NGHIÊN CỨU CƠ HỌC ĐẤT KHÔNG BÃO HOÀ VÀ GEOSLOPE (GS NGUYỄN CÔNG MẪN)

1
khái niệm về cơ học đất không bão hoà
và geo-slope v.5
G.S. Nguyễn Công Mẫn
1. Khái quát về phân bố đất xây dựng ở VN và môi
trờng đất không bão hoà
2. Một số khái niệm cơ bản về Cơ học đất không
bão hoà
3. Một số tính năng cơ bản của GEO-SLOPE
OFFICE V.5
4. Một số ứng dụng công trình của CHĐ KBH
2
Những loại đất này thờng gây ra
nhiều sự cố công trình do không có
kiến thức cần thiết và công nghệ địa
kỹ thuật thích hợp để nhận biết và
sử lý chúng;
Chú ý các khối đất có tầng KBH
Khái quát về đất xây dựng ở VN
ĐB S. Hồng, Cửu Long, ven biển
M Trung : Đất vùng trũng, phần lớn
là trầm tích mềm yếu;
Vùng núi thấp phía Bắc, đặc biệt
vùng cao nguyên M. Trung: Chủ
yếu tàn tích laterit
Có thể còn có: đất rửa - xói , đất
trơng nở ven biển M.Trung, đất
mặn dọc theo bờ biển
Các vùng địa hình khác nhau ở VN
HM
N

LM
RRD
CCR
CHL
MRD
3
Khái niệm về hệ đất bão hoà/không bãohoà
LT. Chiều cao đới BH MD
Cát hạt thô: h rất nhỏ
Đất bụi: h có thể đạt 2m
Đất sét: h có thể đạt trên 20m
TH đập đất
Đớ
i

k
h
ô
n
g
b
ã
o

h
o
à
Sơ đồ hạt đất Bán kính mặt khum
0,0002 cm
0,002 cm

0,02 cm
Theo thí nghiệm
Độ cao dâng mao dẫn ứng với các
đờng kính mặt khum khác nhau
(Janssen & Dempsey, 1980)
Không BH: u
w
và u
a
Khô: u = 0
Bão hoà MD: u < 0
Bão hoà: u > 0
+u
-u
u =
w
.h
w
+h
-h
(1)
(2)
(3)
(4)
4
Khái niệm về hệ đất bão hoà/không bãohoà

ứng suất có hiệu quả
-u
w

áp lực nớc lỗ rỗng dơng
LT Ư.S có hiệu quả
Terzaghi
Fredlund
Độ hút dính
ứng suất pháp thực
-u
w
u
a
-u
w
5
Cấu
Cấu
trúc
trúc
th
th
à
à
nh
nh
phần
phần
của
của
đ
đ
ất

ất
kh
kh
ô
ô
ng
ng
bão hoà
bão hoà
Vk 0
Vn 0
Vh 0
Vm 0
Sơ đồ
lý thuyết
ĐKBH
khí
nớc
rắn
mặt căng
Đất bão hoà(BH)
Đất bão hoà chỉ
chứa hạt rắn và nớc:
môi trờng 2 pha;
Lỗ rỗng chứa đầy
nớc;
Độ bão hoà:
V
n
/V

r
= 1;
Độ chứa nớc thể
tích:

w
= V
n
/V = V
r
/V = n
Độ rỗng (n):
n = V
r
/V;
V
Vn = V
r
V
h
Đất BH
Vr thể tích rỗng của phân tố đất
V tổng thể tích của phân tố đất
Đất không bão hoà (KBH)
Đất không bão hoà chứa
hạt rắn, khí và nớc:
môi trờng 3 pha;
Lỗ rỗng chứa cả khí và
nớc;
Độ bão hoà:

V
n
/V
r
< 1;
Độ chứa nớc thể tích:

w
= V
n
/V

w
<n
Độ rỗng (n):
n = V
r
/V;
V
k
khí
V
n
nớc
V
h
rắn
Đất không BH
Vr
6

Sơ đồ dòng thấm trong đất không bão hoà
Tác động pha khí:
ảnh hởng tới
vận tốc thấm;
Mặt phân cách
Nớc - Khí
Tạo sức căng
mặt ngoài trong
hệ.
Phathứ4.
S
S
= 1
= 1
1 > S >
1 > S >
S
S
r
r
S =
S =
S
S
r
r
Theo S. Lee Barbour, ĐH Saskatchewan
S - Độ bão hoà ; Sr - Độ bão hoà khi có bọt khí kín
Khí
Khí

