บรรยายโดย อพลช...
Transcript of บรรยายโดย อพลช...
บรรยายโดย : อ.พลช ต้ังฐานทรัพย
บทท่ี 3 Soil Properties
การศึกษาสมบัติของดินแบงเปน 2 ประเภท• สมบัติข้ันพ้ืนฐาน• ปริมาณความชื้น (Water Content)• อัตราสวนชองวาง (Void Ratio)
• ระดับการอิ่มตัวดวยน้ํา (Degree of Saturation)• ความถวงจําเพาะ (Specific Gravity)
• ขนาดและลักษณะการกระจายของเม็ดดิน (Grain Size Distribution)• ความหนาแนนสัมพัทธ (Relative Density)• พิกัด Atterberg (Atterberg Limits)
ทดสอบไดในหองปฏิบัติการ
• สมบัติทางดานวิศวกรรม
คุณสมบัติของดินทางวิศวกรรม (ตอ)
• สมบัติทางดานวิศวกรรม• สมบัติดานกําลังรับน้ําหนัก หรือกําลังรับแรงเฉือนของดิน• สมบัติทางดานความสามารถในการไหลซึมของน้ําผานดิน• สมบัติทางดานการเคลื่อนตัวของดิน
ทดสอบไดในหองปฏิบัติการ และในสนาม
คุณสมบัติขั้นพ้ืนฐาน
Soil Mass
V
(a) มวลดิน
V = ปริมาตรท้ังหมด
Dry Soil
V
(a) มวลดิน
Vv
Vs
Air
Soil
(b) Dry soil
V = ปริมาตรท้ังหมด Vs = ปริมาตรดินแหงVv = ปริมาตรอากาศ
Saturated Soil
V
(a) มวลดิน
Vv
Vs
Air
Soil
(b) Dry soil
Water
Soil
(c) Saturated Soil
V = ปริมาตรท้ังหมด Vs = ปริมาตรดินแหงVv = ปริมาตรน้ํา
Partially saturated Soil
V
(a) มวลดิน
Vv
Vs
Air
Soil
(b) Dry soil
Water
Soil
(c) Saturated Soil
V = ปริมาตรท้ังหมด Vs = ปริมาตรดินแหงVa =ปริมาตรอากาศ
Soil
Air
Water Vw
Vs
Va
(d) Partially saturated soil
Vw = ปริมาตรน้ํา Vv = Va + Vw
Vv
Physical properties
V
มวลดิน
Soil
Air
Water Ww
Ws
Wa=0
W
Phase Diagram
Ws
Water content, w
w = Ww
Void Ratio, e
Soil
Air
Water Vw
Vs
Va
Phase Diagram
Vse = Vv
Vv
• ดินที่มี e เกิน 1.0 และความหนาแนนรวมต่ํา (นอยกวา 1.5 t/m3)F มักจะเปนดินเหนียวที่มีสารอินทรียปนอยู และมีการทรุดตัวที่สูง
V
Porosity, n
Soil
Air
Water Vw
Vs
Va
Phase Diagram
n = Vv
Vv
V
Vv
Degree of Saturation, S
Soil
Air
Water Vw
Vs
Va
Phase Diagram
S = Vw
Vv
V
Vs
Ws=
Vv
Specific Gravity, Gs
Soil
Air
Water Vw
Vs
Va
Phase Diagram
VWw
Ws
Wa=0
W
Gs =wγ
sγ
wγ
Density and Unit weight
VM=ρ
ความหนาแนน, Density
g/cm3, t/m3
VW=γ
หนวยนํ้าหนัก, Unit weight
kN/m3
Soil
Air
Water Ww
Ws
Wa=0
W
Phase Diagram
(Bulk) Total Density, Total unit weight
ความหนาแนนรวม, Total Density
VW=tγ
หนวยนํ้าหนักรวม,
Total unit weight
Soil
Air
Water Ww
Ws
Wa=0
W
VM=tρ
Soil
