TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT

Địa Kỹ Thuật

CHƯƠNG II

TÍNH CHẤT CƠ HỌC
CỦA ĐẤT
§ 2.1: Tính thấm.
§ 2.2: Tính ép co biến dạng

§ 2.3: Tính chống cắt
§ 2.4: Tính đầm chặt.


Bài 2.1
Tính thấm


I. Khái niệm về dòng thấm trong đất
Khái niệm hiện tượng
thấm, tính thấm của đất:
Tác hại dòng thấm:
 Giảm hiệu quả tích
nước của hồ chứa.
 Ảnh hưởng đến thi
công do nước chảy vào
hố móng.
 Gây xói ngầm cơ học
dưới đáy CT
 Chảy đất, mạch đùn,
mạch sủi tại chỗ dòng
thấm thoát.

 Gây mất ổn định mái dốc do thấm ngược.


I. Khái niệm về dòng thấm trong đất
Các đặc điểm dòng thấm:
• Dòng thấm trong đất là
dòng không ổn định.
• Dòng thấm là dòng 3 chiều .
Trong thuỷ lợi, dòng thấm được
giả sử là 1 hoặc 2 chiều.
• Dòng thấm trong đất có vận tốc rất nhỏ, thường coi là dòng
chảy tầng.
• Dòng thấm thực và dòng thấm không thực:

.- Dòng thấm thực: vt (m/s).
- Dòng thấm dòng thấm không thực ( d/t qua mặt cắt): v (m/s).

Trong xây dựng, dùng khái niệm dòng thấm qua mặt cắt.`


I. Khái niệm về dòng thấm trong đất
• PT Bernoulli – Năng lượng của dòng thấm:
Tổng năng lượng của dòng thấm tại 1 điểm A gồm

hA 

u



v2

Z
2g

Do v rất nhỏ:

𝑢
ℎ𝐴 =
+𝑧
ɣ𝑤

h

uA


uB


hA

hB

ZA
ZB

Mặt chuẩn

Khi dòng chảy chảy từ A  B, chênh lệch cột nước Δh là năng

lượng bi tiêu hao để thắng sức cản của đất  nó giảm theo
chiều dòng chảy.


II. Định luật Darcy cho dòng thấm trong đất
•

Định luật Darcy cho đất cát sạch:
v = k.i (1856)
h
i – Gradien thủy lực, i =
(không thứ nguyên)
L
k – hằng số tỷ lệ (hệ số thấm) – đơn vị: m/s

•

Lưu lượng thấm

q= v1A1 = v2A2

h
q  vA  kiA  k
A
L
A là diện tích mặt cắt
vuông góc với dòng thấm.

h

uA

hA
ZA

Cát sạch

uB

hB
ZB

Mặt chuẩn


II. Định luật Darcy cho dòng thấm trong đất
• Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số thấm
1. Kích thước & cấp phối hạt:
2. Hệ số rỗng: Nhân tố
ảnh hưởng quyết định.
3. Nc kết hợp mặt ngoài
hạt đất: Sự tồn tại của
các màng nc bao quanh
hạt đất, làm giảm k. Ảnh
hưởng này đặc biệt rõ với
đất dính.
4. Bọc khí kín trong đất


III. Ứng dụng định luật Darcy với các loại đất

Nhiều kết quả TN cho thấy ĐL Darcy chỉ đúng với 1 số loại
đất nhất định và trong những trường hợp nhất định.

• Với đất hạt thô (cuội sỏi, đá đổ…):
 Khi i nhỏ, i và v có quan
hệ tuyến tính.

 Nếu vuợt quá trị số vgh
thì v và i có quan hệ phi
tuyến.
• Với đất cát và đất sét
kém chặt: Quy luật thấm
phù hợp với định luật
Darcy


III. Ứng dụng định luật Darcy với các loại đất
• Đất sét chặt: Do sự cản
trở của nước màng quanh
hạt đất (đường b)
− Khi i quá nhỏ: không
xuất hiện dòng thấm.
− Khi i tăng nhưng vẫn
nhỏ: dòng thấm phi tuyến
− Khi i tăng cao: đường
cong có trở nên dốc hơn.
Để đơn giản coi quy luật thấm đất dính có là đường thẳng c:

v = k(i - ibđ)

IV. Thí nghiệm xác định hệ số thấm của đất
1. Thí nghiệm với cột nước không đổi : Dùng cho đất hạt thô
TN với mẫu đất: L (m), A (m2).

Trong quá trình TN, cột nước h
được giữ không đổi.
Sau thời gian t (s), thể tích nước thu
được là Q (m3).
Thể tích nước :
Nên có:

L

Q = A.v.t

h
v  k.i  k
L

QL
k
hAt

h

(m/s)


IV. Thí nghiệm xác định hệ số thấm của đất

2. Thí nghiệm với cột nước thay đổi.
 Thí nghiệm trong khoảng t/g từ t1 – t2:
Cột nước thay đổi từ h1 – h2.

 Trong khoảng thời gian dt:
- Lượng nước thay đổi trong ống:
dQ = - adh.
- Lượng nước thấm qua mẫu đất

h
dQ = k.i.F.dt = k. .F.dt
L
Cân bằng hai dt   aLdh
kFh
biểu thức:
Tích phân hai vế
từ t1 đến t2:

t2

h2

aL dh
t dt   kF h h
1
1

aL  h1 

ln 
t2 - t1 =
kA  h 2 


2. Thí nghiệm với cột nước thay đổi.
aL h1
ln( )
t2 - t1 =
kF h 2

Hoặc

 h1 
aL
k
ln  
F( t 2  t1 )  h 2 
 h1 
aL
k  2,3.
log 
F(t 2  t1 )  h 2 

 Những điều cần chú ý khi TN
• Đất chưa bão hòa hoàn toàn (các bọt khí trong đất dính).
• Sự dịch chuyển của các hạt mịn trong mẫu đất thí nghiệm.
• Sự thay đổi nhiệt độ, đặc biệt trong các TN với thời gian dài.
• Cấu trúc tự nhiên của mẫu đất thí nghiệm khó được đảm
bảo.