7
ảnh hởng của pha khí
- Khi ở trạng thái không bão hoà, đất là một hệ 4
pha: hạt đất, nớc, khí và mặt ngoài căng, đồng
thời tồn tại trong lỗ rỗng của đất;
- Sự tồn tại của bọt khí làm giảm tính thấm của đất
bọt khí càng nhiều, lợng chứa nớc càng ít, thì
tính thấm càng nhỏ và ngợc lại;
- Mặt ngoài căng tại mặt phân cách khí - nớc tạo
nên lực hút giữa các hạt đất, gọi là l
ự
c hút dính
( matric suction ) hay áp lực lỗ rỗng âm.
8
Minh chứng tồn tại của mặt ngoài căng và sơ
đồ các lực mao dẫn tác dụng lên ống mao dẫn
Nhờ có lực căng bề mặt, nhện nớc không tụt
vào nớc, bọ bơi ngửa không bật khỏi mặt nớc
Các côn trùng sống ở trên và dới mặt ngoài căng
L.J. Milne & M. Milne ( 1978 )
Nhện nớc
Côn trùng bơi ngửa
Mặt nớc
Sơ đồ các lực tác dụng
lên ống mao dẫn
T
s
- lực căng bề mặt của nớc
R
s

- bán kính cong của mặt khum
ứng suất nén lên thành ống
ứng suất nén lên thành ống
()
s
s
wa
R
T
uu
2
=
không khí
Ts
Ts
ống thuỷ tinh
mao dẫn
nớc
9
Capillary Model
• Soil pores ~ capillary tubes
–h
c
= 2T
s
/ r or h
c
~ 1/r
Largest pores drain first
•Note:

– Definition of matric Suction
•(u
a
-u
w
)
• differential pressure across
air/water interface’
• If u
a
= 0, suction = -u
w
hc
SoilSoil
u
a
u
w
u
a
u
w
Lee Barbour
Lee Barbour
England
England
–
–May
2003
2003

Dr. S.L. (Lee) Barbour
- Professor – University of
Saskatchewan, Department of Civil
Engineering
- Expert modeller in saturated-
unsaturated flow systems
- Winner of university teaching awards
- Associated with GEO-SLOPE for many
years
10
Quan hệ giữa lực hút dính và lực căng mao dẫn
Điều kiện cân bằng:
T
st
- trọng lợng cột nớc hc hay
2.r.T
s
.cos = .r
2

w.
g.h
c

w
.g. h
c
= 2T
s
/R

s
h
c
= 2T
s
/
w
.g. R
s
h
c
1/r
T
st
=T
s
.cos ; R
s
= r/cos
Điều kiện biên
u
a
(C)= 0
u
w
(B) = u
w
(A) = 0
u
w

(C) = -
w
.g. h
c
u
a
(c) - u
w
(c) =
w
.g. h
c
= 2T
s
/R
s

matric
= u
a
-u
w
lực hút dính
Phân bố áp suất nớc
hc
ống thuỷ tinh mao dẫn
-
áp suất khí quyển
u
a

= 0
Mặt khum
u
w
(A) = u
w
(B) = 0
(-)
(+)
Mặt
nớc
B
T
s


R
s
T
st

T
s
C

w
2r
A
11
Độ bền chống cắt do lực hút dính tạo nên

()
s
s
wamatric
R
T2
uu ==
b
matricmatric
tan. =
()
wamatric
uu
=

Thành phần lực hút
dính này rất quan
trọng trong cơ học
đất không bão hoà,
nó góp phần mở
rộng phát triển
nguyên lý ứng suất
có hiệu quả của
Terzaghi trong CHĐ
cổ điển cho đất bão
hoà. Nó ảnh hởng
lớn đến tính thấm và
chống cắt của đất.
áp suất tiếp xúc
matric

matric
Lực hút mao dẫn
T
s
hạt đất
T
s
hạt đất
Nguyễn Công Mẫn, 1999
12
C¸c biÕn tr¹ng øng suÊt trong ®Êt KBH
Y
X
Z
σ
x
-u
a
σ
y
-u
a
σ
z
-u
a
u
a