Air
Water Vw
Vs
Va
Phase Diagram
V
Dry Density, Dry unit weight
ความหนาแนนแหง, Dry Density
VWs=dγ
หนวยนํ้าหนักแหง,
Dry unit weight
Soil
Air
Water Ww
Ws
Wa=0
W
VMs=dρ
Soil
Air
Water Vw
Vs
Va
Phase Diagram
V
การคํานวณ
Soil
Air
Water Ww
Ws
Wa=0
W
Phase Diagram
ความสัมพันธระหวาง n กับ e
n = VvV = Vv
Vv+Vse = Vv
Vs
n =VvVs
VvVs
+ VsVs
n = e1+e
ee + 1
ความสัมพันธระหวาง e, w Gs และ Sr
e = wGsSr
= WwVw
wγ Ww = wγVw Gs = WsVs wγ
GsVsWs= wγ
Vw wγVs wγ Gs
w = WwWs
= VwVsGs
= Sr = VwVv
Vw= SrVv
w = SrVvGsVs
SreGs
=
( )VwVv
ความสัมพันธระหวาง e, Gs และ Sr
Gs = WsVs wγ
GsVsWs= wγ
tγ
Gw = WwVw wγ
GwVwWw= wγ
= WVtγ = Ws+Ww
Vs+Vv=tγ GsVs + Vwwγ wγ
Vs+Vv
Sr = VwVv
=tγVs+Vv
wγGsVs wγ + Vv
ความสัมพันธระหวาง e, Gs และ Sr (ตอ)tγ
• ปรับสมการใหอยูในรูปของ e (Void Ratio) โดยนํา Vs หารตลอด
=tγ Gs wγ +( )VsVs Sr wγ( )
VvVs
( )VsVs ( )Vv
Vs+
= Gs + Srewγ wγ
1+ e
=tγ wrs
eeSG
γ
++
1
คาหนวยนํ้าหนักในสภาวะตางๆ
• กรณี Saturated Soils
=satγ ws
eeG
γ
++
1wrs
eeSG
γ
++
1tγ =
• คา Sr มีคาเทากับ 1 หรือ 100% จะได1
คาหนวยนํ้าหนักในสภาวะตางๆ
• กรณี Dried Soils
=dγ ws
eG
γ
+1wrs
eeSG
γ
++
1tγ =
• คา Sr มีคาเทากับ 00
คาหนวยนํ้าหนักในสภาวะตางๆ
• กรณีดินอยูในระดับน้ําใตดิน Submerged Unit Weight
wwrs
eeSG
γγ −
++
1subγ =
wsat γγ −• ดินจะถูกพยุงดวยน้ํา ใชสัญลักษณวา หรือ เทากับsubγ 'γ
• ทั่วไปจะสมมติใหดินอ่ิมตัวดวยน้ํา (Saturated Soils), Sr = 1
1ww
s
eeG
γγ −
++
1subγ =
คาหนวยนํ้าหนักในสภาวะตางๆ
• กรณีดินอยูในระดับนํ้าใตดิน Submerged Unit Weight (ตอ)
eeeG wwwws
+−−+
1γγγγ
subγ =
subγ = ws
eG
γ
+−
11
ขีดจํากัดแอทเทอรเบิรกAtterberg limits
A B
N
Soild Plastic Liquid
Vv
Vs
M
Volume
Water content, %SL PL LL
การเปลี่ยนแปลงปริมาณความช้ืน => มีผลโดยตรงตอสถานภาพของมวลดินสําหรับดินเม็ดละเอียด
15
Water content, w%
Penetration, mm20
20100
30
10 25
Liquid Limit (LL)
A B
N
Soild Plastic Liquid
Vv
Vs
M
Volume
Water content, %SL PL LL
Fall cone
Casagrande’s cup
15
Water content, w%
N-Blows20
20100
30
10 25
Plastic Limit (PL)
A B
N
Soild Plastic Liquid
Vv
Vs
M
Volume
Water content, %SL PL LL
Shrinkage Limit (SL)
A B
N
Soild Plastic Liquid
Vv
Vs
M
Volume
Water content, %SL PL LL
