ความเค้นประสิทธิผลในดิน
- ความเค้นรวม
- σ = Σγi·hi
- ความดันน้ำในช่องว่าง
- u = γw·(z − zw)
- ความเค้นประสิทธิผล
- σ′ = σ − u
- น้ำ
- γw = 9.81 kN/m³
วิศวกรรมปฐพี: ชุดสรุปเร่งรัด
สรุปสูตร ขั้นตอนวิธีทำที่สำคัญของทุกหัวข้อ และโจทย์ฝึก 6 ข้อ พร้อมเฉลยละเอียดไว้ท้ายเล่ม
1สูตรและวิธีทำ
การทรุดตัวจากการอัดตัวคายน้ำ
- ดินที่อัดตัวปกติ
- S = Cc·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0)
- ความเค้นสุดท้าย
- σ′f = σ′0 + Δσ (at mid-depth of the layer)
- ดินที่อัดตัวเกินปกติ σ′f ≤ σ′p
- S = Cr·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0)
- ดินที่อัดตัวเกินปกติ σ′f > σ′p
- S = H/(1 + e0)·[Cr·log₁₀(σ′p/σ′0) + Cc·log₁₀(σ′f/σ′p)]
- อัตราส่วนการอัดตัวเกิน
- OCR = σ′p/σ′0
- เวลาสำหรับการอัดตัวคายน้ำ
- t = Tv·Hdr²/cv
- ระยะทางระบายน้ำ
- Hdr = H/2 (ระบายน้ำสองด้าน), H (ระบายน้ำด้านเดียว)
- ตัวประกอบเวลา
- U 50% → 0.197, 60% → 0.287, 70% → 0.403, 80% → 0.567, 90% → 0.848
แรงจากความดันของไหลนิ่ง
- ความดันที่ความลึกหนึ่ง
- p = ρgh
- แรงที่กระทำต่อผนังแนวดิ่ง
- F = ρg·hc·A
- จุดศูนย์กลางความดัน
- yp = yc + Ic/(ycA)
- สี่เหลี่ยมผืนผ้า
- Ic = bH³/12
2โจทย์ฝึก
1.ความเค้นประสิทธิผลในดินปานกลาง
สำหรับชั้นดินที่แสดง หาความเค้นรวมในแนวดิ่ง σ ที่จุด X
z = 2 mzw = 1 mγw = 9.81 kN/m³ทราย: γd = 17 kN/m³ทราย: γsat = 18.5 kN/m³
σ = kPa
2.ความเค้นประสิทธิผลในดินยาก
สำหรับชั้นดินที่แสดง หาความดันน้ำในช่องว่าง u ที่จุด X
z = 9 mzw = 4 mγw = 9.81 kN/m³ทราย: γd = 15 kN/m³ทราย: γsat = 19 kN/m³ดินเหนียว: γsat = 17.5 kN/m³
u = kPa
3.การทรุดตัวจากการอัดตัวคายน้ำปานกลาง
ชั้นดินเหนียวที่อัดตัวเกินปกติหนา 7 m มี Cc = 0.45, Cr = 0.03 และ e₀ = 0.9 ที่กึ่งกลางชั้นความเค้นประสิทธิผลแนวดิ่งคือ 95 kPa และความดันอัดตัวก่อนหน้าคือ 215 kPa อาคารใหม่เพิ่มความเค้นแนวดิ่ง 200 kPa ที่กึ่งกลางชั้น หาการทรุดตัวจากการอัดตัวคายน้ำปฐมภูมิ S ใน mm
H = 7 mCc = 0.45Cr = 0.03e0 = 0.9σ′0 = 95 kPaσ′p = 215 kPaΔσ = 200 kPa
S = mm
4.การทรุดตัวจากการอัดตัวคายน้ำยาก
ในการทดสอบออดิโอมิเตอร์ในห้องปฏิบัติการ ตัวอย่างดินเหนียวหนา 25 mm ระบายน้ำที่ด้านบนและด้านล่าง อัดตัวถึง 50% ใน 6 นาที ในสนามดินเหนียวชนิดเดียวกันเป็นชั้นหนา 6 m อยู่บนชั้นหินที่ไม่ซึมน้ำ โดยมีทรายอยู่ด้านบน น้ำจึงระบายออกเฉพาะด้านบน ชั้นดินในสนามใช้เวลากี่วัน t จึงอัดตัวถึง 50%
