Поровое давление воды

Поровое давление воды (иногда сокращенно pwp ) относится к давлению грунтовых вод , удерживаемых внутри почвы или породы , в промежутках между частицами ( порами ). Давление поровых вод ниже фреатического уровня грунтовых вод измеряется пьезометрами . Распределение вертикального порового давления воды в водоносных горизонтах в целом можно считать близким к гидростатическому .

В ненасыщенной («вадозной») зоне поровое давление определяется капиллярностью и также называется давлением растяжения , всасывания или матричным давлением. Давление поровой воды в ненасыщенных условиях измеряется с помощью тензиометров , которые позволяют поровой воде прийти в равновесие с эталонным индикатором давления через проницаемую керамическую чашку, помещенную в контакт с почвой.

Давление поровой воды имеет жизненно важное значение для расчета напряженного состояния в механике грунта , исходя из выражения Терзаги для эффективного напряжения грунта.

Общие принципы

Давление развивается из-за: ^[1]

Перепад высот воды : вода течет с более высокой точки на более низкую и вызывает скоростной напор или поток воды, как показано в уравнениях энергии Бернулли .
Гидростатическое давление воды : зависит от веса материала над измеренной точкой.
Осмотическое давление : неоднородное скопление концентраций ионов , которое вызывает силу в частицах воды, поскольку они притягиваются по молекулярным законам притяжения.
Давление всасывания : притяжение окружающих частиц почвы друг к другу пленками адсорбированной воды.
Матричное всасывание : определяющий признак ненасыщенной почвы. Этот термин соответствует давлению, которое сухая почва оказывает на окружающий материал для выравнивания содержания влаги в общем блоке почвы, и определяется как разница между поровым давлением воздуха, $(u_{a})$ , и поровое давление воды, $(u_{w})$ . ^[2]

Ниже уровня грунтовых вод

Эффект плавучести воды оказывает большое влияние на определенные свойства почвы, такие как эффективное напряжение, присутствующее в любой точке почвенной среды. Рассмотрим произвольную точку на глубине пяти метров от поверхности земли. В сухой почве частицы в этой точке испытывают суммарное 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 ниже поверхности, уменьшается на произведение высоты уровня грунтовых вод на пятиметровую площадь и удельного веса воды, равного 9,81. кН/м^3. Этот параметр называется эффективным напряжением грунта и по существу равен разнице общего напряжения грунта и давления поровой воды. Давление поровой воды имеет важное значение для дифференциации общего напряжения почвы от его 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 составляет: ^[4]

p_{s}=g_{w}h_{w}

,

где:

ps _– давление насыщенной поровой воды (кПа).
g _w – удельный вес воды (кН/м ³),

g_{w}=9.81kN/m^{3}

^[5]

h _w – глубина ниже уровня грунтовых вод (м),

Методы измерения и стандарты

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] часто используются электронные датчики В пьезометрах для предоставления данных давления. Бюро мелиорации США имеет стандарт мониторинга давления воды в горной массе с помощью пьезометров. На нем размещено ASTM D4750, «Стандартный метод испытаний для определения уровней подземной жидкости в скважине или наблюдательной скважине (наблюдательной скважине)». ^[7]

Над уровнем воды

Электронный тензиометрический датчик: 1 – пористая чашка; (2) трубка, наполненная водой; (3) сенсорная головка; (4) датчик давления

В любой точке над уровнем грунтовых вод , в вадозной зоне, эффективное напряжение примерно равно полному напряжению, что доказано принципом Терцаги . На самом деле эффективное напряжение больше, чем общее напряжение, поскольку поровое давление воды в этих частично насыщенных почвах фактически отрицательное. Это происходит, прежде всего, из-за поверхностного натяжения поровой воды в пустотах по всей вадозной зоне, вызывающего всасывающий эффект на окружающие частицы, т.е. всасывание матрицы. Это капиллярное действие представляет собой «движение воды вверх через вадозную зону» (Coduto, 266). ^[8] Повышенная инфильтрация воды, например, вызванная сильными дождями, приводит к уменьшению всасывания матрицы в соответствии с зависимостью, описанной 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 связанного пустотного пространства и взаимодействия частиц, через которые они текут; Тем не менее, высота этой зоны капиллярного подъема, где обычно наблюдается максимальное отрицательное поровое давление воды, может быть точно аппроксимирована простым уравнением. Высота капиллярного подъема обратно пропорциональна диаметру пустотного пространства, контактирующего с водой. Следовательно, чем меньше пустое пространство, тем выше поднимется вода за счет сил натяжения. Песчаные почвы состоят из более грубого материала с большим количеством пустот и, следовательно, 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 грунтах, то поровое давление на поверхности земли составит: ^[4]

