Давление поровой воды

Давление воды поры (иногда сокращенно ПРП ) относится к давлению в подземных водах , состоявшемся в почве или породе , в промежутках между частицами ( поры ). Поровое давление воды ниже фреатического уровня грунтовых вод измеряются пьезометрами . Обычно можно предположить, что вертикальное распределение порового давления воды в водоносных горизонтах близко к гидростатическому .

В ненасыщенной («вадозной») зоне поровое давление определяется капиллярностью и также упоминается как растяжение , всасывание или матричное давление. Давление поровой воды в ненасыщенных условиях измеряется с помощью тензиометров , которые работают, позволяя поровой воде прийти в равновесие с эталонным индикатором давления через проницаемую керамическую чашку, находящуюся в контакте с почвой.

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

Общие принципы [ править ]

Давление возникает из-за: ^[1]

Разница высот воды: вода течет с более высокой отметки на более низкую и вызывает скоростной напор, или вместе с потоком воды, как показано в уравнениях энергии Бернулли .
Гидростатическое давление воды : результат веса материала выше измеренной точки.
Осмотическое давление : неоднородное скопление концентраций ионов , которое вызывает силу в частицах воды, поскольку они притягиваются в соответствии с молекулярными законами притяжения.
Давление поглощения : притяжение окружающих частиц почвы друг к другу пленками адсорбированной воды.
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 поровым давлением воздуха и давлением поровой воды. , . ^[2] ${\ Displaystyle (и_ {а})}$ ${\ Displaystyle (и_ {ш})}$

Ниже уровня грунтовых вод [ править ]

Пьезометр с вибрирующей проволокой. Вибрирующая проволока 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 пять 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 местный уровень грунтовых водВысота 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 веса 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 стресса почвы от ее эффективного стресса. Правильное представление напряжения в почве необходимо для точных полевых расчетов в различных инженерных областях. ^[3]

Уравнение для расчета [ править ]

При отсутствии потока поровое давление на глубине h _w ниже поверхности воды составляет: ^[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} = 9,81 кН / м ^ {3}}

(Английские единицы: 62,43 фунта / фут ^ 3) ^[5]

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

Методы и стандарты измерения [ править ]

Стандартный метод измерения порового давления 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 получения данных. Бюро Соединенных Штатов рекламации имеет стандарт для контроля давления воды в горной массе с пьезометрами. Он размещает ASTM D4750, «Стандартный метод испытаний для определения уровней подземной жидкости в стволе скважины или контрольной скважине (наблюдательной скважине)». ^[7]

Над уровнем грунтовых вод [ править ]

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

В любой точке над уровнем грунтовых вод , в зоне вадозы, 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, вызывая эффект всасывания на окружающие частицы, то есть всасывание матрикса. Это капиллярное действие представляет собой «восходящее движение воды через зону вадозы» (Coduto, 266). ^[8] 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. ^[9] 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 в контакте с водой. Следовательно, чем меньше пустое пространство, тем выше будет подниматься вода из-за сил натяжения. СэндиПочвы состоят из более крупного материала с большим количеством пустот и, следовательно, имеют более мелкую капиллярную зону, чем более связные почвы, такие как глины и илы . ^[8]

Уравнение для расчета [ править ]

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

{\ displaystyle 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 ),

{\ displaystyle g_ {w} = 9,81 кН / м ^ {3}}

d _w - глубина зеркала грунтовых вод (м),

а поровое давление на глубине z ниже поверхности составляет:

{\ displaystyle 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 и стандарты измерения [ править ]

Тензиометр - это прибор, используемый для определения матричного водного потенциала ( ) ( напряжения влажности почвы ) в зоне вадозы. ^[10] ISO стандарт, «Качество почвы - Определение порового давления воды - метод Tensiometer», ISO 11276: 1995, «описывает методы определения порового давления воды (точечные измерения) в ненасыщенных и насыщенных почвах с помощью тензиометров Применим для. измерения на месте в полевых условиях и, например, керны почвы, используемые в экспериментальных исследованиях ». Он определяет давление поровой воды как «сумму матричного и пневматического давлений». ^[11] ${\ displaystyle \ Psi _ {m}}$

Матричное давление [ править ]

Объем работы, который необходимо выполнить для обратимого и изотермического переноса бесконечно малого количества воды, идентичного по составу грунтовой воде, из водоема на высоте и внешнему давлению газа рассматриваемой точки в грунтовую воду. в рассматриваемой точке, деленное на объем транспортируемой воды. ^[12]

Пневматическое давление [ править ]

Объем работы, который необходимо выполнить для обратимого и изотермического переноса бесконечно малого количества воды, идентичного по составу грунтовой воде, из бассейна при атмосферном давлении и на высоте рассматриваемой точки в аналогичный бассейн на внешнее давление газа в рассматриваемой точке, деленное на объем транспортируемой воды. ^[12]

См. Также [ править ]

