Bài giảng Khái niệm về cơ học đất không bão hòa và mô hình hàm thấm Genuchten - GS. Nguyễn Công Mẫn

Chia sẻ: Nguyễn Ngọc Hiếu | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:26

Thêm vào BST

Báo xấu

148
lượt xem 25
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Khái niệm về cơ học đất không bão hòa và mô hình hàm thấm Genuchten trình bày khái niệm về cơ học đất không bão hòa, cấu trúc thành phần của đất không bão hòa, MH dòng thấm trong đất không bão hòa,... Tham khảo nội dung bài giảng để nắm bắt nội dung chi tiết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Khái niệm về cơ học đất không bão hòa và mô hình hàm thấm Genuchten - GS. Nguyễn Công Mẫn

Kh¸i niÖm vÒ C¬ häc ®Êt kh«ng b·o hßa vµ m« hình hµm thÊm Genuchten GS. NguyÔn C«ng MÉn 1 PLAXIS FINITE ELEMENT CODES
Kh¸i niÖm vÒ C¬ häc ®Êt kh«ng b·o hoµ S¬ ®å h¹t ®Êt B¸n kÝnh mÆt khum §í ik TH ®Ëp ®Êt h«n 0,0002 cm gb ·o hoµ 0,002 cm (1) Kh«: u = 0 0,02 cm (2) Kh«ng BH: uw vµ ua -h -u (3) Bo hoµ MD: u < 0 (4) Bo hoµ: u > 0 +h +u u = γw.h w Theo thÝ nghiÖm §é cao d©ng mao dÉn øng víi c¸c LT. ChiÒu cao ®íi BH MD • C¸t h¹t th«: h rÊt nhá ®−êng kÝnh mÆt khum kh¸c nhau • §Êt bôi: h cã thÓ ®¹t 2m (Janssen & Dempsey, 1980) 2 • §Êt sÐt: h cã thÓ ®¹t trªn 20m
Kh¸i niÖm vÒ C¬ häc ®Êt kh«ng b·ohoµ øng suÊt ph¸p thùc §é hót dÝnh σ - uw ua - uw Fredlund ∇ LT ¦.S cã hiÖu qu¶ Terzaghi σ - uw øng suÊt cã hiÖu qu¶ ¸p lùc n−íc lç rçng d−¬ng 3
CÊu tróc thµnh phÇn cña ®Êt kh«ng b·o hoµ §Êt bo hoµ(BH) §Êt kh«ng bo hoµ (KBH) Vr – thÓ tÝch rçng cña ph©n tè ®Êt V – tæng thÓ tÝch cña ph©n tè ®Êt • §Êt b·o hoµ chØ • §Êt kh«ng b·o hoµ chøa chøa h¹t r¾n vµ n−íc: h¹t r¾n, khÝ vµ n−íc: Vn = Vr Vk khÝ Vr m«i tr−êng 2 pha; m«i tr−êng 3 pha; V Vn n−íc • Lç rçng chøa ®Çy • Lç rçng chøa c¶ khÝ vµ Vh Vh r¾n n−íc; n−íc; • §é b·o hoµ: • §é b·o hoµ: §Êt BH §Êt kh«ng BH Vn/Vr= 1; Vn/Vr< 1; • §é chøa n−íc thÓ • §é chøa n−íc thÓ tÝch: Vk ≠ 0 tÝch: θw= Vn/V khÝ Vm ≈ 0 mÆt c¨ng S¬ ®å θw= Vn/V = Vr/V = n θw < n n−íc • §é rçng (n): • §é rçng (n): Vn ≠ 0 lý thuyÕt n = Vr/V; n = Vr/V; §KBH Vh ≠ 0 r¾n 4
