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


Vv

Vs

Air

Soil

(b) Dry soil

V = ปริมาตรท้ังหมด Vs = ปริมาตรดินแหงVv = ปริมาตรอากาศ

Saturated Soil

V


Vv

Vs

Air

Soil

(b) Dry soil

Water

Soil

(c) Saturated Soil

V = ปริมาตรท้ังหมด Vs = ปริมาตรดินแหงVv = ปริมาตรน้ํา

Partially saturated Soil

V


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


• กรณี Dried Soils

=dγ ws

eG

γ

+1wrs

eeSG

γ

++

1tγ =

• คา Sr มีคาเทากับ 00


• 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 =


• 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


Vv

Vs

M

Volume


Fall cone

Casagrande’s cup

15

Water content, w%

N-Blows20

20100

30

10 25

Plastic Limit (PL)

A B

N


Vv

Vs

M

Volume


Shrinkage Limit (SL)

A B

N


Vv

Vs

M

Volume


คือ ปริมาณความ ช้ืนต่ํ าสุด ซ่ึงดิน มีปริมาตรนอยที่สุด ในขณะที่ยังมีสภาพอ่ิมตัวดวยน้ําซ่ึงมีปริมาณความช้ืนสูงกวาขีดหดตัว

• น้ําในดินจะคอยๆ ระเหยออกไปทําใหปริมาตรของดินลดลง• หากถึงขีดหดตัว ปริมาตรดินจะไมลดลงอีกตอไป

**หาปริมาตรของดินโดยใชหลักการแทนที่ของปรอท**

Shrinkage Ratio (SR)

A B

N


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


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

=


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

บรรยายโดย อพลช...

Documents

Transcript of บรรยายโดย อพลช...