-u
w
u
a
-u
w
u
a
-u
w
τ
xz
τ
xy
τ
yx
τ
yz
τ
zx
τ
zy
(σ
x
-u
a
)
τ
xz
(σ

y
-u
a)
(σ
z
-u
a
)
τ
xy
τ
yz
τ
yx
τ
zx
τ
zy
Tens¬ øng suÊt
(u
a
-u
w
)
0
0
0
0
0
0

(u
a
-u
w
)
(u
a
-u
w
)
Tens¬ cÇu øng suÊt
¸p suÊt tø phÝa
13
Mộtsốđịnhnghĩacơ bản
Design Standard - Embankment Dams
Chapt. 8 - Seepage Analysis & Control-1987
Saturated Flow ( SF ): Dòng chảy trong MT rỗng tại
vùng có AL lỗ rỗng dơng phía dới đờng mặt
thoáng - dọc theo đó, AL lỗ rỗng = AL khí quyển. SF
chủ yêú gây ra bởi gradien TL trọng lực;
Unsaturated Flow ( UF ): Dòng chảy trong MT rỗng
tại vùng có AL lỗ rỗng âm phía trên đờng mặt
thoáng. UF chủ yếu gây ra bởi gradien TL do độ
chênh sức căng bề mặt;
AL lỗ rỗng ( ALLR ): AL nớc trong các lỗ rỗng liên
thông thuộc vật liệu thân hay nền CT và bao gồm :
AL nớc LR dơng tạo ra do trọng lực và AL LR âm
( Matric Suction ) tạo ra bởi sức căng bề mặt.
14
Biểu thị độ bền chống cắt theo độ hút dính

Phát triển nguyên lý ƯSHQ Terzaghi
PP thí nghiệm vẫn
thực hiện nh
thờng lệ: UU,
CD, CU.
w
u
a
u
= c + ( -u
a
) tan + (u
a
-u
w
) tan
b

c
(
u
a
-
u
w
)


b
( -u

a
)
c
( -u
a
) tan
(u
a
-u
w
) tan
b
c
Xác định bằng thiết
bị TN cắt trực tiếp
hoặc nén ba trục
thông thờng, có
cải tiến để đo đợc
riêng rẽ - độc lập
15
Đờng cong đặc trng Nớc - Đất
Độ ẩm d hay độ bão hoà d: độ bão hoà thấp nhất khi nớc
trong các lỗ rỗng không liên thông
Gi
Gi
á
á
trị
trị
khí

khí
vào
vào
tới
tới
hạn
hạn
: độ
: độ
hút
hút
dính
dính
ứng
ứng
với
với
lúc
lúc
khí
khí
có
có
thể thấm
thể thấm
vào các
vào các
lỗ
lỗ
rỗng

rỗng
lớn
lớn
nhất
nhất
Quan hệ độ ẩm thể tích lực hút dính (u
a
-u
w
)
Giá tri khí vào
tới hạn -
th
V
n
V
V
V
n
=

Không
bão hoà
Lực hút dính
0

r
( Sr ) - độ ẩm d
Bão hoà
= m

w
u
w

bh
= n
m
v

S
S
= 1
= 1
1 > S >
1 > S >
S
S
r
r
S =
S =
S
S
r
r
m
w

u
w

16
Soil-water Characteristic Curve
Key Features:
- Slope of the function (m
v
and m
2w
)
m
v
m
2w
θ
sat
= n
- Saturated volumetric water content (θ
sat
)
Air-Entry
Value
- Air-entry value (AEV)
Residual Saturation
θ = θ
r
= S
r
- Residual water content (θ
r
) (or saturation, S
r

)
Suction (kPa)
θ
Saturated
consolidation
Lee Barbour
Lee Barbour
England
England
–
–
May 2003
May 2003
17
• The value of matric suction
that a soil experiences when
the largest pores begin to
drain and air enters the soil.
• A function of the maximum
pore size in a soil.
• Varies with pore-size
distribution within a soil.
SWCC: Air Entry Value
u
a
u
w
(u
a
-u

w
) = matric suction
Lee Barbour
Lee Barbour
England
England
–
–
May 2003
May 2003
18
• The shape of the soil-water characteristic curve
is a function of the pore-size distribution
Relative prediction of features
Suction (kPa)
q
w
Suction (kPa)
q
w
Uniform, coarse-grained soil
Well-graded, fine-grained soil
SWCC
Lee Barbour
Lee Barbour
England
England
–
–
May 2003

