Давление поровой воды

Давление поровой воды (иногда сокращенно pwp ) относится к давлению из грунтовых вод, содержащихся в почве или скале, в зазорах между частицами (порами ). Давление поровой воды ниже фреатического уровня грунтовых вод измеряется с помощью пьезометров. Вертикальное распределение порового давления воды в водоносных горизонтах обычно можно предположить близким к гидростатическому.

. В ненасыщенной («вадозной») зоне поровое давление определяется по капиллярности и также обозначается как натяжение, всасывание или матричное давление. Давление поровой воды в ненасыщенных условиях измеряется тензиометрами, которые работают, позволяя поровой воде прийти в равновесие с индикатором эталонного давления через проницаемую керамическую чашу, находящуюся в контакте с почвой..

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

Содержание

• 1 Общие принципы
• 2 Под уровнем грунтовых вод
  • 2.1 Уравнение для расчета
  • 2.2 Методы и стандарты измерения
• 3 Над уровнем грунтовых вод
  • 3.1 Уравнение для расчета
  • 3.2 Методы и стандарты измерения
    • 3.2.1 Матричное давление
    • 3.2.2 Пневматическое давление
• 4 См. Также
• 5 Ссылки

Общие принципы

Давление возникает из-за:

• Перепад высот воды: вода, текущая с более высокой отметки на более низкую и вызывающая скоростной напор, или с потоком воды, как показано в уравнениях энергии Бернулли.
• Гидростатическое давление воды: в результате веса материала над точкой
• Осмотическое давление: неоднородная агрегация концентраций ионов, которая вызывает силу в частицах воды, поскольку они притягиваются по молекулярным законам притяжения.
• Давление поглощения: притяжение окружающих частиц почвы друг к другу пленками адсорбированной воды.
• Матричное всасывание: определяющая черта ненасыщенная почва, этот термин соответствует давлению, которое сухая почва оказывает на окружающий материал для выравнивания содержания влаги во всем блоке почвы, и определяется как разница между поровым давлением воздуха, $(ua)\; \{\backslash \; displaystyle\; (u\_\; \{\; a\})\}$и давление воды в порах, $(uw)\; \{\backslash \; displaystyle\; (u\_\; \{w\})\}$.

Ниже уровня грунтовых вод

пьезометр с вибрирующей проволокой. Вибрирующий провод преобразует давление жидкости в сигналы эквивалентной частоты, которые затем записываются.

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 ниже поверхности земли. В сухой почве частицы в этой точке испытывают общее напряжение над головой, равное глубине под землей (5 метров), умноженное 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 зеркала грунтовых вод на пятиметровую площадь и удельного вес воды 9,81 кН / м ^ 3. Этот параметр называется эффективным напряжением почвы, в основном равным разнице общего напряжения почвы и порового давления воды. Давление поровой воды имеет важное значение для дифференциации общего напряжения почвы от ее эффективного напряжения. Правильное представление напряжения в грунте необходимо для точных полевых расчетов в различных инженерных областях.

Уравнение для расчета

При отсутствии потока поровое давление на глубине h w, ниже поверхности воды:

$ps\; =\; gwhw\; \{\backslash \; displaystyle\; p\_\; \{s\}\; =\; g\_\; \{w\}\; h\_\; \{w\}\}$,

где:

• ps- давление насыщенной поровой воды ( кПа),
• gw- удельный вес воды (кН / м),

$gw\; =\; 9,81\; к\; Н\; /\; м\; 3\; \{\backslash \; displaystyle\; g\_\; \{w\}\; =\; 9,81\; кН\; /\; м\; ^\; \{3\}\}$(английские единицы: 62,43 фунт / фут ^ 3)

• hw- глубина ниже уровня грунтовых вод (м),

Методы и стандарты измерения

Стандартный метод измерения давления поровой воды под водой в столе используется пьезометр, который измеряет высоту, на которую столб жидкости поднимается против силы тяжести ; то есть статическое давление (или пьезометрический напор ) грунтовых вод на определенной глубине. Пьезометры часто используют электронные датчики давления для получения данных. Бюро мелиорации США разработало стандарт для контроля давления воды в горном массиве с помощью пьезометров. Он размещает ASTM D4750, «Стандартный метод испытаний для определения уровней подземной жидкости в скважине или контрольной скважине (наблюдательная скважина)».