MH dßng thÊm trong ®Êt kh«ng b·o hoµ Theo S. Lee Barbour, §H Saskatchewan KhÝ T¸c ®éng pha khÝ: KhÝ • ¶nh h−ëng tíi vËn tèc thÊm; • MÆt ph©n c¸ch “ N−íc - KhÝ “ T¹o søc c¨ng mÆt ngoµi trong hÖ. • Pha thø 4. S=1 1 > S > Sresidu S = Sresidu S - §é b·o hoµ ; Sresidu - §é b·o hoµ d− ®é b·o hßa hiÖu qua S − S residu Se = 〈1 theo V.Genuchten S sat − S residu 5
anh h−ëng cña pha khÝ - Khi ë tr¹ng th¸i kh«ng b·o hoµ, ®Êt lµ mét hÖ 4 pha: h¹t ®Êt, n−íc, khÝ vµ mÆt ngoµi c¨ng, ®ång thêi tån t¹i trong lç rçng cña ®Êt; - Sù tån t¹i cña bät khÝ lµm gi¶m tÝnh thÊm cña ®Êt ⇒ bät khÝ cµng nhiÒu, l−îng chøa n−íc cµng Ýt, th× tÝnh thÊm cµng nhá vµ ng−îc l¹i. Lu«n tån t¹i mét l−îng n−íc trong lç rçng do khÝ kÝn nhèt l¹i ⇒ ®é b·o hßa d− (Residual saturation) [V.Genuchten] - MÆt ngoµi c¨ng t¹i mÆt ph©n c¸ch khÝ - n−íc t¹o nªn lùc hót gi÷a c¸c h¹t ®Êt, gäi lµ lùc hót dÝnh ( matric suction ) hay ¸p lùc lç rçng ©m. 6
tån t¹i cña mÆt ngoµi cang vµ s¬ ®å c¸c lùc mao dÉn t¸c dông lªn èng mao dÉn S¬ ®å c¸c lùc t¸c dông lªn èng mao dÉn NhÖn n−íc øng suÊt nÐn lªn thµnh èng øng suÊt nÐn lªn thµnh èng èng thuû tinh mao dÉn MÆt n−íc kh«ng khÝ Ts Ts n−íc (ua − uw ) = 2Ts Rs C«n trïng b¬i ngöa C¸c c«n trïng sèng ë trªn vµ d−íi mÆt ngoµi c¨ng Ts - lùc c¨ng bÒ mÆt cña n−íc L.J. Milne & M. Milne ( 1978 ) Rs - b¸n kÝnh cong cña mÆt khum Nhê cã lùc c¨ng bÒ mÆt, nhÖn n−íc kh«ng tôt vµo n−íc, bä b¬i ngöa kh«ng bËt khái mÆt n−íc 7
lùc hót dÝnh vµ lùc cang mao dÉn Tst =Ts.cos α ; Rs = r/cos α • §iÒu kiÖn c©n b»ng: èng thuû tinh mao dÉn Tst - träng l−îng cét n−íc hc hay 2π π.r.Ts.cos α = π.r2 ρw.g.hc Tst ρw.g. hc = 2Ts/Rs α ¸p suÊt khÝ quyÓn Ph©n bè ¸p suÊt n−íc α hc = 2Ts/ρρw.g. Rs ⇒ hc ∼ 1/r Ts Rs Ts ua= 0 MÆt khum α • §iÒu kiÖn biªn C (-)- ua(C) = 0 ρw uw(B) = uw(A) = 0 hc uw(C) = - ρw.g. hc 2r ua(c) - uw(c) = ρw.g. hc = 2Ts/Rs A B MÆt uw(A) = uw(B) = 0 σmatric = ua - uw lùc hót dÝnh n−íc (+) 8
®é bÒn chèng c¾t do lùc hót dÝnh t¹o nªn NguyÔn C«ng MÉn, 1999 σ matric = (ua − u w ) Lùc hót mao dÉn σmatric Thµnh phÇn lùc hót h¹t ®Êt dÝnh nµy rÊt quan träng trong c¬ häc τ matric Ts ®Êt kh«ng b·o hoµ, nã gãp phÇn më Ts réng – ph¸t triÓn h¹t ®Êt nguyªn lý øng suÊt cã hiÖu qu¶ cña Terzaghi trong CH§ 2 Ts cæ ®iÓn cho ®Êt b·o σ matric = (u a − u w ) = Rs ¸p suÊt tiÕp xóc hoµ. Nã ¶nh h−ëng lín ®Õn tÝnh thÊm vµ b chèng c¾t cña ®Êt. τ matric = σmatric. tan φ 9