คือ ปริมาณความ ช้ืนต่ํ าสุด ซ่ึงดิน มีปริมาตรนอยที่สุด ในขณะที่ยังมีสภาพอ่ิมตัวดวยน้ําซ่ึงมีปริมาณความช้ืนสูงกวาขีดหดตัว
• น้ําในดินจะคอยๆ ระเหยออกไปทําใหปริมาตรของดินลดลง• หากถึงขีดหดตัว ปริมาตรดินจะไมลดลงอีกตอไป
**หาปริมาตรของดินโดยใชหลักการแทนที่ของปรอท**
Shrinkage Ratio (SR)
A B
N
Soild Plastic Liquid
Vv
Vs
M
Volume
Water content, %
คือ อัตราการลดลงของปริมาตรมวลดินเทียบกับอัตราการลดลงของความชื้น
Plasticity index (PI หรือ Ip)
PI = LL-PL
แสดงถึงชวงของปริมาณความช้ืนที่ดินมีสภาพพลาสติก คือเปล่ียนรูปรางไดโดยไมเกิดรอยแยกหรือแตกราว• ดินที่มีคา PI สูง เปนดินที่มีปริมาณและธาตุดินเหนียวมากF แสดงวาดินนั้นมีการทรุดตัวสูง เม่ือเทียบกับเวลา
%wSL PL LL
PIกึ่งของแข็งของแข็ง พลาสติก ของเหลว
Liquidity Index (LI)
LI = w-PLLL-PL PI
LI > 1.00 < LI < 1.0
LI < 0
มวลดินสภาพธรรมชาติเปนของเหลวมวลดินสภาพธรรมชาติเปน Plasticมวลดินสภาพธรรมชาติเปนของแข็ง
แสดงใหรูวาดินในสภาพธรรมชาต ิ มีปริมาณความช้ืนใกลเคียงกับขีดเหลวเทาใด
Activity
Activity = PI
% by weight finer 0.002 mm
**เปนคาบงบอกความสามารถในการดูดซึมโมเลกุลนํ้าของเม็ดดิน**
% ดินเหนียวขนาดเม็ดเล็กกวา 0.002 มม.Skempton, (1954)
• Skempton พบวา คา Activity ของดินแตละชนิดจะมีคาประมาณคงที่• เปนตัวชี้บอกปญหาที่จะเกิดขึ้นกับดินเม็ดละเอียด เชน Volume Change
ค า Activity ของดินประเภทของดิน Activity, A
Inactive ClaysNormal ClaysActive ClaysHighly Active Clays
< 0.750.75 – 1.251.25 – 2.0
> 2.0
**** คา Activity ของดินเหนียวโดยทั่วไปมีคาประมาณ 0.3 - 5.5 ****
ประโยชนของ LL, PI และ LI
• ใชในการจําแนกดินและแบงลักษณะของดิน• ใชเปนดัชนีที่สําคัญในการบอกสมบัติทางดานแรงเฉือน และการทรุดตัว
Grain Size Distribution
การจําแนกดินในทางวิศวกรรม => ใชขอมูลการกระจายตัวของเม็ดดินและความเหนียว (Consistency) เปนหลักการทดสอบเพื่อหาชวงขนาดของเม็ดดินทําไดโดย•การวิเคราะหโดยใชตะแกรงรอน (Sieve Analysis)•การวิเคราะหโดยใชไฮโดรมิเตอร (Hydrometer Analysis)•รวมวิธีวิเคราะหดวยตะแกรงและวิเคราะหดวยไฮโดรมิเตอร (Combined analysis, Sieve and Hydrometer)
ใชกับดินเม็ดหยาบท่ีมีขนาดใหญกวา 0.075 มม. เชน กรวด, ทรายประเภทของ Sieve Analysis มี 2 ประเภท คือ Dry Sieve และ Wet Sieve
Sieve Analysis
%คาง = นน.ของดินท่ีคางบนตะแกรงนน.ดินท้ังหมด
X 100
