Dòng nước chảy qua đất - Tính thấm và các yếu tố ảnh hưởng đến tính thấm

Giới thiệu

Tính thấm là một trong những tính chất vật lý quan trọng của đất vì một số vấn đề chính của cơ học đất có liên quan trực tiếp với nó. Thiết kế đường cao tốc, sân bay, đập đất, xây dựng nền móng dưới mực nước, năng suất từ ​​giếng, độ lún của nền móng, vv phụ thuộc vào tính thấm của đất. Do đó để trở thành một kỹ sư đất giỏi, kiến ​​thức về tính thấm là rất cần thiết. Một vật liệu được cho là có thể thấm nếu nó chứa các khoảng trống liên tục. Vì các khoảng trống như vậy được chứa trong tất cả các loại đất kể cả đất sét cứng nhất, tất cả những thứ này đều có thể thấm. Sỏi là đất dễ thấm và đất sét cứng là loại đất ít thấm nhất.

Tầm quan trọng của tính thấm:

Kiến thức về tính thấm rất quan trọng đối với các vấn đề kỹ thuật sau:

(i) Rò rỉ qua đập đất và kênh rạch.

(ii) Áp suất không phù hợp theo cấu trúc thủy lực và an toàn đối với đường ống

(iii) Tốc độ lún của lớp đất nén bão hòa.

(iv) Năng suất từ ​​giếng và thoát nước của đất nông nghiệp khai thác.

(v) Độ ổn định của sườn thượng lưu và hạ lưu đập.

Định nghĩa:

Tính thấm:

Tính thấm là tính chất của đất cho phép nước đi qua các lỗ rỗng liên kết với nhau.

Dòng chảy tầng:

Dòng chảy trong đó tất cả các hạt nước di chuyển theo các đường song song mà không đi qua đường đi của các hạt khác.

Dòng chảy hỗn loạn:

Dòng chảy trong đó tất cả các hạt nước di chuyển theo đường zig-zag.

Gradient thủy lực:

Độ lỏng của đầu thủy lực trên một đơn vị khoảng cách của dòng chảy được gọi là độ dốc thủy lực. Hãy xem xét một dòng chảy bão hòa qua một khối đất xốp đồng nhất có chiều dài 'L' và để h _P1 và h _P2 là đầu áp suất đo hoặc đầu áp suất đầu gối ở mặt vào và ra tương ứng. Đặt + Z ₁ và - Z ₂ là đầu độ cao tại mặt vào và ra với giả sử mực nước hạ lưu là đường chuẩn. Đầu vận tốc cho dòng chảy qua đất là không đáng kể.

Xác định độ dốc thủy lực:

Tổng đầu = Áp lực đầu + Độ cao đầu

Tổng số đầu tại mặt nhập cảnh,

H ₁ = hp ₁ + Z ₁

Tổng số đầu ở mặt thoát hiểm

H ₂ = hp ₂ - Z ₂ = 0

Tổng số chênh lệch đầu

H = h ₁ -h ₂ = h _P1 + z ₁ -0 = h _P1 + z ₁

[••• hp ₂ = Z ₂ ]

Tổng chênh lệch đầu này được gọi là đầu thủy lực hoặc 'mất đầu' hoặc 'rơi đầu'. Bất kỳ độ cao nào cũng có thể được chọn cho mốc chuẩn, làm cơ sở của các đầu độ cao. Ưu điểm của việc chọn mực nước hạ lưu làm mốc chuẩn là tổng đầu ở các lối thoát trở thành 0 và độ cao của nước trong áp kế tại bất kỳ điểm nào trong đất được đo trên đường chuẩn sẽ cung cấp trực tiếp đầu thủy lực

h = hp ± z

Trong đó hp = Đầu đo áp suất

z = Đầu độ cao

Việc mất đầu trên một đơn vị khoảng cách của dòng chảy (hoặc dọc theo chiều dài của dòng chảy) được gọi là độ dốc thủy lực. Nó được ký hiệu là 'Tôi'

Tôi = h / L

Ở đâu

h = mất đầu

L = chiều dài dọc theo đường dòng chảy qua đó mất đầu.

Luật Darcy:

Vào giữa thế kỷ thứ mười tám, H. Darcy làm việc tại Paris đã nghiên cứu thực nghiệm dòng chảy của nước qua đất. Đối với dòng chảy tầng qua đất bão hòa Darcy được thiết lập bằng thực nghiệm rằng tốc độ dòng chảy 'q' trên một diện tích mặt cắt 'A' của đất tỷ lệ thuận với độ dốc thủy lực.

q = KiA

Hoặc q / A = ki

hoặc V = Ki

Trong đó V = Vận tốc dòng chảy

K = Hệ số thấm

i = Độ dốc thủy lực

Luật của Darc có giá trị miễn là dòng chảy là tầng. Nó được áp dụng cho phần đất mịn hơn so với sỏi mịn.