C¸c biÕn tr¹ng øng suÊt trong ®Êt KBH Tens¬ øng suÊt (σx - ua) τyx τzx ua - uw σy - ua τxy (σy- ua) τzy τyz τyx τxz τyz (σz- ua) τxz ua - uw ua - uw σx - ua τzx Tens¬ cÇu øng suÊt τxy τzy ¸p suÊt tø phÝa Y σz - ua X (ua- uw) 0 0 Z 0 (ua- uw) 0 0 0 (ua- uw) 10
Mét sè ®Þnh nghÜa c¬ ban Design Standard - Embankment Dams Chapt. 8 - Seepage Analysis & Control-1987 • Saturated Flow ( SF ): Dßng chay trong MT rçng t¹i vïng cã AL lç rçng d−¬ng phÝa d−íi ®−êng mÆt tho¸ng - däc theo ®ã, AL lç rçng = AL khÝ quyÓn. SF chñ yªó g©y ra bëi gradien TL träng lùc; • Unsaturated Flow ( UF ): Dßng chay trong MT rçng t¹i vïng cã AL lç rçng ©m phÝa trªn ®−êng mÆt tho¸ng. UF chñ yÕu g©y ra bëi gradien TL do ®é chªnh søc cang bÒ mÆt; • AL lç rçng ( ALLR ): AL n−íc trong c¸c lç rçng liªn th«ng thuéc vËt liÖu th©n hay nÒn CT vµ bao gåm : AL n−íc LR d−¬ng t¹o ra do träng lùc vµ AL LR ©m ( Matric Suction ) t¹o ra bëi søc cang bÒ mÆt. 11
®é bÒn chèng c¾t theo ®é hót dÝnh Ph¸t triÓn nguyªn lý ¦SHQ Terzaghi w) u uw ua a- τ (u φb • X¸c ®Þnh b»ng thiÕt bÞ TN c¾t trùc tiÕp (ua- uw) tanφb hoÆc nÐn ba trôc th«ng th−êng, cã c’ c¶i tiÕn ®Ó ®o ®−îc riªng rÏ - ®éc lËp • PP thÝ nghiÖm vÉn thùc hiÖn nh− φ’ (σ - ua) tanφ’ th−êng lÖ: UU, CD, CU. c’ c’ σ - ua) (σ 12 b τ = c’ + (σ - ua) tanφ’ + (ua- uw) tanφ
®−êng cong ®Æc tr−ng N−íc - ®Êt Quan hÖ ®é Èm thÓ tÝch lùc hót dÝnh (ua - uw) Gi¸ trÞ khÝ vµo tíi h¹n: ®é hót dÝnh øng víi lóc khÝ cã thÓ thÊm vµo c¸c lç rçng lín nhÊt §é Èm d− hay ®é bo hoµ d−: ®é b·o hoµ thÊp nhÊt khi n−íc trong c¸c lç rçng kh«ng liªn th«ng θ Gi¸ tri khÝ vµo tíi h¹n - θth mv Kh«ng θbh= n b·o hoµ 1 > S > Sr B·o hoµ mw ∂θ = mw ∂uw ∂θ Vn S=1 ∂uw V θr ( ≈ Sr ) - ®é Èm d− Vn 13 θ= 0 Lùc hót dÝnh S = Sr V
®−êng cong ®Æc tr−ng n−íc - ®Êt – SWCC • D¹ng cña SWCC phô thuéc ph©n bè cì lç rçng trong ®Êt §Êt h¹t th«, ®ång ®Òu §Êt h¹t mÞn, cÊp phèi tèt qw qw Suction (kPa) Suction (kPa) • Cì vµ ph©n bè cì h¹t • Nh©n tè ¶nh h−ëng ®Õn SWCC • CÊu tróc cña ®Êt • BiÕn thiªn thÓ tÝch (hÖ sè rçng) • Hysteresis 14