ผลบวกสะสมของเปอรเซ็นตของดินท่ีคางบนตะแกรงท่ีใหญกวา
%คางสะสม =
%ผาน = 100 - % คางสะสม
Hydrometer Test
ใชสําหรับดินเม็ดละเอียด ท่ีมีขนาดเล็กกวา 0.075 มิลลิเมตร หรือมีขนาดเล็กกวาขนาดของชองเปดของ #No.200 เชน ดินเหนียว, ดินเหนียวปนดินตะกอน (ดินท่ีผาน #No.200)
การวิเคราะหโดยใชไฮโดรมิเตอรเพื่อหาขนาดเม็ดดินและ%Finer ใชหลักของการตกตะกอนของเม็ดดินท่ีเวลาตางๆ กัน (หลักของ Stoke) ซึ่งวาดวยความสัมพันธระหวาง• ความเร็วของวัตถุทรงกลมที่จมในของเหลว• ขนาดเสนผานศูนยกลางของวัตถุ
• ความถวงจําเพาะของวัตถุ• คาความหนืดของของเหลว
ความสัมพันธระหวางระยะการเคล่ือนที่ของ Hydrometer กับเวลา
1000
750
500
250
1000
750
500
250
1000
750
500
250
1000
750
500
250
L1
L2L3
t0 t1 t2 t3
สมมติฐาน การเคลื่อนท่ีของไฮโดรมิเตอร เร็วเทากับการเคลื่อนท่ีตกตะกอนของเม็ดดิน
Hydrometer Test (หาขนาดเม็ดดิน)
Stoke’s Law, -> ->
->
µρρ
18)(2 wsdv −
=18
s w
vd µρ ρ
=−
−=
th
ws ρρµ18
18
s ww
T
hdG tG
µρ ρ
=
−
( )( )
( )
118980.7 1000
1 60sw
T
hd
G tG
µ
ρ
× =
−
2
3
g.sec cmcmcm
g seccm
ขนาดเม็ดดิน ( ) 35.5308 101s
wT
hdG tG
µ
ρ
−= ×
−
mm
Hydrometer Test
การเคลื่อนตัวไฮโดรมิเตอร1. ชวง 0-2 นาทีแรก
2. ชวงมากกวา 2 นาที
( )402 40
sLLh R= + −
( ) ( )402 40 2
s b
j
L VLh RA
= + − −t>2 min
2b
aj
Vh hA
= −
2
4j
j
DA
π=
2 1bV V V= −
jD
b
j
VA
2b
j
VA
1H
2H
L
sL
2L
cL
iL
h
R1V
2V
Hydrometer Test (การปรับแกคา Rc)
cm = คาปรับแกความโคงผิวนํ้าcd = คาปรับแกเน่ืองจากสวน
ผสมของสารละลาย
( ) a m dcorrectedR R C C= + −
ความสัมพันธระหวางคา h (cm) กับ คา R
( ) ( )402 40
sLLh R= + −t=0-2 min
( )h t=0-2 min
( ) ( )402 40 2
s b
j
L VLh RA
= + − −t>2 min
( )h t>2 min
( )correctedRR
( )h cm
Hydrometer Test
% Passing หรือ %Finer สามารถหาไดจาก
เทียบกับดินทั้งหมด ( )( )200% %F F F= Hydrometer 151H Sieve
% 1001
s
s s
GRFM G
= × −
Hydrometer 151H
*นําคา %F ไปพลอต แกน y และขนาดเม็ดดิน d พลอตแกน x ตอจาก #No.200
ลักษณะการกระจายตัวของเม็ดดิน
ลักษณะการกระจายตัวของเม็ดดิน
1) ดินท่ีมีขนาดคละกันดี (Well graded soil)2) ดินท่ีมีขนาดคละกันไมดี (Poorly graded soil) แบงไดเปน 2 ประเภท
ก. ดินท่ีมีขนาดเม็ดสม่ําเสมอ (Uniform graded)ข.ดินท่ีมีขนาดเม็ดขาดชวง (Skip หรือ Gap graded)
