Давление поровой воды

Давление грунтовых вод, удерживаемых в почве или горной породе, в зазорах между частицами

Давление поровой воды (иногда сокращенно pwp ) относится к давлению грунтовых вод, удерживаемых в почве или горной породе , в зазорах между частицами ( порами ). Давление поровой воды ниже уровня грунтовых вод измеряется пьезометрами . Вертикальное распределение давления поровой воды в водоносных горизонтах обычно можно считать близким к гидростатическому .

В ненасыщенной («адозной») зоне поровое давление определяется капиллярностью и также называется натяжением , всасыванием или матричным давлением. Давление поровой воды в ненасыщенных условиях измеряется тензиометрами , которые работают, позволяя поровой воде прийти в равновесие с эталонным индикатором давления через проницаемую керамическую чашку, помещенную в контакт с почвой.

Давление поровой воды имеет решающее значение при расчете напряженного состояния в механике грунта , исходя из выражения Терцаги для эффективного напряжения грунта.

Общие принципы

Давление возникает из-за: ^[1]

• Разница высот воды : вода течет с большей высоты на меньшую и создает скоростной напор, или с потоком воды, как показано в уравнениях энергии Бернулли .
• Гидростатическое давление воды : возникает из-за веса материала над точкой измерения.
• Осмотическое давление : неоднородное скопление концентраций ионов , которое вызывает силу, действующую на частицы воды, поскольку они притягиваются по законам молекулярного притяжения.
• Давление абсорбции : притяжение окружающих частиц почвы друг к другу адсорбированными водными пленками.
• Матричное всасывание : определяющая черта ненасыщенной почвы, этот термин соответствует давлению, которое сухая почва оказывает на окружающий материал для выравнивания содержания влаги во всем блоке почвы и определяется как разница между давлением порового воздуха, и давлением поровой воды, [ ^2] ${\displaystyle (u_{a})}$ ${\displaystyle (u_{w})}$

Ниже уровня грунтовых вод

Пьезометр с вибрирующей проволокой. Вибрирующая проволока преобразует давление жидкости в эквивалентные частотные сигналы, которые затем регистрируются.

Эффекты плавучести воды оказывают большое влияние на определенные свойства почвы, такие как эффективное напряжение, присутствующее в любой точке почвенной среды. Рассмотрим произвольную точку на глубине пяти метров под поверхностью земли. В сухой почве частицы в этой точке испытывают общее верхнее напряжение, равное глубине под землей (5 метров), умноженной на удельный вес почвы. Однако, когда местная высота уровня грунтовых вод находится в пределах указанных пяти метров, общее напряжение, ощущаемое на глубине пяти метров, уменьшается на произведение высоты уровня грунтовых вод на пятиметровую площадь и удельного веса воды, 9,81 кН/м^3. Этот параметр называется эффективным напряжением почвы, в основном равным разнице между общим напряжением почвы и давлением поровой воды. Давление поровой воды имеет важное значение для дифференциации общего напряжения почвы от ее эффективного напряжения. Правильное представление напряжения в почве необходимо для точных полевых расчетов в различных инженерных профессиях. ^[3]

Уравнение для расчета

При отсутствии потока поровое давление на глубине h _w ниже поверхности воды равно: ^[4]

${\displaystyle p_{s}=g_{w}h_{w}}$,

где:

• p _s — давление насыщенной поровой воды (кПа)
• g _w — удельный вес воды (кН/м ³ ),

${\displaystyle g_{w}=9.81kN/m^{3}}$ ^[5]

• h _w — глубина ниже уровня грунтовых вод (м),

Методы и стандарты измерений

Стандартный метод измерения давления поровой воды ниже уровня грунтовых вод использует пьезометр, который измеряет высоту, на которую столб жидкости поднимается против силы тяжести ; т. е. статическое давление (или пьезометрический напор ) грунтовых вод на определенной глубине. ^{[6] Пьезометры часто используют электронные} датчики давления для предоставления данных. Бюро мелиорации США имеет стандарт для контроля давления воды в скальном массиве с помощью пьезометров. Он размещает ASTM D4750, «Стандартный метод испытаний для определения уровней подземной жидкости в скважине или контрольной скважине (наблюдательной скважине)». ^[7]

Выше уровня грунтовых вод

Электронный тензиометрический зонд: (1) пористая чашка; (2) трубка, заполненная водой; (3) головка датчика; (4) датчик давления

В любой точке выше уровня грунтовых вод , в зоне аэрации, эффективное напряжение приблизительно равно общему напряжению, как доказано принципом Терцаги . Реально эффективное напряжение больше общего напряжения, так как давление поровой воды в этих частично насыщенных почвах на самом деле отрицательное. Это в первую очередь связано с поверхностным натяжением поровой воды в пустотах по всей зоне аэрации, вызывающим эффект всасывания на окружающие частицы, т. е. матричное всасывание. Это капиллярное действие представляет собой «восходящее движение воды через зону аэрации» (Coduto, 266). ^[8] Увеличенная инфильтрация воды, например, вызванная сильными дождями, приводит к снижению матричного всасывания, следуя соотношению, описанному кривой характеристики почвенной воды (SWCC), что приводит к снижению прочности почвы на сдвиг и снижению устойчивости склона. ^[9] Капиллярные эффекты в почве более сложны, чем в свободной воде из-за случайно соединенного пустотного пространства и помех частиц, через которые течет; Независимо от этого, высота этой зоны капиллярного подъема, где отрицательное поровое давление воды обычно достигает пика, может быть близко аппроксимирована простым уравнением. Высота капиллярного подъема обратно пропорциональна диаметру пустотного пространства, контактирующего с водой. Следовательно, чем меньше пустотное пространство, тем выше поднимется вода из-за сил натяжения. Песчаные почвы состоят из более грубого материала с большим количеством места для пустот, и поэтому имеют тенденцию иметь гораздо более мелкую капиллярную зону, чем более связные почвы, такие как глины и илы . ^[8]

