Hệ số thấm (ký hiệu K) là một đặc trưng thuỷ lực của đất, thể hiện khả năng cho nước chảy qua đất dưới tác dụng của một độ chênh lệch thuỷ lực nhất định. Hệ số thấm được biểu thị bằng vận tốc dòng chảy Darcy:
v = Ki
với:
- v: vận tốc dòng chảy (m/s)
- K: hệ số thấm (m/s)
- i: độ dốc thuỷ lực
Hệ số thấm của đất ảnh hưởng đến công trình theo nhiều cách, bao gồm:
1. Ổn định:
- Hệ số thấm cao có thể dẫn đến sự sụt lún, trượt đất, và mất ổn định cho công trình.
- Đối với các công trình như đập, hồ chứa, hệ số thấm cao có thể dẫn đến rò rỉ, thấm nước, ảnh hưởng đến an toàn của công trình.
2. Lực nâng:
- Nước thấm qua đất có thể tạo ra lực nâng, ảnh hưởng đến nền móng và kết cấu của công trình.
- Lực nâng cao có thể khiến công trình bị lún, nghiêng, thậm chí sập đổ.
3. Ăn mòn:
- Nước thấm qua đất có thể mang theo các chất hóa học, axit, muối, v.v., gây ăn mòn cho các vật liệu xây dựng như thép, bê tông.
- Ăn mòn làm giảm tuổi thọ và khả năng chịu tải của công trình.
4. Băng giá:
- Trong môi trường lạnh, nước thấm qua đất có thể đóng băng, tạo ra áp lực lên kết cấu công trình.
- Áp lực do băng giá có thể làm nứt, vỡ, phá hủy công trình.
5. Thoát nước:
- Hệ số thấm cao giúp thoát nước tốt, tránh tình trạng úng ngập cho công trình.
- Tuy nhiên, hệ số thấm quá cao có thể dẫn đến rửa trôi đất, ảnh hưởng đến nền móng công trình.
Để giảm thiểu ảnh hưởng của hệ số thấm đến công trình, cần thực hiện các biện pháp sau:
- Lựa chọn loại đất phù hợp với mục đích xây dựng.
- Tăng cường độ chặt của đất.
- Sử dụng các vật liệu chống thấm.
- Lắp đặt hệ thống thoát nước hiệu quả.
Các phương pháp xác định hệ số thấm của đất
Có nhiều phương pháp để xác định hệ số thấm của đất, bao gồm:
1. Phương pháp thí nghiệm:
- Phương pháp cột nước không đổi: áp dụng cho đất thấm tốt.
- Phương pháp cột nước thay đổi: áp dụng cho đất thấm yếu.
- Phương pháp ly tâm: áp dụng cho đất sét.
- Phương pháp oedomter: áp dụng cho đất cố kết.
2. Phương pháp hiện trường:
- Thí nghiệm bơm nước: sử dụng giếng khoan để bơm nước vào đất và đo lưu lượng nước chảy ra.
- Thí nghiệm thấm nước: tạo ra một hố đào và đo lượng nước thấm vào hố trong một thời gian nhất định.
- Phương pháp địa vật lý: sử dụng các phương pháp đo điện hoặc từ trường để đánh giá khả năng thấm của đất.
Tiêu chuẩn hướng dẫn:
- TCVN 8723-2012: Phương pháp xác định hệ số thấm của đất trong phòng thí nghiệm.
- TCVN 14-TCN 139-2005: Đất xây dựng công trình thủy lợi – Phương pháp xác định hệ số thấm của đất trong phòng thí nghiệm.
- ASTM D2434-68: Standard Test Method for Permeability of Granular Soils (Constant Head).
- ASTM D5084-95: Standard Test Method for Measurement of Hydraulic Conductivity of Saturated Porous Materials Using a Flexible Wall Permeameter.
Lựa chọn phương pháp:
Việc lựa chọn phương pháp xác định hệ số thấm phù hợp phụ thuộc vào nhiều yếu tố như:
- Loại đất
- Mục đích sử dụng
- Độ chính xác cần thiết
- Kinh phí và thời gian
Lưu ý:
- Hệ số thấm của đất có thể thay đổi theo nhiều yếu tố như thành phần hạt, độ rỗng, độ chặt, cấu trúc, v.v.
- Cần thực hiện thí nghiệm theo tiêu chuẩn để xác định chính xác hệ số thấm của đất.