Vận tốc dòng chảy (hoặc Vận tốc xả):

Đó là một vận tốc rõ ràng bằng với tốc độ dòng chảy trung bình trên một tổng diện tích đơn vị trong đất.

Tốc độ dòng chảy là khối lượng nước chảy trên một đơn vị thời gian.

Vận tốc rò rỉ:

Vận tốc thấm là vận tốc thực tế hoặc thực mà nước chảy qua các lỗ rỗng trong đất.

Le A _v là khu vực của các khoảng trống và

A là tổng diện tích của đất vuông góc với hướng dòng chảy. Tốc độ dòng chảy có thể được đánh đồng là q = VA = A _V .V _S

hoặc V _s = V × A / A _V

hoặc V _S = V / n

Độ dài của luồng giống nhau cho cả trường hợp và n = Âm lượng của khoảng trống / Tổng âm lượng]

Hoặc V _S = (1 + e / e) V

Trong đó V vận tốc dòng chảy

V _S = Vận tốc rò rỉ

e = Tỷ lệ trống

n = Độ xốp

Vì (1 + e / e) luôn lớn hơn đơn vị, Vg luôn luôn lớn hơn V.

Đồng hiệu quả của tính thấm:

Chúng tôi biết q = KIA (luật của Darc)

Đặt A = 1 và I = 1 vào phương trình chúng ta nhận được

K = q

tức là hệ số thấm, còn được gọi là độ dẫn thủy lực, có thể được định nghĩa là tốc độ dòng nước trong điều kiện dòng chảy tầng thông qua diện tích mặt cắt đơn vị của môi trường xốp dưới độ dốc thủy lực đơn vị và điều kiện nhiệt độ tiêu chuẩn (thường là 27 ° C ở Ấn Độ). Đơn vị của K tương tự như vận tốc tức là m / s hoặc, cm / s, v.v.

Mối quan hệ thực nghiệm giữa K và D ₁₀ được phát triển bởi Hazen (1911) đối với cát sạch, lỏng là

K = CD ₁₀ ²

Trong đó K = hệ số thấm (cm / s)

Hệ số C = Hazen = 0, 8 đến 1, 2 (thường được sử dụng 1.0)

D ₁₀ = Kích thước hiệu quả của đất

Đồng hiệu quả của Percolation:

Vận tốc thấm cũng tỷ lệ thuận với độ dốc thủy lực.

Các yếu tố ảnh hưởng đến tính thấm :

Tính thấm có thể thu được từ phương trình lý thuyết của Kozeny-Carman cho dòng chảy qua môi trường xốp

K = CD ² ₀ (e ³ + 1 + e) ​​γw / n Đá Từ (4.3)

Trong đó C = hệ số hình dạng tổng hợp

D _{0 =} Kích thước hạt đại diện

e = Tỷ lệ trống

_w = Mật độ của nước,

n = Độ nhớt của nước

Các yếu tố ảnh hưởng đến tính thấm là:

(i) Tính chất của chất lỏng lỗ chân lông

(ii) Kích thước và hình dạng của các hạt

(iii) Tỷ lệ trống của đất

(iv) Sắp xếp cấu trúc của các hạt đất

(v) Mức độ bão hòa

(vi) Nước hấp phụ

(viii) Sự phân tầng

(i) Tính chất của chất lỏng lỗ rỗng:

Từ phương trình 4.3, rõ ràng mật độ và độ nhớt là hai tính chất vật lý của chất lỏng lỗ rỗng (hoặc nước) ảnh hưởng đến tính thấm. Hệ số thấm tỷ lệ thuận với mật độ của nước và tỷ lệ nghịch với độ nhớt của nó. Giá trị của mật độ của nước không thay đổi nhiều với sự thay đổi nhiệt độ nhưng có sự thay đổi lớn về độ nhớt. Độ nhớt giảm khi tăng nhiệt độ và do đó độ thấm tăng khi tăng nhiệt độ.

(ii) Kích thước và hình dạng của các hạt:

Độ thấm của đất tỷ lệ thuận với bình phương kích thước hạt như trong phương trình 4.3. Đây là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến tính thấm của đất vì chúng quyết định tỷ lệ rỗng, kích thước và hình dạng của lỗ chân lông trong một khối đất. Một loại đất thô có kích thước lỗ lớn hơn và ở đây K tức là hệ số thấm lớn hơn so với đất hạt mịn.

(iii) Tỷ lệ trống của đất:

Ảnh hưởng rõ rệt của tỷ lệ rỗng đến tính thấm của đất như trong phương trình 4.3 đã được kiểm chứng bằng thực nghiệm.