Уравнение для расчета

Если уровень грунтовых вод находится на глубине d _w в мелкозернистых почвах, то поровое давление на поверхности земли равно: ^[4]

${\displaystyle p_{g}=-g_{w}d_{w}}$,

где:

• p _g — ненасыщенное поровое давление воды (Па) на уровне земли,
• g _w — удельный вес воды (кН/м ³ ),

${\displaystyle g_{w}=9.81kN/m^{3}}$

• d _w — глубина залегания грунтовых вод (м),

а поровое давление на глубине z ниже поверхности равно:

${\displaystyle p_{u}=g_{w}(z-d_{w})}$,

где:

• p _u — ненасыщенное поровое давление воды (Па) в точке z ниже уровня земли,
• z _u — глубина ниже уровня земли.

Методы и стандарты измерений

Тензиометр — это прибор, используемый для определения потенциала матричной воды ( ) ( напряжение почвенной влаги ) в зоне аэрации. ^[10] Стандарт ISO « Качество почвы — Определение давления поровой воды — Метод тензиометра», ISO 11276:1995, «описывает методы определения давления поровой воды (точечные измерения) в ненасыщенной и насыщенной почве с использованием тензиометров. Применим для измерений in situ в полевых условиях и, например, для кернов почвы, используемых в экспериментальных исследованиях». Он определяет давление поровой воды как «сумму матричного и пневматического давлений». ^[11] ${\displaystyle \Psi _{m}}$

Матричное давление

Количество работы, которое необходимо выполнить для обратимой и изотермической транспортировки бесконечно малого количества воды, идентичного по составу почвенной воде, из водоема на высоте и внешнем давлении газа рассматриваемой точки в почвенную воду в рассматриваемой точке, деленное на объем транспортируемой воды. ^[12]

Пневматическое давление

Количество работы, которое необходимо выполнить для обратимой и изотермической транспортировки бесконечно малого количества воды, идентичного по составу почвенной воде, из водоема при атмосферном давлении и на высоте рассматриваемой точки в аналогичный водоем при внешнем давлении газа рассматриваемой точки, деленное на объем транспортируемой воды. ^[12]

Смотрите также

• Внутренняя эрозия
• Морозное выветривание
• Геотехническая инженерия
• Водный потенциал
• Инжиниринг скважин

Ссылки

1. Митчелл, Дж. К. (1960). «Компоненты давления поровой воды и их инженерное значение» (PDF) . Глины и глинистые минералы . 9 (1): 162–184. Bibcode :1960CCM.....9..162M. doi :10.1346/CCMN.1960.0090109. S2CID  32375250. Архивировано из оригинала (PDF) 2019-02-18 . Получено 2013-02-17 .
2. Чжан Чао; Лу Нин (2019-02-01). "Унитарное определение всасывания матрицы". Журнал геотехнической и геоэкологической инженерии . 145 (2): 02818004. doi : 10.1061/(ASCE)GT.1943-5606.0002004 .
3. Das, Braja (2011). Принципы фундаментной инженерии . Стэмфорд, Коннектикут: Cengage Learning. ISBN 9780495668107.
4. Wood, David Muir. "Давление поровой воды". Справочный пакет GeotechniCAL . Университет Бристоля . Получено 12.03.2014 .
5. Национальный совет экзаменаторов по инженерному делу и геодезии (2005). Основы инженерного дела — Справочник-справочник (7-е изд.). Клемсон: Национальный совет экзаменаторов по инженерному делу и геодезии. ISBN 1-932613-00-5 
6. Данниклифф, Джон (1993) [1988]. Геотехнические приборы для мониторинга полевых показателей . Wiley-Interscience. стр. 117. ISBN 0-471-00546-0.
7. Лаборатория материаловедения и исследований. «Процедура использования пьезометров для контроля давления воды в скальном массиве» (PDF) . USBR 6515. Бюро мелиорации США . Получено 13.03.2014 .
8. Coduto, Donald; et al. (2011). Принципы и практика геотехнической инженерии . NJ: Pearson Higher Education, Inc. ISBN 9780132368681.
9. Чжан, Y; и др. (2015). «Эффекты скорости в межзерновых капиллярных мостиках». Механика ненасыщенных грунтов — от теории к практике: Труды 6-й Азиатско-Тихоокеанской конференции по ненасыщенным грунтам . CRC Press. стр. 463–466.
10. Роулз, В. Дж., Ахуджа, Л. Р., Бракензик, Д. Л. и Ширмохаммади, А. 1993. Инфильтрация и движение почвенной воды , в Мейдмент, Д. Р., Ред., Справочник по гидрологии, Нью-Йорк, США, McGraw-Hill, стр. 5.1–5.51.
11. ISO (1995). "Качество почвы. Определение давления поровой воды. Метод тензиометрии". ISO 11276:1995 . Международная организация по стандартизации . Получено 13.03.2014 .
12. BS 7755 1996; Часть 5.1