ลักษณะการกระจายตัวของเม็ดดิน -> จะพิจารณาจากชวงของเสนกราฟ ท่ีเรียกวา Coefficient of Uniformity, และความโคงงอของกราฟท่ีเรียกวา Coefficient of Curvature, 2
30
60 10c
DCD xD
=
60
10u
DCD
=
ลักษณะการกระจายตัวของเม็ดดิน
เกณฑแสดงความคละของดินเม็ดหยาบ (ASTM D-2487)
ชนิดของดินส.ป.ส.ความสม่ําเสมอ, Cu ส.ป.ส.เสนโคง, Cc
คละกันดี สมํ่าเสมอ คละกันดี สมํ่าเสมอกรวด (Gravel)ทราย (Sand)
Cu ≥ 4Cu ≥ 6
Cu < 4Cu < 6
1< Cc < 31< Cc < 3
1 > Cc > 31 > Cc > 3
คุณสมบัติทางดานวิศวกรรม
คุณสมบัติของดินทางวิศวกรรม
• สมบัติทางดานวิศวกรรม• สมบัติดานกําลังรับน้ําหนัก หรือกําลังรับแรงเฉือนของดิน
• สมบัติทางดานความสามารถในการไหลซึมของน้ําผานดิน• สมบัติทางดานการเคลื่อนตัวของดิน
**คุณสมบัติทางวิศวกรรมเปนสิ่งสําคัญในการออกแบบในงานวิศวกรรม**
สมบัติทางดานกําลังรับนํ้าหนักของดิน
1. กําลังรับแรงเฉือนของดิน (Shear Strength) แบงเปน 2 รูปแบบ คือ1 กําลังรับแรงเฉือนแบบไมระบายนํ้า (Undrained Shear Strength)
1 กําลังรับแรงเฉือนแบบระบายนํ้า (Drained Shear Strength)
• คือ กําลังรับหนวยแรงเฉือนของดินที่อิ่มตัวในลักษณะที่ดินถูกหนวยแรงมากระทําจนวิบัต ิโดยความชื้นของดินไมเปลี่ยน
• คือ กําลังรับหนวยแรงเฉือนของดินที่อิ่มตัวในลักษณะที่ดินถูกหนวยแรงมากระทําจนวิบัต ิโดยความชื้นและปริมาตรดินเปลี่ยน
สมบัติทางดานกําลังรับนํ้าหนักของดิน
2. คา มุมตานแรงเฉือน และคา c ความเช่ือมแนนที่ปรากฏของดินφ
• สมบัติที่ใชงานมากที่สุด คือกําลังรับแรงเฉือนแบบไมระบายน้ํา และคา และ c ในรูปของหนวยแรงประสิทธิผล
φ
สมบัติทางดานการเคลื่อนตัวของดินดินเม็ดละเอียด ดินเม็ดหยาบ
1. โมดูลัสความยืดหยุนในสภาพไมระบายน้ํา 1. - โมดูลัสความยืดหยุน ในสภาพระบายน้ํา (Drained Modulus of Elasticity) –E’ - อัตราสวนของ Poisson (Poisson’s Ratio) 'ν−
2. - สัดสวนการอัดตัว (Compression Ratio) CR - สัดสวนการอัดตัวซ้ํา (Recompression Ratio) RR - หนวยแรงประสิทธิผลสูงสุดในอดีต - โมดูลัสความยืดหยุนในสภาพระบายน้ํา –E’ - อัตราสวนของ Poisson (Poisson’s Ratio)
3. - สัมประสิทธิ์ของการอัดตัวครั้งที่สอง (Coefficient of Secondary Compression) αC−
สมบัติทางดานการซึมของนํ้าในดิน
• ดวยความแตกตางของพลังงานศักย และพลังงานความดันของน้ําในโพรง น้ําในชองวางระหวางเม็ดดินจะไหลจากจุดที่มีพลังงานสูงกวาไปยังจุดที่มีพลังงานต่ํากวาอยางชาๆ• ปริมาณการไหลของน้ํา และอัตราการไหลของน้ําข้ึนอยูกับสมบัติทางดานการซึมของดิน ไดแก คาสัมประสิทธ์ิการซึม