hlab = 25 mmtlab = 6 minH = 6 mในสนาม: ระบายน้ำด้านเดียว
t = วัน
5.แรงจากความดันของไหลนิ่งปานกลาง
ประตูน้ำสี่เหลี่ยมผืนผ้าแนวดิ่งกว้าง 3 m อยู่ที่ผนังถังที่บรรจุน้ำ โดยขอบบนอยู่ต่ำกว่าผิว 2 m หาแรงลัพธ์จากความดันของไหล F ที่กระทำต่อประตูน้ำ
d = 2 mH = 2.5 mb = 3 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²
F = kN
6.แรงจากความดันของไหลนิ่งยาก
ประตูน้ำสี่เหลี่ยมผืนผ้าแนวดิ่งกว้าง 1.5 m อยู่ที่ผนังถังที่บรรจุน้ำมัน โดยขอบบนอยู่ต่ำกว่าผิว 3 m หาความลึก ycp ของจุดศูนย์กลางความดันใต้ผิว
d = 3 mH = 3 mb = 1.5 mρ = 880 kg/m³g = 9.81 m/s²
ycp = m
3สารละลาย
1.ความเค้นประสิทธิผลในดิน
คำตอบ: σ = 35.5 kPa
ความเค้นประสิทธิผล (เทอร์ซากี): โครงสร้างของดินรับความเค้น σ′ = σ − u ความเค้นรวม σ คือน้ำหนักของทุกสิ่งเหนือจุดนั้น Σγ·h โดยใช้หน่วยน้ำหนักแห้งเหนือระดับน้ำใต้ดิน และหน่วยน้ำหนักอิ่มตัวใต้ระดับน้ำใต้ดิน ใต้ระดับน้ำใต้ดิน ความดันน้ำในช่องว่างเป็นแบบไฮโดรสแตติก: u = γw·(ความลึกใต้ระดับน้ำใต้ดิน)
ความเค้นรวม
บวกน้ำหนักของดินแต่ละชั้นเหนือ X เหนือระดับน้ำใต้ดินใช้หน่วยน้ำหนักแห้ง ใต้ระดับน้ำใต้ดินใช้หน่วยน้ำหนักอิ่มตัว
σ = γd·zw + γsat·(z − zw) = 17·1 + 18.5·1 = 35.5 kPa
คำตอบ
σ = 35.5 kPa
2.ความเค้นประสิทธิผลในดิน
คำตอบ: u = 49.05 kPa
ความเค้นประสิทธิผล (เทอร์ซากี): โครงสร้างของดินรับความเค้น σ′ = σ − u ความเค้นรวม σ คือน้ำหนักของทุกสิ่งเหนือจุดนั้น Σγ·h โดยใช้หน่วยน้ำหนักแห้งเหนือระดับน้ำใต้ดิน และหน่วยน้ำหนักอิ่มตัวใต้ระดับน้ำใต้ดิน ใต้ระดับน้ำใต้ดิน ความดันน้ำในช่องว่างเป็นแบบไฮโดรสแตติก: u = γw·(ความลึกใต้ระดับน้ำใต้ดิน)
ความดันน้ำในช่องว่าง
ความดันน้ำเพิ่มขึ้นตามความลึกใต้ระดับน้ำใต้ดิน
u = γw·(z − zw) = 9.81·5 = 49.05 kPa
คำตอบ
u = 49.05 kPa
3.การทรุดตัวจากการอัดตัวคายน้ำ
คำตอบ: S = 267 mm
การอัดตัวคายน้ำปฐมภูมิ ของชั้นดินเหนียวหนา H โดยใช้ความเค้นประสิทธิผลที่กึ่งกลางชั้น: σ′f = σ′0 + Δσ ดินเหนียวที่อัดตัวปกติ: S = Cc·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0) ดินเหนียวที่อัดตัวเกินปกติจะอัดซ้ำตาม Cr จนถึงความดันอัดตัวก่อนหน้า σ′p และเป็นไปตาม Cc เฉพาะหลังจากนั้น เวลา: t = Tv·Hdr²/cv โดยระยะระบายน้ำ Hdr เท่ากับ H/2 เมื่อน้ำออกได้ทั้งด้านบนและล่าง และ H เมื่อระบายด้านเดียว
