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

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

1. Kháiniệmvề Cơ họcđấtkhôngbo hòav mô hỡnhhmthấmGenuchten GS.NguyễnCôngMẫn PLAXISFINITEELEMENTCODES 1
2. Kháiniệm về Cơhọcđấtkhông boho Sơđồhạtđất Bánkínhmặtkhum Đớ THđập đất ik hô ng 0,0002cm b oh o 0,002cm (1) Khô:u=0 0,02cm (2) Không BH: uw vua h u (3) BohoMD:u 0 +h +u u= γγγw.h w Theothínghiệm Độcao dângmaodẫnứngvới các LT .Chiềucao đới BHMD • Cáthạtthô:hrấtnhỏ đ−ờngkínhmặtkhumkhácnhau • Đấtbụi:hcóthể đạt2m (Janssen&Dempsey,1980)2 • Đấtsét:hcóthể đạttrên20m
3. Kháiniệm về Cơhọcđấtkhông boho ứng suất pháp thực Độ hút dính σ uw ua uw Fredlund ∇ LTƯ.Scóhiệuquả Terzaghi σ uw ứng suất có hiệu quả áplực n−ớclỗrỗng d−ơng 3
4. Cấu trúc thnh phần của đất không boho Đất boho(BH) Đất không boho(KBH) Vr – thể tích rỗng củaphântố đất V– tổng thể tích củaphântố đất • Đất bohochỉ • Đất không bohochứa V khí chứa hạtrắnvn−ớc: hạtrắn,khí vn−ớc: k Vn =Vr Vr V n−ớc môitr−ờng 2pha; môitr−ờng 3pha; V n • Lỗ rỗng chứa đầy • Lỗ rỗng chứa cảkhí v V V rắn n−ớc; n−ớc; h h • Độboho: • Độboho: Đất BH Đất không BH Vn/Vr=1; Vn/Vr<1; • Độchứa n−ớc thể • Độchứa n−ớc thể tích: Vk ≠ 0 khí tích: θw=Vn/V Vm ≈ 0 mặt căng Sơđồ θw=Vn/V = Vr/V =n θw < n • Độrỗng (n): • Độrỗng (n): Vn ≠ 0 n−ớc lýthuyết n=Vr/V; n=Vr/V; ĐKBH Vh ≠ 0 rắn 4
5. MHdòng thấm trong đất không boho TheoS.LeeBarbour,ĐHSaskatchewan Tácđộng pha khí: Khí Khí • ảnh h−ởng tới vận tốc thấm; • Mặt phâncách “ N−ớc Khí “ Tạo sức căngmặt ngoi tronghệ. • Pha thứ 4. 1=1=SS =1=1 1= 1=1>S>1>S> SSresidu S=S= SSresidu S - S Độboho ; residu Độbohod− S−S độ bohòahiệuqua S = residu 〈1 e 5 theoV.Genuchten Ssat −Sresidu
6. anh h−ởng củapha khí Khi ởtrạngtháikhông boho,đất lmộthệ 4 pha:hạtđất,n−ớc,khí v mặt ngoài căng, đồng thờitồn tạitronglỗrỗng của đất; Sựtồn tạicủabọtkhí lmgiảmtínhthấm của đất ⇒ bọtkhí cngnhiều,l−ợngchứa n−ớc cngít,thì tínhthấm cngnhỏ vng−ợc lại.Luôntồntạimột l−ợngn−ớctronglỗrỗngdokhíkínnhốtlại ⇒ độ bohòad− (Residualsaturation)[V.Genuchten ] Mặtngoicăng tạimặt phâncáchkhí n−ớc tạo nên lực hút giữa các hạt đất, gọi l lực hút dính (matric suction)hayáplựclỗrỗng âm. 6
7. tồn tạicủamặt ngoicangv sơ đồ các lực mao dẫn tácdụng lênống mao dẫn Sơđồcáclực tácdụng lênống mao dẫn Nhện n−ớc ống thuỷ tinh maodẫn Mặt n−ớc không khí Ts Ts n−ớc 2T u − u = s ()a w ng suất nénlênthnh ống ng suất nénlênthnh ống ứ ứ Rs Côntrùng bơingửa Cáccôntrùng sống ởtrênvd−ới mặt ngoicăng Ts lực căng bề mặt của n−ớc L.J.Milne &M.Milne (1978) Rs bánkính congcủamặt khum Nhờcólực căngbềmặt,nhện n−ớckhôngtụt von−ớc,bọ bơingửakhôngbậtkhỏimặt n−ớc 7