®−êng cong N−íc - ®Êt kh¸i qu¸t ho¸ θth - hµm cña 100 cì lç rçng max A Gi¸ trÞ khÝ vµo tíi h¹n θth 80 trong ®Êt, biÕn §é Èm thÓ tÝch θ ( % ) ®æi do sù ph©n 60 bè cì lç rçng; 40 θd−- øng víi §é Èm d− θd- 20 lóc n−íc chøa B trong c¸c lç 0 0.1 1 100 10.000 1.000.000 rçng kh«ng §é hót cña ®Êt ( suction ) ( kPa ) liªn th«ng. 15
®−êng cong ®Æc tr−ng ®Êt - N−íc vµ Hµm thÊm • ®−êng cong ®Æc tr−ng ®Êt - N−íc (SWCC) - M« ta l−îng chøa n−íc trong ®Êt theo lùc hót dÝnh - D¹ng ®−êng cong cã quan hÖ víi ®é lín vµ ph©n bè kÝch cì lç rçng, .... • Hµm thÊm - M« ta biÕn thiªn hÖ sè thÊm theo lùc hót dÝnh; - Phan ¸nh ban chÊt vµ cã d¹ng cña SWCC; • X¸c ®Þnh hµm thÊm - Dù tÝnh tõ ®−êng cong SWCC vµ biÓu thøc GT; - ®o b»ng buång ¸p lùc ( TEMPE - Soil moisture Equip. Corp.in Santa Barbara, Calif.USA ). 16
Hµm thÊm Cã thÓ dù tÝnh hµm thÊm tõ ®−êng θ = f (uw) cong n−íc - ®Êt K = g ( θ) K = h (uw) k Gi¸ tri khÝ vµo tíi h¹n - θth §Êt kh«ng bo hoµ §Êt bo hoµ k = f [ S, θ, (ua – uw)] ( thang ®é log10 ) k = constant HÖ sè thÊm S
®−êng cong ®Æc tr−ng n−íc - ®Êt – SWCC • D¹ng cña SWCC phô thuéc ph©n bè cì lç rçng trong ®Êt §Êt h¹t th«, ®ång ®Òu §Êt h¹t mÞn, cÊp phèi tèt qw qw Suction (kPa) Suction (kPa) • Cì vµ ph©n bè cì h¹t • Nh©n tè ¶nh h−ëng ®Õn SWCC • CÊu tróc cña ®Êt • BiÕn thiªn thÓ tÝch (hÖ sè rçng) • Hysteresis 18
ðÆc tr−ng thÊm trong vïng kh«ng bo hoµ 1,0 PLAXFLOW SEEP/W ®é b·o hßa (-) 0,5 QH ®é bo hßa - cét ¸p- QH θ - ®é hót dÝnh -1,0 0,5 0 Cét ¸p (m) 1,0 QH HS thÊm t® - cét ¸p ®é thấm tương ñối (-) 0,5 QH K - ®é hót dÝnh -1,0 0,5 0 19 Cét ¸p (m)
M« hình vËt liÖu theo PlaxFlow LËp quan hÖ tuyÕn tÝnh hãa MH hµm thÊm Genuchten 1 nếu φp ≥ 0 1 4φ nếu φp ≥ 0 φp p S(φp) = 1+ nếu φps < φp< 0 vµ krel(φp) = 10 φ pk nếu φpk < φp< 0 φ ps 0 nếu φp ≤ φps 10-4 nếu φp ≤φpk φps - cét ¸p tïy thuéc vËt liÖu, x¸c ®Þnh ph¹m vi vïng kh«ng b·o hßa trong ®k thñy tÜnh. D−íi gi¸ trÞ ng−ìng nµy, GT S(φp) = 0. Theo gia ®Þnh trªn, lËp QH tuyÕn tÝnh-log gi−a HS thÊm t−¬ng ®èi trong vïng chuyÓn tiÕp, t¹i ®ã cét ¸p φpk øng víi krel(φpk) = 10-4 20