Kiến trúc xây dựng - Thấm trong công trình đất và nền

Chương VII Thấm trong công trình đất và nền I. Một số khái niệm về dòng thấm ™ Sự thấm và môi trường thấm ™ Đường dòng ™ Dòng thấm phẳng ™ Dòng thấm tầng ™ Dòng thấm rối ™ Dòng thấm ổn định và không ổn định ™ Đường đẳng thế Lưới thấm Gradien thấm Tổn thất cột nước khi dòng thấm qua đất và dòng thấm hai chiều L hi Δ= Gradien thấm L−íi thÊm trong nÒn ®Ëp Xây dựng lưới thấm Phác thảo một lưới các đường dòng và các đường đẳng thế cắt nhau để những hình bị cắt gần giống “hình vuông” với các góc vuông tại giao điểm của các đường Chú ý: ¾ Các đường dòng không thể cắt nhau tại biên không thấm, trong thực tế, một biên không thấm là một đường dòng ¾ Tất cả các đường đẳng thế phải cắt biên không thấm theo một góc vuông ¾ Lưới thấm chỉ đúng cho đất đẳng hướng (kh = kv) Lưới thấm (7-24) • “hình vuông” có kích cỡ a x b • Gradien sẽ là: Trong đó: Chiều dài đường dòng trong một hình vuông là Độ sụt đẳng thế giữa hai đường dòng là L dh Nh hi l b b Δ Δ= = =Δ b l= Δ L dh h NΔ = L dh Nhq k A k a l b Δ ⎛ ⎞Δ = = ⎜ ⎟Δ ⎝ ⎠ f f L d N aq qN kh N b ⎛ ⎞= Δ = ⎜ ⎟⎝ ⎠ Nd là tổng số các độ sụt đẳng thế và hL là tổng cột nước tổn thất của hệ thống. Theo định luật Darcy chúng ta biết rằng lưu lượng trong mỗi lòng dẫn là: Tổng lượng nước q là: • Lưới thấm rất hữu dụng trong việc giải các bài toán thấm trong thực tế kỹ thuật, ví dụ như để dự đoán tổn thất thấm cho hồ chứa, lực đẩy ngược dưới đập và kiểm tra các điểm có khả năng xói ngầm khi • Khi kh ≠ kv có thể chuyển đổi tỷ lệ vẽ lưới thấm theo tỷ lệ. Ví dụ nếu hệ số thấm nằm ngang lớn hơn nhiều so với hệ số thấm thẳng đứng, bạn cần phải thu ngắn lại chiều ngang của lưới thấm theo tỷ lệ: cri i→ h vk k f h v L d N q k k h N =Khi đó: Phương pháp phân đoạn • Là phương pháp giải tích gần đúng để giải các bài toàn dòng thấm bị giới hạn. • Phương pháp này do Pavlovsky phát minh ra năm 1956. Năm 1962 được giới thiệu cho các nhà khoa học phương Tây bởi Harr. • Giả thiết cơ bản của phương pháp này là các đường đẳng thế tại những điểm tới hạn được lựa chọn trong lưới thấm là các đường thẳng đứng và chúng chia lưới thấm thành các phân đoạn. Ví dụ Bước 1: Chia hệ thống dòng thấm thành các phân đoạn • Lưu lượng q qua mỗi phân đoạn phải bằng nhau và được tính theo: f m L d m N khq kh N = = Φ • Trong đó: hm là tổn thất cột nước trong phân đoạn thứ m • là hệ số hình dạng không thứ nguyên cho phân đoạn thứ m. Hệ số hình dạng: mΦ d fN NmΦ = 12 mL mh h= =∑ Trong mỗi phân đoạn lưu lượng là bằng nhau và bằng tổng lượng dòng thấm, nên: 1 2 3 1 2 3 f f f d d d N N Nq h h h k N N N = = = 31 2 1 2 3 hh hq h k = = = =Φ Φ Φ Φ∑Hay 1 n m khq = = Φ∑ Bước 2: xác định dạng phân đoạn cho bài toán và xác định các giá trị của hệ số hình dạng cho mỗi phân đoạn • Các phân đoạn 1 và 3 là phân đoạn loại II trong khi phân đoạn 2 là phân đoạn loại V • xác định các hệ số hình dạng cho