Морозное выветривание
Геотехническая инженерия
Водный потенциал

Ссылки [ править ]

Перейти ↑ Mitchell, JK (1960). «Компоненты порового давления 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 . Проверено 17 февраля 2013 .
^ Чжан Чао; Лу Нин (01.02.2019). «Унитарное определение матричного всасывания» . Журнал геотехнической и геоэкологической инженерии . 145 (2): 02818004. DOI : 10,1061 / (ASCE) GT.1943-5606.0002004 .
^ Das, Браджа (2011). Принципы фундаментальной инженерии . Стэмфорд, Коннектикут: Cengage Learning. ISBN 9780495668107.
^ a b Вуд, Дэвид Мьюир. «Давление поровой воды» . Справочный пакет GeotechniCAL . Бристольский университет . Проверено 12 марта 2014 .
^ Национальный совет экспертов по проектированию и изысканиям (2005). Основы инженерии Поставляется - Справочник (7-е изд.). Клемсон: Национальный совет экспертов по проектированию и геодезии. ISBN 1-932613-00-5
^ Данниклифф, Джон (1993) [1988]. Геотехнические приборы для мониторинга полевых характеристик . Wiley-Interscience. п. 117. ISBN 0-471-00546-0.
^ Лаборатория материаловедения и исследований. «Процедура использования пьезометров для контроля давления воды в горной массе» (PDF) . USBR 6515 . Бюро мелиорации США . Проверено 13 марта 2014 .
^ a b Кодуто, Дональд; и другие. (2011). Принципы и методы геотехнической инженерии . Нью-Джерси: ISBN Pearson Higher Education, Inc. 9780132368681.
^ Чжан, Y; и другие. (2015). «Скоростные эффекты в межкристаллитных капиллярных мостиках». . Механика ненасыщенных почв - от теории к практике: материалы 6-й Азиатско-Тихоокеанской конференции по ненасыщенным почвам . CRC Press. С. 463–466.
^ Ролс, WJ, Ахадж, LR, Brakensiek, DL и Shirmohammadi, A. 1993. Проникновение и движение воды в почве , в Мэйдменте, DR, Ed., Справочник по гидрологии, НьюЙорк, НьюЙорк, США, McGraw-Hill, р . 5.1–5.51.
^ ISO (1995). «Качество почвы - Определение порового давления воды - Тензиометрический метод» . ISO 11276: 1995 . Международная организация по стандартизации . Проверено 13 марта 2014 .
^ а б BS 7755 1996; Часть 5.1

[1] Перейти ↑ Mitchell, JK (1960). «Компоненты порового давления 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 . Проверено 17 февраля 2013 .

[2] Чжан Чао; Лу Нин (01.02.2019). «Унитарное определение матричного всасывания» . Журнал геотехнической и геоэкологической инженерии . 145 (2): 02818004. DOI : 10,1061 / (ASCE) GT.1943-5606.0002004 .

[3] Das, Браджа (2011). Принципы фундаментальной инженерии . Стэмфорд, Коннектикут: Cengage Learning. ISBN 9780495668107.

[Bristol-4] Вуд, Дэвид Мьюир. «Давление поровой воды» . Справочный пакет GeotechniCAL . Бристольский университет . Проверено 12 марта 2014 .

[FE-5] Национальный совет экспертов по проектированию и изысканиям (2005). Основы инженерии Поставляется - Справочник (7-е изд.). Клемсон: Национальный совет экспертов по проектированию и геодезии. ISBN 1-932613-00-5

[Ch_9_Measurement_of_Groundwater_Pressure-6] Данниклифф, Джон (1993) [1988]. Геотехнические приборы для мониторинга полевых характеристик . Wiley-Interscience. п. 117. ISBN 0-471-00546-0.

[7] Лаборатория материаловедения и исследований. «Процедура использования пьезометров для контроля давления воды в горной массе» (PDF) . USBR 6515 . Бюро мелиорации США . Проверено 13 марта 2014 .

[Coduto2011-8] Кодуто, Дональд; и другие. (2011). Принципы и методы геотехнической инженерии . Нью-Джерси: ISBN Pearson Higher Education, Inc. 9780132368681.

[9] Чжан, Y; и другие. (2015). «Скоростные эффекты в межкристаллитных капиллярных мостиках». . Механика ненасыщенных почв - от теории к практике: материалы 6-й Азиатско-Тихоокеанской конференции по ненасыщенным почвам . CRC Press. С. 463–466.

[10] Ролс, WJ, Ахадж, LR, Brakensiek, DL и Shirmohammadi, A. 1993. Проникновение и движение воды в почве , в Мэйдменте, DR, Ed., Справочник по гидрологии, НьюЙорк, НьюЙорк, США, McGraw-Hill, р . 5.1–5.51.

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

[BS_7755_1996;_Part_5.1-12] а б BS 7755 1996; Часть 5.1

[1]