tùy theo mùa.


ÁP LỰC NƯỚC LỖ RỖNG TRONG LÒNG ĐẤT Cân bằng – mực nước

Bay hơi – cây hút nước Bay hơi mạnh

Mực nước ngầm Ứng suất Tổng

Áp suất khí

Áp lực Nước lỗ rỗng

Xấp xỉ 80% bề mặt trái đất xuất hiện đất không bão hòa tại một độ sâu nào đó.


HIỆN TƯỢNG MAO DẪN

-

+

UW


MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA CƠ HỌC ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA 1. Thiết kế của đê, đập do con người xây dựng • • •

Trong khi xây dựng Khi dâng nước Do thay đổi của khí hậu


MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA CƠ HỌC ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA 2. Ổn định của mái dốc tự nhiên • •

Có thể mất ổn định khi có một đợt mưa kéo dài Mặt trượt nông đi qua vùng đất không bão hòa


MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA CƠ HỌC ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA 3. Thiết kế bãi chứa rác thải • •

Chất thải được lưu trong khu vực có mực nước ngầm rất thấp Các chất độc từ rác có thể thấm và làm ô nhiễm nước ngầm

3. Ổn định của hố đào • •

Hố đào thường bị mất ổn định vài ngày (giờ) sau khi đào Do áp lực nước lỗ rỗng tăng lên do ngấm, mưa…


MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA CƠ HỌC ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA 5. Đất lấp trong tường chắn • •

Đất lấp thường không bão hòa Vấn đề gì xảy ra khi đất trở nên bão hòa  đất trương nở


MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA CƠ HỌC ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA 6. Cường độ chịu lực của móng nông • •

Khi thiết kế, người ta dùng mẫu đất lấy từ hiện trường Chúng ta luôn giả thiết rằng độ bão hòa là không đổi khi thiết kế

6. Chuyển vị của công trình do đất trương nở •

Các công trình nhẹ như nhà cửa, đường xá… đều dễ dàng bị nứt khi đất trương nở


MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA CƠ HỌC ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA 8. Lún sụt dưới tải trọng •

Có nhiều loại đất bị lún sụt lớn khi độ bão hòa tăng lên

Thiệt hại do hiện tượng trương nở/ biến dạng của đất: Theo Jones & Holtz (1973) thì thiệt hại hàng năm do đất trương nở tại Mỹ là 2,3 tỷ đô la (nhà cửa, đường xá, cầu cống…). Ước tính, con số này gấp đôi thiệt hại do lụt lội, bão tố, động đất cộng lại. Năm 1980 ước tính là khoảng 7 tỷ đô la (Krohn & Slosson)


CÁC PHA CỦA ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA Khí (Hạt đất) Mặt phân cách Khí – nước Nước


BẰNG CHỨNG VỀ MẶT PHÂN CÁCH KHÍ – NƯỚC


BỐN PHA CỦA ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA Khí

Rắn


CÁC CHỈ TIÊU CƠ LÝ •

CÁC CHỈ TIÊU CƠ LÝ: – Độ rỗng, n = Vr/Vtong – – – –

Hệ số rỗng, e Độ bão hòa, S Độ ẩm, w (trọng lượng) hoăc θ (thể tích) Dung trọng của đất, ρ

S.e = w.Gs


CÁC BIẾN TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT 1. Đối với đất bão hòa:

σ’ = σ - uw σ’ = ứng suất hữu hiệu; σ = ứng suất tổng; uw = áp lực nước lỗ rỗng Ứng suất hữu hiệu sẽ là biến duy nhất thể hiện trạng thái ứng suất của đất

1. Đối với đất không bão hòa • •

Có rất nhiều tác giả đã cố gắng dùng một biến ứng suất duy nhất để thể hiện trạng thái ứng suất của đất không bão hòa: Bishop (1959); Jennings (1961); Aitchison (1961, 1967)…

Thực thành đã chứng minh rằng không thể dùng một biến duy nhất. Fredlund & Morgenstern (1977) đề xuất 2 biến:

(σ – ua) và (ua

– u w)


CÁC BIẾN TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT 1. Đề xuất của Fredlund và Morgenstern (1977) đã được chứng minh là đúng đắn qua thí nghiêm và hiện tượng thực tế. • (σ – ua) = ứng suất pháp thực • (ua – uw) = độ hút dính 1. Điều này có nghĩa là bài toán sẽ phức tạp hơn đất bão hòa rất nhiều – hàm 2 biến: Hệ số rỗng, e = f1((σ – ua), (ua – uw)) Độ bão hòa, S = f2((σ – ua), (ua

………………………….. …………………………..