Ngoài ra, bạn có thể tham khảo thêm các tài liệu sau:
- Sách “Đất và Cơ sở nền móng” – Trần Đình Thọ
Trong trường hợp không có thí nghiệm xác định hệ số thấm của đất, có thể tham khảo bảng tra hệ số thấm, hoặc sử dụng các công thức kinh nghiệm.
Bảng tra chi tiết hệ số thấm của các loại đất khác nhau
Dưới đây là bảng tra chi tiết hệ số thấm của các loại đất khác nhau, trích dẫn từ Sách “Đất và Cơ sở nền móng” – Trần Đình Thọ:
| Loại đất | Phân loại | Hệ số thấm (m/s) | Nguồn trích dẫn |
|---|---|---|---|
| Cát | Cát thô | 10^-1 – 10^-2 | Sách “Đất và Cơ sở nền móng” |
| Cát trung bình | 10^-2 – 10^-3 | ||
| Cát mịn | 10^-3 – 10^-4 | ||
| Cát pha | Cát pha thô | 10^-3 – 10^-4 | |
| Cát pha trung bình | 10^-4 – 10^-5 | ||
| Cát pha mịn | 10^-5 – 10^-6 | ||
| Cát pha sét | Cát pha sét thô | 10^-5 – 10^-6 | |
| Cát pha sét trung bình | 10^-6 – 10^-7 | ||
| Cát pha sét mịn | 10^-7 – 10^-8 | ||
| Sét | Sét bột | 10^-8 – 10^-9 | |
| Sét dẻo |
Các công thức xác định hệ số thấm
Có nhiều công thức khác nhau để xác định hệ số thấm (K) của đất, mỗi công thức có ưu điểm và nhược điểm riêng. Dưới đây là một số công thức phổ biến:
1. Công thức Hazen:
Công thức Hazen được sử dụng để xác định hệ số thấm của cát dựa trên kích thước hạt hiệu dụng (D10) và độ rỗng (n) của đất. Công thức này có dạng:
K = C * D10^2 * n / (1 – n)
với:
- K: hệ số thấm (m/s)
- C: hệ số Hazen (thường được lấy bằng 100)
- D10: kích thước hạt hiệu dụng (mm), là kích thước mà 10% hạt có kích thước nhỏ hơn
- n: độ rỗng của đất
Lưu ý:
- Công thức Hazen chỉ áp dụng cho cát sạch, không lẫn sét.
- Kích thước hạt hiệu dụng D10 có thể được xác định bằng phương pháp sàng hoặc phương pháp lắng đọng.
- Độ rỗng n có thể được xác định bằng phương pháp pycnometer hoặc phương pháp thí nghiệm.
Ví dụ:
Giả sử một loại cát có D10 = 0,5 mm và n = 0,35. Hệ số thấm K của cát này được tính toán như sau:
K = 100 * 0,5^2 * 0,35 / (1 – 0,35) = 0,00025 m/s
2. Công thức Darcy:
Công thức Darcy là một công thức cơ bản để xác định hệ số thấm dựa trên tốc độ dòng chảy (v), độ dốc thuỷ lực (i) và độ nhớt động học của nước (μ):
K = v / (i * μ)
với:
- K: hệ số thấm (m/s)
- v: tốc độ dòng chảy (m/s)
- i: độ dốc thuỷ lực (m/m)
- μ: độ nhớt động học của nước (Pa.s)
3. Công thức Forchheimer:
Công thức Forchheimer được sử dụng để xác định hệ số thấm cho dòng chảy phi tuyến, thường gặp ở đất có độ thấm cao. Công thức này có dạng:
K = v / (i + β * v^2)
với:
- K: hệ số thấm (m/s)
- v: tốc độ dòng chảy (m/s)
- i: độ dốc thuỷ lực (m/m)
- β: hệ số Forchheimer (m^-1)
4. Công thức Kozeny-Carman:
Công thức Kozeny-Carman được sử dụng để xác định hệ số thấm dựa trên cấu trúc của đất, bao gồm diện tích bề mặt riêng (S) và độ rỗng (n):
K = n^3 * S / (180 * (1 – n)^2 * τ^2)
với:
- K: hệ số thấm (m/s)
- n: độ rỗng của đất
- S: diện tích bề mặt riêng (m^2/m^3)
- τ: tortuosity (độ ngoằn ngoèo)
Facebook Comments