เปรียบเทียบกับความดันอัดตัวก่อนหน้า
σ′f = 95 + 200 = 295 kPa > 215 kPa
การทรุดตัว
อัดซ้ำจนถึง σ′p แล้วอัดตัวบริสุทธิ์เมื่อเกินนั้น
S = 0.03·7/(1 + 0.9)·log₁₀(215/95) + 0.45·7/(1 + 0.9)·log₁₀(295/215)
S = 39.21 + 227.8 = 267 mm
คำตอบ
S = 267 mm
4.การทรุดตัวจากการอัดตัวคายน้ำ
คำตอบ: t = 960 วัน
การอัดตัวคายน้ำปฐมภูมิ ของชั้นดินเหนียวหนา H โดยใช้ความเค้นประสิทธิผลที่กึ่งกลางชั้น: σ′f = σ′0 + Δσ ดินเหนียวที่อัดตัวปกติ: S = Cc·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0) ดินเหนียวที่อัดตัวเกินปกติจะอัดซ้ำตาม Cr จนถึงความดันอัดตัวก่อนหน้า σ′p และเป็นไปตาม Cc เฉพาะหลังจากนั้น เวลา: t = Tv·Hdr²/cv โดยระยะระบายน้ำ Hdr เท่ากับ H/2 เมื่อน้ำออกได้ทั้งด้านบนและล่าง และ H เมื่อระบายด้านเดียว
ระยะระบายน้ำ
Hdr,lab = 25/2 = 12.5 mm = 0.0125 m
Hdr,field = 6 m
ปรับสเกลเวลา
t = Tv·Hdr²/cv โดยใช้ T_v และ cv เดียวกันทั้งในห้องปฏิบัติการและในสนาม
tfield = 6·(6/0.0125)² = 1.382 × 10⁶ min
tfield = 1.382 × 10⁶/1440 = 960 วัน
คำตอบ
t = 960 วัน
5.แรงจากความดันของไหลนิ่ง
คำตอบ: F = 239.1 kN
แรงจากความดันของไหลบนพื้นผิวระนาบ: F = ρ·g·yc·A กระทำที่จุดศูนย์กลางความดัน ycp = yc + Ic/(ycA) ซึ่งอยู่ต่ำกว่าเซนทรอยด์เสมอ
ความลึกของเซนทรอยด์และพื้นที่
yc = d + H/2 = 2 + 2.5/2 = 3.25 m
A = H·b = 2.5·3 = 7.5 m²
แรงลัพธ์
F = ρ·g·yc·A = 1000·9.81·3.25·7.5 = 239.1 kN
คำตอบ
F = 239.1 kN
6.แรงจากความดันของไหลนิ่ง
คำตอบ: ycp = 4.667 m
แรงจากความดันของไหลบนพื้นผิวระนาบ: F = ρ·g·yc·A กระทำที่จุดศูนย์กลางความดัน ycp = yc + Ic/(ycA) ซึ่งอยู่ต่ำกว่าเซนทรอยด์เสมอ
ความลึกของเซนทรอยด์และพื้นที่
yc = d + H/2 = 3 + 3/2 = 4.5 m
A = H·b = 3·1.5 = 4.5 m²
แรงลัพธ์
F = ρ·g·yc·A = 880·9.81·4.5·4.5 = 174.8 kN
จุดศูนย์กลางความดัน
ความดันเพิ่มขึ้นตามความลึก แรงลัพธ์จึงกระทำต่ำกว่าเซนทรอยด์
Ic = b·H³/12 = 1.5·3³/12 = 3.375 m⁴
ycp = yc + Ic/(yc·A) = 4.5 + 3.375/(4.5·4.5) = 4.667 m
คำตอบ
ycp = 4.667 m
ExamProblems · examproblems.com/courses/geotechnical-engineering