– uw))


CÁC BIẾN TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT •

• •

• •

Trong trường hợp khi đất tiến tới trạng thái bão hòa (S=100%) thì áp lực nước lỗ rỗng uw  ua và do đó lực hút dính = 0. Ứng suất pháp thực (σ – ua) = (σ – uw) = ứng suất hữu hiệu Đất bão hòa chỉ là một trường hợp đặc biệt của đất không bão hòa. Lực hút dính thực chất là độ chênh lệch giữa áp lực nước lỗ rỗng và áp suất không khí. Áp suất không khí là 101 kPa. Nhưng thường được lựa chọn là giá trị tham khảo và thường được tính là 0 kPa – vì hệ số thấm của không khí rất cao nên áp lực khí ở hầu hết các vị trí trong công trình xây dựng là như nhau. Để đo (tính) được lực hút dính, ta cần phải đo (tính) áp lực nước lỗ rỗng. Lực hút dính có giá trị từ: 0kPa (bão hòa) đến 106 kPa (đất hoàn toàn khô).


CÁC YẾU TỐ LIÊN QUAN ĐẾN LỰC HÚT DÍNH


CÁC YẾU TỐ LIÊN QUAN ĐẾN LỰC HÚT DÍNH Liên hệ giữa bán kính mặt cong và độ hút dính

Liên hệ giữa độ ẩm tương đối và độ hút dính


ĐO ĐỘ HÚT DÍNH • • •

Lực hút dính có thể được đo trực tiếp bằng đồng hồ đo áp lực Đo gián tiếp thông qua thiết bị đo độ ẩm Qua nước trong đất (phương pháp giấy thấm)


ĐƯỜNG CONG ĐẶC TRƯNG ĐẤT – NƯỚC

35

Vùng thoát Nước

30

(%)

Định nghĩa: là đường cong thể hiện quan hệ giữa độ ẩm (hoặc độ bão hòa) của đất và lực hút dính của đất. Độ bão hòa thay đổi rất nhiều với lực hút dính nhưng thay đổi rất ít đối với ứng suất pháp thực

25

Độ ẩm, w

20 15

Giới hạn Thoát nước

Điểm uốn

Danh giới Chuyển đổi

Vùng nước dư

10

Nước dư

5 0 0.1

1.0

10.

100.

1000.

Lực hút dính (kPa)

10,000

100,000 1000,000


ĐƯỜNG CONG ĐẶC TRƯNG ĐẤT – NƯỚC •

Đường cong đặc trưng đất – nước rất quan trọng đối với đất không bão hòa: – Cho biết lượng nước có ở trong đất tại bất kỳ một giá trị lực hút dính nào – Cho phép ước lượng được hệ số thấm của đất không bão hòa – Cho phép tính toán, ước lượng được cường độ của đất không bão hòa.

Đường cong đặc trưng đất nước có thể được tính toán hoặc đo như sau: – Qua các chỉ tiêu cơ lý của đất – Qua đường cong thành phần hạt của đất – Qua thí nghiệm trong phòng • Áp dụng một vài giá trị của lực hút dính lên trên đất và đo xem độ ẩm của đất là bao nhiêu. • Phương pháp ly tâm • Phương pháp đo ngoài hiện trường (cả lực hút dính + độ ẩm)


KẾT THÚC NGÀY 1

CẢM ƠN CÁC BẠN!


NGÀY THỨ 2 1. BÀI TOÁN THẤM CỦA NƯỚC TRONG ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA 1. Khái niệm cơ bản 2. Hệ số thấm 3. Hiện tượng khuếch tán

2. CƯỜNG ĐỘ CỦA ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA 1. 2. 3.

Dụng cụ thí nghiệm Quan hệ cường độ - lực hút dính Giải quyết các bài toán thực tế

3. BIẾN DẠNG CỦA ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA 1. Giới thiệu chung về biến dạng 2. Phương trình (mô hình Fredlund) 3. Hình ảnh trực giác của quan hệ ứng suất – biến dạng – nước trong đất


BÀI TOÁN THẤM TRONG ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA 1. HIỆN TƯỢNG THẤM CỦA NƯỚC TRONG ĐẤT: 1. Lực đẩy nước trong đất không bão hòa 2. Định luật Darcy cho đất không bão hòa 3. Hệ số thấm của đất không bão hòa • • • • •

Quan hệ giữa hệ số thấm và các chỉ tiêu cơ lý cơ bản của đất Quan hệ giữa hệ số thấm và độ bão hòa Quan hệ giữa hệ số thấm và lực hút dính trong đất Hiện tượng trễ của hàm thấm Một số mô hình dự báo hàm hệ số thấm của đất không bão hòa

1. HIỆN TƯỢNG THẤM CỦA KHÍ TRONG ĐẤT: 1. 2. 3.

Lực tạo ra dòng thấm của khí trong đất Định luật Fick cho đất không bão hòa Hệ số thấm của khí trong đất không bão hòa

2. HIỆN TƯỢNG KHUẾCH TÁN TRONG ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA 1. Khuếch tán của khí 2. Khuếch tán của hóa chất.