May 2003
• Grain size / distribution
•Structure
• Volume change (void ratio)
• Hysteresis
• Factors Affecting the SWCC
19
Đờng cong Nớc-Đất khái quát hoá

th
- hàm của
cỡ lỗ rỗng max
trong đất, biến
đổi do sự phân
bố cỡ lỗ rỗng;

d
- ứng với
lúc nớc chứa
trong các lỗ
rỗng không
liên thông
.
B
100
80
60
40
20
0

0.1 1 100
10.000 1.000.000
Độ hút của đất ( suction ) ( kPa )
Độ ẩm thể tích

( % )
Giá trị khí vào tới hạn
th
Độ ẩm d
d-
A
20
Đờng cong đặc trng Nớc - Đất và Hàm thấm
Đờng cong đặc trng Đất - Nớc (SWCC)
- Mô tả lợng chứa nớc trong đất theo lực hút dính
- Dạng đờng cong có quan hệ với độ lớn và phân
bố kích cỡ lỗ rỗng,
Hàm thấm
- Mô tả biến thiên hệ số thấm theo lực hút dính;
- Phản ánh bản chất và có dạng của SWCC;
Xác định hàm thấm
-Dựtínhtừđờng cong SWCC và biểu thức GT;
- Đo bằng buồng áp lực ( TEMPE - Soil moisture
Equip. Corp.in Santa Barbara, Calif.USA ).
21
Hµm thÊm
SEEP/W. 5 ⇒ PP Green & Corey, Fredlund & Xing
Cã thÓ dù tÝnh hµm thÊm
tõ ®−êng cong n−íc - ®Êt
§Êt b·o hoµ

k = constant
S = 1
b·o hoµ
§Êt kh«ng
k = f
[
S,
θ
, (u
a
–u
w
)
]
S < 1
θ = f (u
w
)
K = g (θ)
K = h (u
w
)
HÖ
sè
thÊm
( thang ®é log
10
)
Gi¸ tri khÝ vµo
tíi h¹n - θ

th
k
§é hót dÝnh
0
22
Conductivity is a function?
• What is happening as suction increases?
θ
Suction (kPa)
Saturated
Saturated
S = 1
S = 1
Fully Drained
Fully Drained
Sr
Sr
Suction (u
a
-u
w
), (kPa)
K
Unsaturated
Unsaturated
1 > S >
1 > S >
Sr
Sr
Air-Entry

Value
SWCC
SWCC
Lee Barbour
Lee Barbour
England
England
–
–
May 2003
May 2003
23
§−êng cong ®Æc
tr−ng "N−íc-§Êt"
∼ ®é bÒn chèng c¾t
τ = c’ + (σ -u
a
) tanφ’
τ
matric
= (u
a
-u
w
) tanφ
b
τ
τ
(u
a

-u
w
) (kPa)
b
Φ
'
Φ
τ
τ
matric
0
0
V
V
n
=
θ
r
n
V
V
S =
V
V
n
r
=
Gi¸ trÞ khÝ vµo tíi h¹n
0
0

θ
= n
= n
θ
th
§é hót (kPa)
24
Xác định hàm thấm bằng thực nghiệm
Khiđạt mộtAS tới
hạn, chỉ nớc có thể
thấm qua đĩa gốm. ở
điều kiện đó, nớc có
thể thoát ra hoặc đi
vào mấu đất tuỳ
thuộc AS. Khi tăng áp
lực khí, sẽ làm độ ẩm
của mẫu giảm và
ngợc lại. Do đó, có
thể tìm QH độ ẩm
áp lực lỗ rỗng âm
bằng cách cho các độ
ẩm cân bằng với
các áp suất trong
buồng áp lực.
2 PP: trực tiếp và gián tiếp. Sơ đồ buồng áp lực Tempe (Soil -moisture Equipment
Corporation, 1985 ) dùng để lập đờng cong Nớc - Đất, từ đó suy ra đờng cong
thấm theo PP gián tiếp. Tham khảo CHĐ KBH tập 1 trang 173-218
ống cho khí vào
ống cho nớc vào/ra
mẫu đất

Buồng áp lực
Đĩa gốm sốp
( màng bán thấm )
High Air
High Air
-
-
Entry Disk
Entry Disk
25
Buång ¸p lùc Tempe
(Soil-moisture Equipment Corporation, 1985 )
mÉu ®Êt
Buång ¸p lùc
§Üa gèm sèp
( ≈ mµng b¸n thÊm )
èng cho khÝ vµo
èng cho n−íc vµo/ra