Bài 2.2
Tính ép co - biến dạng


I - Khái niệm tính ép co –
biến dạng


1. Tính ép co của đất
• Đất gồm các hạt sắp xếp 1 cách
tự nhiên tạo khung cốt đất. Giữa các
hạt lại có lỗ rỗng.
Khi chịu tải, đất bị ép co. Liên
kết tại chỗ tiếp xúc các hạt bị phá vỡ,
các hạt bắt đầu dịch chuyển.

S

S
S

A

S

S

S

S

S
S
A

S

S

• Quá trình ép co: QT khối đất giảm thể tích dưới tác
dụng của tải trọng.
Coi bản thân hạt đất không bị ép co.
Đất bị ép co là do giảm thể tích lỗ rỗng.

• Hiện tượng ép co xẩy ra trong một thời gian nhất định mới
kết thúc. Trong quá trình ép co, một bộ phận nước và khí
trong đất đồng thời bị ép thoát ra ngoài.

W


2. Tính biến dạng của đất
• Tính biến dạng của đất là tính biến đổi hình dạng
của mẫu đất dưới tác dụng của tải trọng.
• Tính ép co là một dạng đặc biệt của tính biến
dạng, là loại biến dạng thể tích.

II. Quan hệ giữa biến thiên thể tích (V) và
hệ số rỗng (Δe)
Xét bài toán: - Một mẫu đất trạng thái đầu có Vo, eo Vvo.
- Sau khi chịu tác dụng của tải trọng: V1 ,e1 ,Vv1
Biến thiên thể
tích tương đối:

V V0  V1 Vv 0  Vv1
v 


V0
V0
Vv 0  Vs

Chia cả tử và mẫu
cho Vs và rút gọn:

V
e
e0  e1


v 
Vo 1  e0
1  e0

V0
V 
.e  k.e

1  e0

V0
Với k 
= const
1  e0

PB : Biến thiên thể tích đất tỷ lệ bậc nhất với biến thiên
hệ số rỗng.


III. Thí nghiệm ép co không nở hông
Định luật ép co.
• Ép co không nở hông = đất chỉ chịu nén một hướng:
z  0, x = 0 , y = 0

• Trường hợp tải trọng thẳng đứng, phân bố đều trên
một vùng đất rộng sẽ gây ra biến dạng không nở hông.


1. Thí ngiệm ép co không nở hông
• Dụng cụ - lắp đặt
• Tiến hành:

- Tác dụng tải trọng P tăng theo từng cấp
ứng suất thẳng đứng σv
- Với mỗi cấp tải Pi xác định độ lún ổn định cuối cùng của mẫu đất.
- Số cấp tải trọng được lấy đủ để vẽ đường cong (s~ σv )

Một số dụng cụ thí nghiệm


Kết quả Thí nghiệm ép co KNH
σ’i (kN/m²)

0

σ’v1

σ’v2

σ’v3

Si (mm)

0

S1

S2

S3


Kết quả Thí nghiệm ép co KNH
• Nhận xét: quan hệ (σ’v~S)
có xu thế tiệm cận đường
nằm ngang khi σ’v lớn.
• Lập quan hệ (σ’v~ e)

Phần II:

Vo
V 
.e
1  eo

Lại có: ∆V = (Ho – Hi).F

V Si .F Si
 v 


Vo H o .F H o
e o  ei
e
 Si 
.H o 
Ho
1  eo
1  eo

Si
e


H o 1  eo

Si
 ei  eo  (1  eo ).

Ho


Kết quả Thí nghiệm ép co KNH
Từ quan hệ (σ’v ~ s): ta lập
được quan hệ (σ’v~ e).
Ví dụ 1

σ kN/m2
S (mm)

0
0

100 200 300 400
1,15 1,65 2,05 2,3

Bài1: Một mẫu đất được làm thí
nghiệm ép co không nở ngang ở trong
phòng thí nghiệm có chiều cao ban
đầu Ho= 2,54 cm, đường kính d=6,35
cm, khối lượng khô Ms=116,74g, Gs=
2,72. Kết quả nén mẫu. Yêu cầu:
1.Tính các hệ số rỗng sau khi nén với
từng cấp tải trọng.
2. Vẽ đường quan hệ eσ

σ’vi (kN/m²) 0

σ’ v1

σ’ v2

σ’ v3

Si (mm)

0

S1

S2

S3

ei

e0

e1

e2

e3


2. Định luật ép co không nở hông
Khi biến thiên áp lực không lớn,
coi đoạn M1M2 là đoạn thẳng:

e1 – e2 = tanα.(σ’v2-σ’v1)
e1 – e2 = av.(σ’v2-σ’v1)
∆e = av.∆σ’v

(*)

α

Phát biểu:

Khi biến thiên áp lực nén không lớn thì biến thiên
hệ số rỗng tỷ lệ bậc nhất với biến thiên áp lực”