BÀI TOÁN THẤM CỦA ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA


GIỚI THIỆU BÀI TOÁN THẤM CỦA ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA

Thấm của hai pha (khi pha khí là liên tục)

Nước

Khí Xuất hiện của túi khí (túi khí có thể giãn nở)

Khuếch tán của khí qua nước


LỰC TẠO RA DÒNG THẤM CỦA NƯỚC


LỰC TẠO RA DÒNG THẤM CỦA NƯỚC

Nước thấm từ đâu sang đâu? A B hay B A?


ĐỊNH LUẬT DARCY Vw = Vận tốc thấm Kw = Hệ số thấm (không là hằng số)


HỆ SỐ THẤM CỦA ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA


QUAN HỆ: HỆ SỐ THẤM – ĐỘ BÃO HÒA


QUAN HỆ: HỆ SỐ THẤM – LỰC HÚT DÍNH


MỘT SỐ MÔ HÌNH DỰ BÁO HÀM HỆ SỐ THẤM


HIÊN TƯỢNG TRỄ CỦA HÀM HỆ SỐ THẤM


THẤM CỦA KHÔNG KHÍ TRONG ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA


KHUẾCH TÁN TRONG ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA


ĐO HỆ SỐ THẤM CỦA ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA •

Rất nhiều phương pháp: trưc tiếp và gián tiếp


CƯỜNG ĐỘ CỦA ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA

1. Dụng cụ thí nghiệm 2. Quan hệ cường độ - lực hút dính 3. Giải quyết các bài toán thực tế


CƯỜNG ĐỘ CỦA ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA


THÍ NGHIỆM CẮT ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA


THÍ NGHIỆM 3 TRUC CỦA ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA


QUAN HỆ: CƯỜNG ĐỘ - LỰC HÚT DÍNH


CƯỜNG ĐỘ CỦA ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA


CƯỜNG ĐỘ CỦA ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA


MỘT SỐ SỐ LIỆU THỰC


MẶT PHÁ HOẠI CỦA ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA


VÍ DỤ VỀ PHÁ HOẠI DO CƯỜNG ĐỘ ĐẤT BỊ GIẢM


ỨNG DỤNG ĐỀ GIẢI QUYẾT BÀI TOÁN THỰC TẾ


BIẾN DẠNG CỦA ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA

1. Giới thiệu chung về biến dạng 2. Phương trình (mô hình Fredlund) 3. Hình ảnh trực giác của quan hệ ứng suất – biến dạng – nước trong đất 4. Kết quả của mô hình Pham & Fredlund (2005) 5. Chặng đường dài của đất không bão hòa


BIẾN DẠNG CỦA ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA


BIẾN DẠNG CỦA MỘT PHÂN TỐ


CÁC PHƯƠNG TRÌNH BIẾN DẠNG CƠ BẢN

Mô hình Fredlund


HÌNH DẠNG CƠ BẢN CỦA QUAN HỆ ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG VÀ NƯỚC TRONG ĐẤT


VAI TRÒ CỦA CÁC THAM SỐ


SỐ LIỆU THỰC TẾ


MÔ HÌNH PHAM & FREDLUND (2005) Yield

Yield 0.5

Air Entry value 1.2

0.4

Void ratio (e)

Gravimetric water content (w)

Yield

Yield

0.3 Residual

0.2

1.0 0.8 0.6

0.1 0.4

0.0 10-3 10-2

10

0

0

10

102 Soil suction (kPa)

10

4

10

6

6

10

104

-2

10

-3

10

10 102 Net mean stress (kPa)

-2

10

0

a) Gravimetric water content

Degree of saturation (S)

Volumetric water content (θ)

0.6

0.4

0.2

0.0 -2 10

-2

0

10

2

10 Soil suction (kPa)

2

104

10

6

104

c) Volumetric water content

10

0

10

10 Net mean stress (kPa)

2

2

10

Soil suction (kPa)

1.0

-2

10

0

10

104

104

6

10

10 Net mean stress (kPa)

b) Void ratio surface Air Entry Value

Air Entry Value

0.8 Residual 0.6 Residual

0.4 0.2

0.0 -2 10 0 10 2 10 4 10 6 Soil suction 10 (kPa)

4

10

10

10

2

0

Net mean stress (kPa)

d) Degree of saturation

10

-2


CHẶNG ĐƯỜNG DÀI CỦA CƠ HỌC ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA • •

• • •

Hiện nay có rất nhiều công trình nghiên cứu về đất không bão hòa Số lượng bài báo về cơ học đất không bão hòa chiếm một số lượng lớn trên các tạp chí hàng đầu thế giới như Geotechnique, Canadian Geotechnical Journal, Geotechnical and GeoEnvironmental Engineering. Ứng dụng của cơ học đất không bão hòa cũng ngày càng phổ biến Cơ học đất không bão hòa đã giúp tiết kiệm được rất nhiều tiền Tuy nhiên, còn rất nhiều vấn đề cần phải tiếp tục nghiên cứu


KẾT THÚC NGÀY 2

CẢM ƠN CÁC BẠN ĐÃ THEO DÕI


Bài giảng 12 tiết - đất không bão hòa và mô hình nền (16, 03, 2007)