hai loại phân đoạn. Cho các phân đoạn loại II, từ bảng 7-2 chúng ta thấy • Trong đó cả K và K’ đều là hàm số của m với m được định nghĩa là: 'K KΦ = sin 2 sm T π= 12sin sin 0.588 2 2 30 sm T π π= = = Tra bảng để tìm K/K’ • Với phân đoạn 2, loại V, chúng ta cần so sánh L và 2s để tìm ra Φ. Trong ví dụ của chúng ta, L = 40 m và 2s = 20 m. Do L > 2s, Φ được tính theo: 2 22 ln 1 10 40 2 102ln 1 1.598 18 28 s L s a T −⎛ ⎞Φ = + +⎜ ⎟⎝ ⎠ − ×⎛ ⎞= + + =⎜ ⎟⎝ ⎠ Lưu lượng 4 5 2 1 1220 10 100 7.21 10 m s 0.865 1.598 0.865n m khq − − = × × = = = ×+ +Φ∑ (cho mỗi m chiều dài đập) Gradien ra iE tại điểm E: Từ bảng 7-2, phân đoạn loại II, ta có công thức tính gradien ra là: 2E hi KTm π= trong đó giá trị của m bằng 0.588; giá trị của h là tổn thất cột nước tại phân đoạn thứ 3 (phân đoạn ra). Giá trị của K được tìm dựa trên bảng 7-3 với m2 = 0.345; nội suy ra K = 1.741. Giá trị của h là cột nước tổn thất trong phân đoạn thứ ba, nơi mà nước thoát ra và nó được tính từ phương trình: 3 3 1 0.865 12 3.12 m 3.328n m hh = Φ ×= = = Φ∑ 3.12 0.16 2 1.71 30 0.588E i π×= =× × × Để tính phân bố áp lực dưới đập, giả thiết là tổn thất cột nước thay đổi tuyến tính từ phân đoạn 1 đến phân đoạn 3. Cột nước tổn thất tại mỗi phân đoạn được tính theo phương trình: 2 1 2 2 3 1 0.865 12 3.12 m 3.328 1.598 12 5.76 m 3.328 hh hh h h Φ ×= = =Φ Φ ×= = =Φ = ∑ ∑ 1 2 3 0.865 1.598 0.865 3.328Φ =Φ +Φ +Φ = + + =∑ Vẽ lại đập theo tỷ lệ và đặt các giá trị cột nước tại những điểm được lựa chọn. Tại đường đẳng thế A’, tổn thất cột nước là h1 = 3.12 m do đó cột nước tại A’ là: h – h1 = 12 – 3.12 = 8.88 m Tương tự, tại đường đẳng thế F’, h2 = 5.76 m và cột nước tại F’ là: h – h1 – h2 = 12 – 3.12 – 5.76 = 3.12 m Giả sử tổn thất cột nước thay đổi tuyến tính từ các điểm A- A’-F-F’ bằng nhau với khoảng cách tổng 10 + 40 + 10 = 60 m, khi đó tổn thất cột nước mỗi m là h2/60m = 5.76m/60m = 0.096m/m. Do vậy cột nước tại điểm A = cột nước tại điểm A’ – 10 m × 0.096 m cho mỗi m, hay là 8.88 – 10 × 0.096 = 7.92 m. Tương tự, cột nước tại F là 4.08 m. Xử lý biến dạng thấm và thiết kế lọc • Hiện tượng xói ngầm có khả năng xảy ra trong môi trường rỗng nếu gradien vượt quá gradien tới hạn. • Khi lực thấm đủ lớn để làm dịch chuyển các hạt, hiện tượng xói ngầm có thể bắt đầu và thông thường sẽ tiếp diễn cho tới khi hoặc là tất cả các hạt đất trong khu vực lân cận bị rửa trôi hoặc là công trình bị sụp đổ. • Dòng thấm được kiểm soát như thế nào? Các phương pháp được sử dụng tùy thuộc vào tình huống nhưng đôi khi các tường hay màn chống thấm được xây dựng để ngăn chặn hoàn toàn dòng thấm Các biện pháp xử lý: • Gia cố đất đá: đầm chặt, phụt vữa • Điều tiết dòng thấm: sân phủ, tường cừ, màn chống thấm, … • Dùng hệ thống giếng điều áp ở hạ lưu • Tạo lớp đất chống xói ngầm: thiết bị lọc ngược Xử lý xói ngầm – sân phủ và tường cừ Xử lý xói ngầm – giếng điều áp Xử lý xói ngầm – Thiết bị lọc ngược