K α e 3/1 + e

Từ phương trình trên, rõ ràng K tỷ lệ thuận với tỷ lệ rỗng, tức là tỷ lệ rỗng của đất nhiều hơn sẽ là độ thấm. Một mối quan hệ bán log cũng tồn tại giữa K và e. Một biểu đồ của log K (thang đo log) Vg e (thang tuyến tính) xấp xỉ một đường thẳng cả đất hạt thô và hạt mịn.

(iv) Sắp xếp cấu trúc của các hạt đất:

Sự sắp xếp cấu trúc của các hạt đất khác nhau, ở cùng một tỷ lệ rỗng, tùy thuộc vào phương pháp nén khối lượng đất. Độ thẩm thấu của mẫu bị xáo trộn có thể khác với mẫu không bị xáo trộn ở cùng tỷ lệ khoảng trống. Ảnh hưởng của xáo trộn cấu trúc đến tính thấm được thể hiện rõ ở đất hạt mịn.

(v) Mức độ bão hòa:

Tính thấm của đất được quan sát là thay đổi trực tiếp với khối lập phương về mức độ bão hòa. Do đó, đất càng bão hòa, sẽ càng có nhiều tính thấm. Tuy nhiên, áp lực của không khí bị vướng vào lỗ chân lông đất làm cản trở dòng chảy của nước.

(vi) Nước hấp phụ:

Các hạt đất sét mịn được bao quanh bởi các màng nước hấp phụ. Các lực hấp phụ và phát triển lớp ion khuếch tán xung quanh các hạt đất sét tạo ra các lớp nước thủy động cố định, do đó làm giảm không gian lỗ rỗng hiệu quả có sẵn để thấm.

(vii) Sự phân tầng:

Lớp đất sở hữu các đặc tính thấm khác nhau. Độ thấm của cùng một loại đất nhiều hơn khi dòng chảy song song với lớp hơn độ thấm khi dòng chảy vuông góc với lớp.

Phương pháp xác định đồng khả năng thẩm thấu:

Hệ số thấm có thể được xác định bằng các phương pháp sau:

(a) Phương pháp thí nghiệm [Phương pháp trực tiếp]

(i) Kiểm tra tính thấm đầu liên tục

(ii) Thử nghiệm ngã đầu.

(b) Phương pháp thực địa

(i) Bơm thử nghiệm

(ii) Bơm trong các bài kiểm tra

(c) 'Phương pháp gián tiếp

(i) Tính toán từ kích thước hạt (K = CD ₁₀ ² )

(ii) Kiểm tra độ mao dẫn ngang

(iii) Dữ liệu kiểm tra tổng hợp.

Kiểm tra tính thấm đầu không đổi:

Hình 4.3 cho thấy biểu diễn sơ đồ của thử nghiệm.

Nước chảy từ bể trên cao bao gồm ba ống: đầu vào, đầu ra và ống tràn. Đầu liên tục 'h' được duy trì trong suốt bài kiểm tra. Vì chiều dài của mẫu đất 'L' được cố định trong suốt quá trình thử nghiệm, độ dốc thủy lực 'i' không đổi trong suốt quá trình thử nghiệm

Chúng tôi biết tôi = h / L

Trong đó h = chênh lệch mực nước của bể trên cao và bể đáy. Nếu Q là tổng số lượng dòng chảy trong một khoảng thời gian ', chúng ta có định luật Darcy.

Việc đo Q được thực hiện sau khi đạt đến trạng thái ổn định. Thử nghiệm được lặp lại hai hoặc ba lần và giá trị trung bình của Q được thực hiện để tính toán K. Thử nghiệm này phù hợp với đất hạt thô nơi có thể thu được lượng thải hợp lý trong một thời gian nhất định.

Kiểm tra tính thấm đầu rơi:

Thử nghiệm rơi đầu phù hợp với đất ít thấm. Một ống đứng có diện tích mặt cắt ngang đã biết 'a' được gắn với permeameter và nước được phép chảy xuống qua đường ống này. Mực nước trong ống đứng liên tục rơi khi nước chảy. Các quan sát được bắt đầu sau khi đạt được trạng thái ổn định của dòng chảy. Đầu bất cứ lúc nào 'bằng với chênh lệch mực nước trong ống đứng và bể đáy.

Đặt h ₁ và h ₂ là các đầu tại các khoảng thời gian t ₁ và t ₂ tương ứng (t ₁ > t ₂ ). Đặt h là đầu tại bất kỳ khoảng thời gian trung gian t và -dh là thay đổi của đầu trong khoảng thời gian nhỏ hơn 'dt' (dấu trừ đã được sử dụng vì h giảm khi t tăng). Từ định luật Darcy, tốc độ dòng q được đưa ra bởi

Các quan sát trong phòng thí nghiệm bao gồm đo các đầu h ₁ và hg tại hai khoảng thời gian đã chọn t ₁ và t ₂ . Trung bình của các khoảng thời gian được lấy để tính toán.