8. lực hút dính v lực cangmaodẫn Tst =Ts.cos α ;Rs =r/cos α • Điềukiện cânbằng: ốngthuỷ tinh mao dẫn Tst trọng l−ợng cột n−ớc hc hay 2 2πππ.r.T s.cos ααα = π.r ρw. g.hc Tst ápsuất khí quyển n−ớc ápsuất Phânbố ρw.g.hc =2T s/Rs ααα ααα R T ua=0 h =2T /ρρρ .g.R ⇒⇒⇒ h ∼∼∼ 1/r Ts s s c s w s c Mặt khum ααα • Điềukiện biên C () ρρρw ua(C)= 0 u (B)=u (A)=0 hc w w 2r uw(C)= ρw.g.hc u (c) u (c)= ρ .g.h =2T /R a w w c s s A B Mặt n−ớc uw(A)=uw(B)=0 (+) σσσmatric =ua uw lực hút dính 8
9. độ bền chống cắtdolực hút dính tạonên Nguyễn Công Mẫn,1999 σ matric = (ua − uw ) Lực hút mao dẫn σmatric Thnh phần lực hút hạtđất dính nyrất quan trọng trong cơhọc τmatric Ts đất không boho, nó góp phần mở Ts rộng – pháttriển hạtđất nguyênlý ứng suất có hiệu quảcủa Terzaghi trong CHĐ 2T σ = u − u = s cổ điển cho đất bo matric ()a w á R psuấttiếpxúc ho.Nó ảnh h−ởng s lớn đến tính thấm v b chống cắtcủa đất. τmatric = σmatric.tanφ 9
10. Cácbiến trạngứng suất trong đất KBH Tensơứng suất (σx - ua) τyx τzx ua - uw σy - ua τ τ xy (σy- ua) zy τyz τ yx τ τ xz yz (σz- ua) ua - uw τxz ua - uw σx - ua τ Tensơcầu ứng suất zx τ xy ápsuấttứphía τzy Y σz - ua X (ua- uw) 0 0 Z 0 (ua- uw) 0 0 0 (ua- uw) 10
11. Một số định nghĩa cơ ban DesignStandard EmbankmentDams Chapt.8 SeepageAnalysis&Control1987 • SaturatedFlow(SF): Dòng chay trong MTrỗng tại vùng có ALlỗ rỗng d−ơng phía d−ới đ−ờng mặt thoáng dọc theo đó,ALlỗ rỗng =ALkhí quyển.SF chủ yêú gâyra bởi gradien TLtrọng lực; • UnsaturatedFlow(UF): Dòng chay trong MTrỗng tạivùng có ALlỗ rỗng âm phía trên đ−ờng mặt thoáng.UFchủ yếu gâyra bởi gradien TL dođộ chênh sức cangbề mặt; • ALlỗ rỗng (ALLR): ALn−ớc trong cáclỗ rỗng liên thông thuộc vật liệu thânhaynền CTv bao gồm : ALn−ớc LR d−ơng tạora dotrọng lực v ALLR âm (Matric Suction )tạora bởi sức cangbề mặt. 11
12. độ bền chống cắttheo độ hút dính Pháttriển nguyênlý ƯSHQTerzaghi ) u w u w u a a τττ φφφb (u • Xácđịnh bằngthiết (u u )tan φb bị TNcắttrựctiếp a w hoặcnénbatrục thôngth−ờng,có c’ cảitiến đểđođ−ợc riêngrẽ độclập • PPthí nghiệm vẫn φφφ’ thực hiện nh− (σ u )tan φ’ th−ờng lệ:UU, a CD,CU. c’ c’ (σσσ ua) 12 b τ =c’+( σ ua)tan φ’+(ua uw)tan φ
13. đ−ờng congđặc tr−ng N−ớc đất Quan hệ độẩm thểtíchlựchútdính(ua uw) Giátrị khí votới hạn :độhút dính ứng với lúc khí có thểthấm vocáclỗ rỗng lớn nhất Độ ẩm d− hayđộ boho d−: độ boho thấpnhấtkhi n−ớc trong các lỗ rỗngkhôngliên thông θθθ Giátrikhí vo tới hạn θth mv Không θbh =n boho 1>S> Sr Boho m ∂θ = m ∂u ∂θ w w w Vn S =1 V ∂uw θr ( ≈ Sr ) độ ẩm d− Vn 13 θ = 0 Lựchútdính S= S V r
14. đ−ờngcongđặctr−ngn−ớc đất– SWCC • DạngcủaSWCCphụ thuộcphânbố cỡ lỗ rỗngtrongđất Đấthạtthô,đồngđều Đấthạtmịn,cấpphốitốt qw qw Suction(kPa) Suction(kPa ) • Cỡvphânbốcỡhạt • Nhântốảnhh−ởngđếnSWCC • Cấutrúccủađất • Biếnthiênthểtích(hệsốrỗng) • Hysteresis 14
