Khái niệm về cơ học đất không bão hòa và plaxflow

1
Khái niệm về Cơ học đất không bão
hòa và plaxflow
GS. Nguyễn Công Mẫn
PLAXIS FINITE ELEMENT CODES
2
Khái niệm về Cơ học đất không bão hoà
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
Đ
ớ
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
Bo hoà MD: u < 0
Bo hoà: u > 0
+u
-u
u =


w
.h
w
+h
-h
(1)
(2)
(3)
(4)
3
Khái niệm về Cơ học đất 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
4
Cấu trúc thành phần của đất không bão hoà
Đất bo 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;
Đất không bo 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
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 BH
V
k
khí
V
n
nớc
V
h
rắn
Vr
Vk 0
Vn 0
Vh 0
Vm 0

Sơ đồ
lý thuyết
ĐKBH
khí
nớc
rắn
mặt căng
5
MH 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.
Pha thứ 4.
S
S
= 1
= 1= 1
= 1
= 1
= 1= 1
= 1
1 > S >
1 > S >
S
S
residu

residu
S =
S =
S
S
residu
residu
Theo S. Lee Barbour, ĐH Saskatchewan
S - Độ bão hoà ; S
residu
- Độ bão hoà d
Khí
Khí
độ bão hòa hiệu qua
theo V.Genuchten
1


=
residu
sat
residu
e
SS
SS
S
6
anh 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. Luôn tồn tại một
lợng nớc trong lỗ rỗng do khí kín nhốt lại độ
bão hòa d (Residual saturation) [V.Genuchten]
- Mặt ngoài căng tại mặt phân cách khí - nớc tạo
nên lực hút giữa các hạt đất, gọi là
lực hút dính
( matric suction ) hay áp lực lỗ rỗng âm.
7
tồn tại của mặt ngoài cang 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
8
lực hút dính và lực cang 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
ống thuỷ tinh mao dẫn
áp suất khí quyển
u
a
= 0
Mặt khum
u
w
(A) = u
w
(B) = 0
Phân bố áp suất nớc
hc
-
(-)
(+)
Mặt
nớc
B

T
s






R
s
T
st



T
s
C



w
2r
A
9
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
10
C¸c biÕn tr¹ng øng suÊt trong ®Êt KBH
Y
X
Z
σ
y
- u
a
σ
z
- u
a
u
a
- u
w
u
a
- u
w

σ
x
- u
a
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
11
Một số định nghĩa cơ ban
Design Standard - Embankment Dams
Chapt. 8 - Seepage Analysis & Control-1987
Saturated Flow ( SF ): Dòng chay 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 chay 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 cang 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 cang bề mặt.
12
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
13
đờng cong đặc trng Nớc - đất
Độ ẩm d hay độ bo hoà d: độ bão hoà thấp nhất khi nớc
trong các lỗ rỗng không liên thông
Giá trị khí vào tới hạn: độ hút dính ứng với lúc khí có thể thấm

vào các lỗ rỗng lớn 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
14
Dạng của SWCC phụ thuộc phân bố cỡ lỗ rỗng trong đất

đờng cong đặc trng nớc - đất SWCC
Cỡ và phân bố cỡ hạt
Cấu trúc của đất
Biến thiên thể tích (hệ số rỗng)
Hysteresis
Nhân tố ảnh hởng đến SWCC
Đất hạt mịn, cấp phối tốt
Suction (kPa)
q
w
Đất hạt thô, đồng đều
Suction (kPa)
q
w
15
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
16
đờng cong đặc trng đất - Nớc và Hàm thấm
đờng cong đặc trng đất - Nớc (SWCC)
- Mô t 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 t biến thiên hệ số thấm theo lực hút dính;
- Phn ánh bn chất và có dạng của SWCC;

Xác định hàm thấm
- Dự tính từ đờng cong SWCC và biểu thức GT;
- đo bằng buồng áp lực ( TEMPE - Soil moisture
Equip. Corp.in Santa Barbara, Calif.USA ).
17
Hµm thÊm
SEEP/W. 5 ⇒ PP Green & Corey, Fredlund & Xing
vµ MH Van Genuchten. PLAXIS ⇒ V. Genuchten
Cã thÓ dù tÝnh hµm thÊm tõ ®−êng
cong ®Æc tr−ng n−íc - ®Êt
θ
= f (u
w
)
K = g (
θ
)
K = h (u
w
)
§Êt bo hoµ
k = constant
S = 1
bo hoµ
§Êt kh«ng
k = f
[
S,
θ
, (u

a
– u
w
)
]
S < 1
HÖ
sè
thÊm
(
thang
®é log
10
)
Gi¸ tri khÝ vµo
tíi h¹n - θ
th
k
§é hót dÝnh
0
18
ặc trng thấm trong vùng không bo hoà
QH HS thấm tđ - cột áp
HS thm tng ủi (-)
Cột áp (m)
1,0
-1,0
0,5
-0,5 0
QH K - độ hút dính

QH

- độ hút dính
SEEP/W
QH độ bo hòa tđ - cột áp
ộ bo hòa tơng đối (-)
Cột áp (m)
PLAXFLOW
1,0
-1,0
0,5
-0,5 0
1


=
residusat
residu
e
SS
SS
S
19
r
x x
q K k
x
∂φ
= −
∂

r
y y
q K k
y
∂φ
= −
∂
K
r
= 1 – vïng b·o hoµ
K
r
= 10
-4
– vïng kh«ng b·o hoµ
k
hh
r
k
/4
10
−
=
(
)
k
r
h
h
k

4
log −=
H
k
= 0,7m (theo PLAXIS)
⇒
TuyÕn tÝnh ho¸ hµm thÊm Genuchten
h/h
k
l
o
g
K
r
h/h
k
K
r
20
MH lý thuyÕt van Genuchten
21
MH lý sÊp xØ van Genuchten
22
Cách lập d liệu tính toán của PlaxFlow
Dựa vào lợng chứa tơng đối gia các nhóm hạt, đất đợc phân
làm 5 nhóm: coarse, medium, medium fine, fine, very fine, và
đợc đặt vào tam giác Feret, và đã dùng 3 hệ phân loại đất
Hypres, USDA và Staring vi các d liệu về các thông số MH.
Các thông số cho trong hai Standard Series Relative
permeability và Relative saturation

Standard series, Relative permeability tab sheet
Standard series, Relative Saturation tab sheet
23
H
Ph©n lo¹i ®Êt theo PP tam gi¸c Feret
C¬ häc ®Êt, 1970 – L.Q.An, N.C. MÉn, N.V. Quú. NXB ðH vµ THCN
24
HYPRES là hệ PL đất quốc tế đợc lập theo một dự án do EU tài trợ. PlaxFlow
đã dùng bộ d liệu này suy ra các thông số thuỷ lực để mô hinh hoá các NC về
môi trờng và quy hoạch sử dụng đất [Hydraulic properties of European Soil]
Phân loại đất theo hệ HYPRES
1àm = 10
-4
mm
25