Bảng quan sát để kiểm tra tính thấm đầu rơi:

Tính thấm của đất phân tầng:

Trong đó một mặt cắt đất bao gồm một số tầng có độ thấm khác nhau, độ thấm tương đương hoặc trung bình của đất là khác nhau theo hướng song song và bình thường với tầng. Đối với dòng chảy song song với các lớp, độ dốc thủy lực trong mỗi lớp là như nhau và tổng tốc độ dòng là tổng tốc độ dòng chảy trong cả ba lớp.

Trong đó K _x = Tính thấm tương đương hoặc trung bình theo hướng song song với các lớp. Đối với dòng chảy bình thường cho các lớp, tốc độ dòng chảy phải giống nhau trong tất cả các lớp để có dòng chảy ổn định và vì diện tích dòng chảy 'A' không đổi, tốc độ dòng chảy qua lớp cũng như nhau

Trong đó K _z = độ thấm tương đương cho dòng chảy bình thường đến các lớp. Vì vậy, độ thấm tương đương cho dòng chảy song song với tầng tầng luôn lớn hơn dòng chảy bình thường đối với tầng lớp, tức là K _x luôn lớn hơn K _z .

Ví dụ đã giải quyết:

Ví dụ 4.1:

Trong thử nghiệm tính thấm đầu rơi trên mẫu vật cao 6 cm và 50 cm2 ở mặt cắt ngang, mực nước trong ống đứng, 0, 8 cm ² ở khu vực cắt, giảm từ độ cao 60 cm xuống 20 cm trong 3 phút 20 nhìn. Tìm độ thấm.

Ví dụ 4.2:

Trong quá trình kiểm tra permeameter đầu không đổi, lưu lượng Q là 160 cm ^ được đo trong 5 phút dưới một hằng số, đầu 15 cm. Mẫu thử dài 6 cm và có diện tích mặt cắt là 50 cm ^2. Độ xốp n ₁ của mẫu thử là 42%. Xác định độ thấm, tốc độ dòng V và tốc độ thấm V _s . Ước tính K ₂ cho n ₂ = 35%.

Giải: Cho Q = 160 cm ³

L = 6 cm

Ví dụ 4.3:

Một lớp cát được tạo thành từ ba lớp ngang có độ dày bằng nhau. Độ thấm của lớp trên cùng và dưới cùng là 2 x10 ^-4 cm / s và của lớp giữa là 3, 2 x 10 ^-2 cm / s. Tìm độ thấm tương đương theo hướng ngang và dọc và tỷ lệ của chúng.

Ví dụ 4.4:

Tính giá trị hệ số thấm của đất với đường kính hiệu dụng 0, 5 mm. Dung dịch:

Chúng ta có tương quan Hazen K = CD ² ₁₀ cm / s

C = 1, 0

D ₁₀ = 0, 5 mm

K =?

K = 1, 0 X (0, 5) ² cm / s = 0, 25 cm / s Ans.

Ví dụ 4.5:

Một mẫu đất đã được thử nghiệm trong một permeameter đầu không đổi. Đường kính và chiều dài của mẫu lần lượt là 3 cm và 15 cm. Dưới cái đầu 30 cm, chất thải được tìm thấy là 80 cc trong 15 phút.

Tính toán:

(i) Hệ số thấm

(ii) Loại đất được sử dụng trong thử nghiệm

(ii) Giá trị của K nằm trong khoảng từ 10 ^-1 đến 10 ^-1 . Đất bao gồm sỏi mịn, cát trung bình và mịn.

Ví dụ 4.6:

Một mẫu đất có chiều dài 5 cm và 60 cm ở khu vực cắt ngang, nước thấm qua mẫu trong 10 phút là 480 ml dưới một đầu không đổi 40 cm. Trọng lượng của mẫu sấy trong lò là 498 gm và khối lượng riêng của đất = 2, 65.

Tính toán:

(i) Hệ số thấm

(ii) Vận tốc thấm.

VÍ DỤ 4.7:

Hệ số thấm của mẫu đất được tìm thấy là 1 X 10 ^-3 cm / s với tỷ lệ rỗng là 0, 4. Ước tính tính thấm của nó ở tỷ lệ rỗng là 0, 6. Giải pháp: Chúng tôi biết rằng:

K α e 3/1 + e

Ví dụ 4, 8:

Nếu trong quá trình kiểm tra tính thấm trên mẫu đất có hoán vị đầu rơi, các khoảng thời gian bằng nhau được ghi nhận cho các giọt đầu từ h ₁ đến h ₂ và một lần nữa từ h ₁ đến h ₂, tìm mối quan hệ giữa h ₁, h ₂ và h ₃ .

Giải pháp: Đối với đầu rơi từ h ₁ và h ₂