15. đ−ờng congN−ớc đất kháiquáthoá θth hmcủa 100 A Giátrị khí votới hạn θ cỡ lỗ rỗng max th 80 trong đất,biến (%) 60 θ θ đổi dosự phân θ θ bố cỡ lỗ rỗng; 40 θ ứng với Độẩm d− θd- d− 20 lúc n−ớc chứa Độẩm thể tích B trong cáclỗ 0 10.000 1.000.000 rỗngkhông 0.11100 Độhút của đất (suction)(kPa ) liênthông . 15
16. đ−ờng congđặc tr−ng đất N−ớcv Hmthấm • đ−ờng congđặc tr−ng đất N−ớc(SWCC) Mô tal−ợng chứa n−ớc trong đất theo lựchútdính Dạngđ−ờng congcó quan hệ với độ lớnv phân bố kích cỡ lỗ rỗng, • Hmthấm Mô tabiếnthiênhệ số thấm theo lựchútdính; Phanánh banchất v có dạngcủa SWCC; • Xácđịnh hmthấm Dự tính từ đ−ờng congSWCCv biểu thức GT; đobằng buồng áplực (TEMPE Soilmoisture Equip.Corp.inSantaBarbara,Calif.USA). 16
17. Hm thấm θ =f(u ) Cóthểdựtínhhmthấmtừ đ−ờng w congn−ớc đất K=g( θ) K=h(uw) k Giátrikhí vo tới hạn θth Đất không boho Đất boho ) k=f [ S, θ,(ua – uw)] k=constant 10 thấm độlog số S<1 Hệ S=1 thang ( 0 Độhútdính SEEP/W.5 ⇒ PPGreen&Corey,Fredlund&Xing vMHVanGenuchten.PLAXIS ⇒ V.Genuchten17
18. đ−ờngcongđặctr−ngn−ớc đất– SWCC • DạngcủaSWCCphụ thuộcphânbố cỡ lỗ rỗngtrongđất Đấthạtthô,đồngđều Đấthạtmịn,cấpphốitốt qw qw Suction(kPa) Suction(kPa ) • Cỡvphânbốcỡhạt • Nhântốảnhh−ởngđếnSWCC • Cấutrúccủađất • Biếnthiênthểtích(hệsốrỗng) • Hysteresis 18
19. ðặctr−ngthấmtrongvùngkhôngboho 1,0 PLAXFLOW SEEP/W 0,5 độ bohòa() QHđộ bohòa cộtáp QH θθθ độ hútdính 1,0 0,5 0 Cộtáp(m) 1,0 QHHSthấmtđ cộtáp i() ủ ng ươ 0,5 mt độ th QHK độ hútdính 1,0 0,5 0 19 Cộtáp(m)
20. Mô hỡnhvậtliệutheoPlaxFlow Lậpquanhệ tuyếntínhhóaMHhmthấmGenuchten 1 nu φp ≥ 0 1 nu φp ≥ 0 φ 4φ p p φ 1+ nu φps < φp<0 v k (φ )= pk S( φp)= rel p 10 nu φpk < φp<0 φps 0n u φp≤ φps 4 10 nu φp≤φpk φps cộtáptùythuộcvậtliệu,xácđịnhphạmvi vùngkhôngbo hòa trongđkthủytĩnh. D−ớigiá trị ng−ỡngny,GTS( φp)=0. Theogiađịnhtrên,lậpQHtuyếntínhloggi−aHSthấmt−ơngđối 4 trongvùngchuyểntiếp,tạiđó cộtáp φpk ứngvớik rel (φpk )=10 20
21. MHlý thuyếtvanGenuchten 21
22. MHlý sấpxỉ vanGenuchten 22
23. Cáchlậpd liệutínhtoáncủaPlaxFlow • Dựavol−ợngchứat−ơngđốigi acácnhómhạt,đấtđ−ợcphân lm5nhóm:coarse,medium,mediumfine,fine,veryfine,v đ−ợcđặtvotamgiácFeret,v đ dùng3hệ phânloạiđất Hypres,USDAv Staringv icácd liệuvề cácthôngsố MH. • Cácthôngsố chotronghaiStandardSeries– Relative permeabilityv Relativesaturation Standard series, Relative permeability tabsheet Standard series, Relative Saturation tabsheet23
24. PhânloạiđấttheoPPtamgiácFeret H 24
25. Phânloạiđấttheohệ HYPRES HYPRESl hệ PLđấtquốctế đ−ợclậptheomộtdự ándoEUtitrợ.PlaxFlow đ dùngbộ d− liệunysuyracácthôngsố thuỷ lựcđể mô hinhhoá cácNCvề môitr−ờngv quyhoạchsử dụngđất’ [HydraulicpropertiesofEuropeanSoil] 1m=10 4mm 25