p_{g}=-g_{w}d_{w}

,

где:

p _g — давление ненасыщенной поровой воды (Па) на уровне земли,
g _w – удельный вес воды (кН/м ³),

g_{w}=9.81kN/m^{3}

d _w – глубина уровня грунтовых вод (м),

а поровое давление на глубине z ниже поверхности равно:

p_{u}=g_{w}(z-d_{w})

,

где:

p _u — давление ненасыщенной поровой воды (Па) в точке z ниже уровня земли,
z _u – глубина ниже уровня земли.

Методы измерения и стандарты

Тензиометр – это прибор, используемый для определения матричного водного потенциала ( $\Psi _{m}$ ) ( напряжение почвенной влаги ) в вадозной зоне. ^[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. Применяется для измерений на месте. в полевых условиях и, например, керны почвы, используемые в экспериментальных исследованиях». Он определяет поровое давление воды как «сумму матричного и пневматического давлений». ^[11]

Матричное давление

Величина работы, которую необходимо совершить, чтобы обратимо и изотермически перенести бесконечно малое количество воды, идентичной по составу почвенной воде, из водоема на высоте и внешнем газовом давлении рассматриваемой точки в почвенную воду в рассматриваемой точке, деленная на объем транспортируемой воды. ^[12]

Пневматическое давление

Объем работы, которую необходимо совершить, чтобы обратимо и изотермически перенести бесконечно малое количество воды, идентичной по составу почвенной воде, из бассейна при атмосферном давлении и на высоте рассматриваемой точки в аналогичный бассейн на высоте внешнее давление газа рассматриваемой точки, деленное на объем транспортируемой воды. ^[12]

См. также

Ссылки

^ Митчелл, Дж. К. (1960). «Компоненты порового давления воды и их инженерное значение» (PDF) . Глины и глинистые минералы . 9 (1): 162–184. Бибкод : 1960CCM.....9..162M . дои : 10.1346/CCMN.1960.0090109 . S2CID 32375250 . Архивировано из оригинала (PDF) 18 февраля 2019 г. Проверено 17 февраля 2013 г.
^ Чжан Чао; Лу Нин (01 февраля 2019 г.). «Единое определение матричного всасывания» . Журнал геотехнической и геоэкологической инженерии . 145 (2): 02818004. doi : 10.1061/(ASCE)GT.1943-5606.0002004 .
^ Дас, Враджа (2011). Принципы проектирования фундамента . Стэмфорд, Коннектикут: Cengage Learning. ISBN 9780495668107 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Вуд, Дэвид Мьюир. «Поровое давление воды» . Справочный пакет GeotechniCAL . Бристольский университет . Проверено 12 марта 2014 г.
^ Национальный совет экспертов по инженерно-геодезическим работам (2005). Справочно-справочный справочник по основам инженерного дела (7-е изд.). Клемсон: Национальный совет экспертов по инженерному делу и геодезии. ISBN 1-932613-00-5
^ Данниклифф, Джон (1993) [1988]. Геотехнические приборы для мониторинга производительности месторождений . Уайли-Интерсайенс. п. 117. ИСБН 0-471-00546-0 .
^ Лаборатория материаловедения и исследований. «Методика использования пьезометров для контроля давления воды в массиве горных пород» (PDF) . USBR 6515 . Бюро мелиорации США . Проверено 13 марта 2014 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б Кодуто, Дональд; и др. (2011). Геотехнические принципы и практика . Нью-Джерси: Pearson Higher Education, Inc. ISBN 9780132368681 .
^ Чжан, Ю; и др. (2015). «Скорость эффектов в межзеренных капиллярных мостиках». . Механика ненасыщенных почв: от теории к практике: материалы 6-й Азиатско-Тихоокеанской конференции по ненасыщенным почвам . ЦРК Пресс. стр. 463–466.
^ Ролз, В.Дж., Ахуджа, Л.Р., Бракенсик, Д.Л., и Ширмохаммади, А. 1993. Инфильтрация и движение почвенных вод , в Мейдмент, Д.Р., Ред., Справочник по гидрологии, Нью-Йорк, Нью-Йорк, США, McGraw-Hill, стр. . 5,1–5,51.
^ ИСО (1995). «Качество почвы. Определение порового давления воды. Тензиометрический метод» . ИСО 11276:1995 . Международная организация по стандартизации . Проверено 13 марта 2014 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б БС 7755 1996 г.; Часть 5.1