Над уровнем грунтовых вод

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

В любой точке выше уровня грунтовых вод, в зоне водообразования, эффективное напряжение приблизительно равно общему напряжению, что подтверждается принципом Терзаги. На самом деле эффективное напряжение больше, чем общее напряжение, поскольку давление воды в пор в этих частично насыщенных грунтах фактически отрицательно. Это в первую очередь связано с поверхностным натяжением поровой воды в пустотах по всей вадозной зоне, вызывающим всасывающий эффект на окружающие частицы, то есть всасывание матрикса. Это капиллярное действие - это «движение воды вверх через зону вадозы» (Coduto, 266). Повышенная инфильтрация воды, например, вызванная сильными дождями, приводит к уменьшению всасывания матрикса в соответствии с зависимостью, описываемой кривой характеристики воды в почве (SWCC), что приводит к снижению прочности почвы на сдвиг и снижению устойчивости склона. Капиллярные эффекты в почве более сложны, чем в свободной воде, из-за случайно связанного пустого пространства и интерференции частиц, через которые протекает; независимо от того, высота этой зоны капиллярного подъема, где отрицательное давление поровой воды обычно является максимальным, может быть точно аппроксимирована простым уравнением. Высота капиллярного подъема обратно пропорциональна диаметру пустот, контактирующих с водой. Следовательно, чем меньше пустое пространство, тем выше будет подниматься вода из-за сил натяжения. Песчаные почвы состоят из более крупного материала с большим пространством для пустот и, следовательно, обычно имеют гораздо более мелкую капиллярную зону, чем более связные почвы, такие как глины и илы.

Уравнение для расчета

Если уровень грунтовых вод находится на глубине d w в мелкозернистых почвах, то поровое давление на поверхности земли составляет:

$pg\; =\; -\; gwdw\; \{\; \backslash \; displaystyle\; p\_\; \{g\}\; =\; -\; g\_\; \{w\}\; d\_\; \{w\}\}$,

где:

• pg- давление ненасыщенной поровой воды (Па) на уровне земли,
• gw- удельный вес воды (кН / м),

$gw\; =\; 9,81\; к\; Н\; /\; м\; 3\; \{\backslash \; displaystyle\; g\_\; \{w\}\; =\; 9,81\; кН\; /\; м\; ^\; \{3\}\}$

• dw- глубина уровня грунтовых вод (м),

и поровое давление на глубине z под поверхностью составляет:

$pu\; =\; gw\; (z\; -\; dw)\; \{\backslash \; displaystyle\; p\_\; \{u\}\; =\; g\_\; \{w\}\; (z-d\_\; \{w\})\}$,

где:

• pu- давление ненасыщенной поровой воды (Па) в точке z ниже уровня земли,
• zu- глубина ниже уровня земли.

Методы и стандарты измерения

Тензиометр - это инструмент, используемый для определения Матричный водный потенциал al ($\Psi \; m\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; Psi\; \_\; \{m\}\}$) (влажность почвы напряжение) в вадозной зоне. Стандарт ISO «Качество почвы - Определение давления поровой воды - Тензиометрический метод», ISO 11276: 1995 »описывает методы определения давления поровой воды (точечные измерения) в ненасыщенной и насыщенной почве с помощью тензиометров.. Применимо для измерений на месте в полевых условиях и, например, кернов почвы, используемых в экспериментальных исследованиях ». Он определяет давление поровой воды как «сумму матричного и пневматического давлений».

Матричное давление

Объем работы, который необходимо выполнить для обратимой и изотермической транспортировки бесконечно малое количество воды, идентичное по составу почвенной воде, из водоема на возвышенности и внешнему давлению газа в рассматриваемой точке до почвенной воды в рассматриваемой точке, деленное на объем транспортируемой воды.

Пневматическое давление

Объем работы, который необходимо выполнить для обратимой и изотермической транспортировки бесконечно малого количества воды, идентичного по составу грунтовой воде, из бассейна в атмосферное давление и на высоте рассматриваемой точки в подобный бассейн при внешнем давлении газа рассматриваемой точки, деленном на объем транспортируемой воды.

См. также

• Мороз выветривание
• Геотехническая инженерия
• Водный потенциал

Литература