[1] Митчелл, Дж. К. (1960). «Компоненты порового давления воды и их инженерное значение» (PDF) . Глины и глинистые минералы . 9 (1): 162–184. Бибкод : 1960CCM.....9..162M . дои : 10.1346/CCMN.1960.0090109 . S2CID 32375250 . Архивировано из оригинала (PDF) 18 февраля 2019 г. Проверено 17 февраля 2013 г.

[2] Чжан Чао; Лу Нин (01 февраля 2019 г.). «Единое определение матричного всасывания» . Журнал геотехнической и геоэкологической инженерии . 145 (2): 02818004. doi : 10.1061/(ASCE)GT.1943-5606.0002004 .

[3] Дас, Враджа (2011). Принципы проектирования фундамента . Стэмфорд, Коннектикут: Cengage Learning. ISBN 9780495668107 .

[Bristol-4] Перейти обратно: ^а ^б Вуд, Дэвид Мьюир. «Поровое давление воды» . Справочный пакет GeotechniCAL . Бристольский университет . Проверено 12 марта 2014 г.

[FE-5] Национальный совет экспертов по инженерно-геодезическим работам (2005). Справочно-справочный справочник по основам инженерного дела (7-е изд.). Клемсон: Национальный совет экспертов по инженерному делу и геодезии. ISBN 1-932613-00-5

[Ch_9_Measurement_of_Groundwater_Pressure-6] Данниклифф, Джон (1993) [1988]. Геотехнические приборы для мониторинга производительности месторождений . Уайли-Интерсайенс. п. 117. ИСБН 0-471-00546-0 .

[7] Лаборатория материаловедения и исследований. «Методика использования пьезометров для контроля давления воды в массиве горных пород» (PDF) . USBR 6515 . Бюро мелиорации США . Проверено 13 марта 2014 г.

[Coduto2011-8] Перейти обратно: ^а ^б Кодуто, Дональд; и др. (2011). Геотехнические принципы и практика . Нью-Джерси: Pearson Higher Education, Inc. ISBN 9780132368681 .

[9] Чжан, Ю; и др. (2015). «Скорость эффектов в межзеренных капиллярных мостиках». . Механика ненасыщенных почв: от теории к практике: материалы 6-й Азиатско-Тихоокеанской конференции по ненасыщенным почвам . ЦРК Пресс. стр. 463–466.

[10] Ролз, В.Дж., Ахуджа, Л.Р., Бракенсик, Д.Л., и Ширмохаммади, А. 1993. Инфильтрация и движение почвенных вод , в Мейдмент, Д.Р., Ред., Справочник по гидрологии, Нью-Йорк, Нью-Йорк, США, McGraw-Hill, стр. . 5,1–5,51.

[11] ИСО (1995). «Качество почвы. Определение порового давления воды. Тензиометрический метод» . ИСО 11276:1995 . Международная организация по стандартизации . Проверено 13 марта 2014 г.

[BS_7755_1996;_Part_5.1-12] Перейти обратно: ^а ^б БС 7755 1996 г.; Часть 5.1

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]